基于ABAQUS／Explicit的深水連接器準(zhǔn)靜態(tài)分析

趙三軍，段夢(mèng)蘭，李旭東，劉亞磊，羅曉蘭，代廣文，李 博

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海油研究總院，北京100027）①

基于ABAQUS／Explicit的深水連接器準(zhǔn)靜態(tài)分析

趙三軍1，段夢(mèng)蘭1，李旭東1，劉亞磊1，羅曉蘭1，代廣文1，李 博2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海油研究總院，北京100027）①

介紹了深水套筒式連接器的結(jié)構(gòu)與工作原理。建立了有限元模型，運(yùn)用A baqus／Explicit顯式準(zhǔn)靜態(tài)分析求解，從能量的角度判定模型分析的準(zhǔn)確性，從計(jì)算結(jié)果判定該連接器的設(shè)計(jì)能否滿足強(qiáng)度要求。顯式準(zhǔn)靜態(tài)分析求解既保證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，又解決了靜態(tài)分析復(fù)雜接觸時(shí)嚴(yán)重的不收斂問(wèn)題，為解決復(fù)雜接觸的靜力問(wèn)題提供了一種方法。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；連接器；有限元法；準(zhǔn)靜態(tài)分析

深水區(qū)域的油氣資源相對(duì)淺水區(qū)域豐富，人類開采的方向也從淺水逐漸深入到深水，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)已成為重要的深水開發(fā)裝備［1］。深水連接器是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用為水下生產(chǎn)設(shè)施的連接，包括水下采油樹與水下管匯的連接，跨接管與水下采油樹的連接、P L E T（管道終端）與P L E M（終端管匯）的連接等［2-4］。目前，國(guó)內(nèi)連接器的研究都處于起始階段，國(guó)外對(duì)連接器的研究比較成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)南海荔灣3-1氣田的開發(fā)，深海油氣開采被逐漸提上日程，深水連接器等水下設(shè)備將有著廣泛的市場(chǎng)需求［5-11］。因此，我國(guó)設(shè)立了2個(gè)國(guó)家科技重大專項(xiàng)“水下管匯連接器樣機(jī)研制”和“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測(cè)試裝備及技術(shù)”，促進(jìn)我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)研究。

深水連接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制時(shí)要經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算論證。A B A Q U S／Explicit準(zhǔn)靜態(tài)方法求解復(fù)雜靜態(tài)接觸問(wèn)題比A B A Q U S／Standard有著明顯的優(yōu)勢(shì)［12-14］，本文把這種準(zhǔn)靜態(tài)方法運(yùn)用于求解大型的復(fù)雜的連接器問(wèn)題，是一種新的嘗試。

1 深水套筒式連接器的結(jié)構(gòu)與工作原理

套筒式連接器分為機(jī)械式和液壓式。主要由核心部件和輔助部件2部分組成，其中核心部件包括公轂座、母轂座、金屬密封件、卡爪、驅(qū)動(dòng)環(huán)等；輔助部件有定位機(jī)構(gòu)、軸向鎖緊機(jī)構(gòu)、液壓元件、控制面板等。液壓式連接器不需要安裝工具。機(jī)械式連接器包括連接器和安裝工具2部分，其中連接器由核心部件組成，安裝工具由輔助部件組成。工作原理是：驅(qū)動(dòng)環(huán)向前運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)卡爪，使卡爪與公、母轂座嚙合，從而鎖緊轂座，同時(shí)轂座內(nèi)的金屬密封件因受擠壓發(fā)生變形，從而起到密封的效果。

深水套筒機(jī)械式連接器是先在水面與跨接管連接在一起的，然后一同安裝到水下設(shè)施上。在水下安裝時(shí)要用安裝工具將連接器的2個(gè)轂座連接到一起，并且要在轂座之間用密封件密封。周游［8］等研究了水平套筒式連接器的安裝方案。當(dāng)密封件損壞時(shí)，還需要用安裝工具對(duì)連接器進(jìn)行解鎖和重新鎖緊來(lái)完成密封件的更換［9］。圖1為水平套筒式連接器核心部件，圖2為正在通過(guò)索具下放安裝工具。

