[发明专利]一种顶张式立管耦合运动的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种顶张式立管耦合运动的数值模拟方法，包括步骤：建立油管、内立管和外套立管的有限元模型；分析油管、内立管和外套立管各相邻立管之间的接触情况；根据所述各相邻立管之间的接触情况分析立管的运动状态及受力情况；采用有限元理论对立管的运动状态和受力情况进行数值分析。本发明分析各层立管之间的接触情况，并利用有限元理论进行数值模拟分析，以解决顶张式立管耦合运动产生的动力响应问题，其计算过程高效，数值更加准确。

技术领域

本发明涉工程管道技术领域，尤其涉及一种顶张式立管耦合运动的数值模拟方法。

背景技术

深水顶张式立管是联系海底油井与水面设施的纽带与桥梁，立管为海底油井与水面设施之间提供油、气、水的输送，是深水油气开发的特有装备，尽管浅水油气开发装备中也有立管，但与深水立管不可同日而语，其结构形式与水动力性能几乎发生了质的变化，深水顶张式立管由油管和套管组成，油管与套管最常用的方式为管中管形式，最外层管为外套立管，外套立管管的作用为保护内管与油管免受海流载荷、隔绝海水腐蚀、支撑油管的作用，在深水采油的过程中，伴随着天然气的产生，内立管与油管之间形成的通道用来输送天然气，油管的作用为连接水面采油树和海底井口、输送石油。在顶张式立管的设计中，解决各层立管之间耦合作用的方法对于深水油气开发具有重要的意义，而各层立管之间耦合作用计算方法中，立管间在扶正器处的接触情况对于立管之间耦合作用产生重要影响。

公开号为CN108491615A的国内专利公开了一种基于有限元分析的三层顶张紧式海洋立管的全耦合动力响应计算方法，属于深水油气开发工程管道技术分析领域。本发明采用有限元分析方法，分别建立三层管的有限元模型，将单元模型简化为欧拉梁单元；分别计算三个不同单元的质量矩阵与刚度矩阵，分别组合装配三层立管的质量矩阵与刚度矩阵；根据立管的质量矩阵与刚度矩阵，分别分析计算立管的频率与振型，进而选取扶正器的布置形式；根据立管所在海域环境，计算作用在外管上的水平拖曳力与水平惯性力；根据计算得出的油管与内管的横向位移响应，计算油管与内管各节点的应力、弯矩以及扶正器的横向作用力。该发明能正确分析出多层顶张紧式立管的横向受力与横向位移响应，具有概念明确、计算精度高等特点。但是，该方案对于立管之间的接触情况及边界条件未进行分析，影响分析方法的效率及准确度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种顶张式立管耦合运动的数值模拟方法，可以实现各层立管之间的耦合运动的数值模拟，其模拟效率更高，模拟结果更加准确。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种顶张式立管耦合运动的数值模拟方法，包括步骤：

建立油管、内立管和外套立管的有限元模型；

分析油管、内立管和外套立管各相邻立管之间的接触情况；

根据所述各相邻立管之间的接触情况分析立管的运动状态及受力情况；

采用有限元理论对立管的运动状态和受力情况进行数值分析。

优选的，所述分析油管、内立管和外套立管各相邻立管之间的接触情况具体为：

分析各相邻立管在扶正器节点k处的接触情况及该节点k处的运动情况。

优选的，还包括步骤：

根据相邻立管接触边界条件判断各相邻立管是否接触，具体公式为：

x_(1)k-x_(2)k＝-h_fu

x_(1)k-x_(2)k＝-(d₁-D₂-h_fu)        (1)