[发明专利]一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋深水立管的研究试验方法，具体涉及一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法。

背景技术

深水顶张式立管是深水海洋立管的一种主要类型，立管的下端与海底井口连接，管壁张力直接作用在井口上，而管内的流体源源不断地从海底穿过立管流向浮式平台。深水顶张式立管的顶张力计算是设计和分析的基础，如果顶张力设计值偏低，则有可能造成立管的压曲，顶张力设计值偏高则可能造成立管断裂。而且顶张力还直接关系到立管固有频率的计算，如果顶张力计算的不准确，则设计的固有频率可能与立管实际的固有频率产生较大的偏差，严重时，可能造成立管的固有频率与海洋环境荷载的卓越频率接近而引发共振。因此，准确地计算立管的顶张力对于立管的设计分析和研究都有着重要的意义。

目前，立管的顶张力是采用设计顶张力系数乘以立管及管内流体在海水中的重量，即认为立管内的流体重量对管壁张力有贡献。具体计算公式如下：

T_top＝f_T·(W_riser+W_fluid-W_{displacedwater})            (1)

式中：T_top为立管的顶张力；

f_T为顶张力系数；

W_riser为立管的重量；

W_fluid为立管内流体的重量；

W_{displacedwater}为立管排开水的重量。

而实际上，立管的底端是连接在海底井口上的，正常生产时，管内的流体从油井穿过立管流向水面的浮式平台，无论立管在顶张力的作用下发生怎样的轴向变形，只要立管的横截面不折曲，流体的流动都不会受到影响。因此，立管内流动的流体对顶张力没有影响。除非海底井口的阀门关闭，被锁定在立管内的流体重量可能对立管的顶张力有贡献，不过，这也未得到证实。

深水顶张式立管的有效张力是立管设计和分析的另一个重要参数，它直接影响到立管的几何刚度计算，从而影响立管的动力特性和响应计算，直至影响立管的疲劳设计分析。如果有效张力计算值不准确，则立管的几何刚度计算值与立管实际的几何刚度产生偏差，可能造成立管的固有频率与海洋环境荷载的卓越频率接近而引发共振。

目前，深水顶张式立管的有效张力是基于浮力原理和平衡条件分析得到的，可表示为：

T_e＝T_w-p_iA_i+p₀A₀                (2)

式中：T_w为立管管壁张力；

p_i，p₀分别为立管的内、外流体的压力，其中p_i不包括静水头压力；

A_i，A₀分别为立管的内、外壁横截面积。

其中假设立管的微元段(包括内部流体)两端直接受到海水的作用，这与实际情况有较大的差异。立管的下端与海底井口连接，上端高于海平面，因此，立管的任何一个微元段两端都不受海水的直接作用，上述有效张力计算公式中与外压有关的项是不合理的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有深水顶张式立管研究的缺陷，提供一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，为深水顶张式立管的顶张力和有效张力计算提供依据和试验验证。

本发明的技术方案如下：一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，该方法将模型管线的下端固定在内压水箱上，将模型管线的上端通过弹簧拉力计连接到试验用的反力架上，在模型管线外部设有外压水筒，在模型管线不同位置上设置若干应变计，并设置用于测量管线内压的压力表；

然后进行如下试验：

首先，向模型管线内充水，保持系统内的水正常流动，使压力表和应变计的读数为零；然后，通过张紧弹簧拉力计对模型管线施加顶张力，使应变计的最小应变值达到200～1000个微应变，记录弹簧拉力计和应变计的读数；