圖1 水平套筒式連接器核心部件

圖2 下放安裝工具

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 建立模型

由于連接器的母轂座、公轂座、驅(qū)動(dòng)環(huán)、密封件都是軸對(duì)稱的，環(huán)向裝有20個(gè)卡爪，所以有限元模型可以簡(jiǎn)化為環(huán)向的1／20。模型全部采用六面體網(wǎng)格，單元類型全部為八結(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元，如圖3所示。劃分網(wǎng)格時(shí)，卡爪和密封件受力比較復(fù)雜，且是重要部件，網(wǎng)格劃分的密些。各個(gè)部件的單元數(shù)和結(jié)點(diǎn)數(shù)如表1所示。

圖3 水平套筒式連接器的有限元模型

表1 各個(gè)構(gòu)件單元數(shù)和結(jié)點(diǎn)數(shù)

2.2 數(shù)值求解方法

連接器鎖緊時(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)由安裝工具緩慢推動(dòng)，推動(dòng)一定距離后停止。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)壓緊卡爪，卡爪鎖緊公轂座和母轂座，公轂座和母轂座壓緊密封件，形成有效密封。這是一個(gè)靜態(tài)過(guò)程，本應(yīng)該選用A B A Q U S／Standard進(jìn)行求解計(jì)算，但在此過(guò)程中，存在非常復(fù)雜的接觸，其接觸面包括驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪的接觸，卡爪與公轂座和母轂座的接觸，密封件與公轂座和母轂座的接觸，使用A baqus／Standard求解會(huì)存在很嚴(yán)重的不收斂問(wèn)題，所以采用A baqus／Explicit顯式準(zhǔn)靜態(tài)分析方法求解。顯式求解方法是1種動(dòng)態(tài)求解過(guò)程，通過(guò)緩慢、準(zhǔn)靜態(tài)的加載來(lái)模擬靜態(tài)過(guò)程。A baqus／Explicit應(yīng)用中心差分方法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行顯式的時(shí)間積分，應(yīng)用前1個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件計(jì)算下一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件［12］。其求解流程是：

1） 結(jié)點(diǎn)計(jì)算

增量步開始t時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)平衡方程為

對(duì)時(shí)間顯示積分：

通過(guò)式（2）和式（3）可知t＋Δt／2時(shí)刻的速度和t＋Δt時(shí)刻的位移。

2） 單元計(jì)算

3） 設(shè)置時(shí)間為t＋Δt，返回到步驟（1）。

準(zhǔn)靜態(tài)分析的關(guān)鍵是要控制加載時(shí)間，選擇恰當(dāng)?shù)募虞d時(shí)間，即保證慣性力的影響不明顯又能縮短計(jì)算時(shí)間，要確保模型的動(dòng)能決不能超過(guò)其內(nèi)能的一個(gè)很小的百分比（典型地為5%到10%）［13-14］。

2.3 定義接觸

A B A Q U S／Explicit提供了2種算法來(lái)模擬接觸問(wèn)題。通用接觸（general contact）算法可以簡(jiǎn)單地定義接觸，對(duì)接觸面的類型限制較少。接觸對(duì)（contact pair）算法定義接觸的過(guò)程比較復(fù)雜，對(duì)接觸面的類型有比較嚴(yán)格的限制。模型的接觸比較復(fù)雜，這里采用通用接觸算法，A B A Q U S／Explicit采用罰函數(shù)法引入接觸條件。使用的摩擦模型為庫(kù)倫摩擦，即使用摩擦因數(shù)來(lái)表示接觸面之間的摩擦特性。庫(kù)倫摩擦的計(jì)算公式為：

式中：τ為切應(yīng)力，μ為摩擦因數(shù)，p為法向應(yīng)力。

2.4 能量平衡

如何評(píng)價(jià)模擬的過(guò)程是否產(chǎn)生的正確的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，研究模型中的各種能量是一種具有普遍意義的方式［15］。A B A Q U S／Explicit中的能量平衡方程：

式中：Etotal是在系統(tǒng)中的總能量；EI是內(nèi)能（包括彈性和塑性應(yīng)變能）；EV是粘性耗散吸收的能量；EKE是動(dòng)能；EFD是摩擦耗散吸收的能量；EW是外力所做的功，這里Etotal近似于一個(gè)常數(shù)，一般其誤差小于1%［15-16］。

3 能量分析與計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)的深水套筒機(jī)械式連接器是在水深1 500 m，內(nèi)壓34.5 M Pa的壓力下工作的，取各個(gè)接觸面之間的摩擦因數(shù)μ＝0.1，從能量的角度判定模型分析的準(zhǔn)確性，從計(jì)算結(jié)果判定連接器的設(shè)計(jì)能否滿足強(qiáng)度要求。

3.1 能量分析

根據(jù)第2.2節(jié)和2.4節(jié)，可以從2個(gè)方面判斷數(shù)值計(jì)算的結(jié)果能否作為靜力計(jì)算的可接受結(jié)果。

1） 模型動(dòng)能與內(nèi)能的比小于10%。

2） Etotal近似于1個(gè)常數(shù)，其誤差小于1%。計(jì)算結(jié)果如圖4～5。

圖4 動(dòng)能與內(nèi)能曲線

圖5 總能量曲線

由圖4可以得到模型的最大動(dòng)能值為5 165.84J，總內(nèi)能值為75 723.8 J，模型的動(dòng)能與內(nèi)能比為6.8%，滿足式（1）的要求。

由圖5可以得到的最大與最小能量值分別是3 927.39、3 899.74 J，誤差為0.7%，滿足式（2）的要求。

綜上，模型數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是穩(wěn)定的，而且符合準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算的一般要求，得到的結(jié)果可以作為近似的靜力計(jì)算結(jié)果。

3.2 計(jì)算結(jié)果

由第3.1節(jié)可知，計(jì)算結(jié)果是可以接受的，下面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。各部件的材料屬性如表1。

表1 各部件材料屬性

分析結(jié)果如圖6，模型的最大應(yīng)力為329.5 M Pa，均未超過(guò)各個(gè)部件的屈服強(qiáng)度，所以判定連接器的設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖6 水平套筒式連接器的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1） 由于連接器的接觸比較復(fù)雜，使用A baqus／Standard求解會(huì)存在很嚴(yán)重的不收斂問(wèn)題。采用A B A Q U S／Explicit顯式準(zhǔn)靜態(tài)分析方法求解，有效地解決了不收斂問(wèn)題。

2） 介紹了準(zhǔn)靜態(tài)分析的特點(diǎn)，從能量的角度判定了模型分析的準(zhǔn)確性。由計(jì)算結(jié)果判定了連接器的設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。

3） 連接器準(zhǔn)靜態(tài)分析方法的探索，為海洋石油復(fù)雜設(shè)備的數(shù)值計(jì)算提出了一種思路。

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Quasi-static Analysis of Deepwater Collet Connector with A B A Q US／Explicit

Z H A O San-jun1，D U A N M eng-lan1，LI Xu-dong1，LIU Ya-lei1，L U O Xiao-lan1，D AI G uang-wen1，LI Bo2
（1．O ffshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleu m（Beijing），Beijing102249，China；2．C N O O C Research Institute，Beijing100027，China）

T he structure and w orking principle of deep water collet connector is introduced.Finite element m odelis established，A baqus／Explicit quasi-static analysis is used to solve the m odel，the accuracy of the m odel analysis fro m an energy pointis determined and the design of the connector is determined if it can meet the strength requirements or not on the basis of calculation results. Q uasi-static analysis could not only ensure the accuracy of nu merical co m putation，but also solve serious non convergence problem of static analysis of co m plex contact，and provide a way to solve static problem of co m plex contact.

subsea production system；connector；finite element method；quasi-static analysis

T E952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.005

1001-3482（2014）08-0023-04

2014-02-27

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“水下管匯連接器樣機(jī)研制”（2011Z X05026-003-02）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水水下生產(chǎn)設(shè)施

制造、測(cè)試裝備及技術(shù)”（2011Z X05027-004）

趙三軍（1987-），男，河北泊頭人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備研究，E-mail：cupzsj＠g mail.co m。