專利名稱：一種基于頂張緊式立管的應(yīng)力接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)力接頭，特別是關(guān)于一種基于頂張緊式立管的應(yīng)力接頭。
背景技術(shù)：
隨著深水開發(fā)活動(dòng)的大大增加，深水開發(fā)的技術(shù)裝備也不斷面臨新的挑戰(zhàn)，對(duì)連接海底管線和平臺(tái)的立管系統(tǒng)提出了不同的要求。深水立管是一種柔性結(jié)構(gòu)，它們常常是直接與剛性結(jié)構(gòu)連接，當(dāng)立管兩端與剛性結(jié)構(gòu)固定連接時(shí)，特別是生產(chǎn)立管直接與海床固定連接或直接與浮式結(jié)構(gòu)、平臺(tái)等固定連接時(shí)，其柔性會(huì)急劇減小甚至消失，這樣的連接部位彎曲強(qiáng)度在局部響應(yīng)中處于十分重要的地位，因此，在進(jìn)行深水立管設(shè)計(jì)時(shí)，就要在連接邊界附近慎重選擇結(jié)構(gòu)形式，確定彎曲強(qiáng)度，以避免發(fā)生局部彎曲應(yīng)力過大的現(xiàn)象。在深水立管系統(tǒng)當(dāng)中這樣的結(jié)構(gòu)通常被稱作應(yīng)力接頭(Stress Joint)。應(yīng)力接頭的主要特性與整個(gè)立管的彎曲強(qiáng)度變化直接相關(guān)，性能也直接受其幾何形狀影響，在深水立管系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)力接頭的主要功能是將立管位移和荷載傳遞到固定或剛性端部，如平臺(tái)和海床等，因此在進(jìn)行應(yīng)力接頭設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮立管與接頭連接部位的力學(xué)特性及接頭的主要形式。目前，應(yīng)力接頭的設(shè)計(jì)大都依據(jù)設(shè)計(jì)者的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)已有的應(yīng)力接頭和服役海洋環(huán)境進(jìn)行應(yīng)力接頭設(shè)計(jì)，因此當(dāng)服役區(qū)域的海洋環(huán)境及生產(chǎn)要求發(fā)生變化時(shí)，設(shè)計(jì)的應(yīng)力接頭將很難滿足在該海洋環(huán)境下的功能性和經(jīng)濟(jì)性的要求。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠適合各種實(shí)際海洋環(huán)境，并能滿足功能性和經(jīng)濟(jì)性要求，基于頂張緊式立管的應(yīng)力接頭。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案一種基于頂張緊式立管的應(yīng)力接頭，其特征在于所述應(yīng)力接頭呈錐體形，其內(nèi)徑恒定不變，外徑由頂端到底端逐漸變大， 壁厚逐漸增加，所述應(yīng)力接頭的頂端與立管連接，底端連接水下井頭系統(tǒng)。所述應(yīng)力接頭采用鈦鋁合金制成。本實(shí)用新型由于采用以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭采用鈦合金制成，與傳統(tǒng)鋼材料相比具有高強(qiáng)度、低彈性模量及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。2、本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭呈錐體形，其內(nèi)徑恒定不變，外徑由頂端到底端逐漸變大，結(jié)構(gòu)簡單，力學(xué)性能優(yōu)良，能夠有效的提高立管系統(tǒng)底部的抗彎剛度、降低彎曲應(yīng)力，而且在建造工藝上也較易實(shí)現(xiàn)。3、本實(shí)用新型提供的設(shè)計(jì)參數(shù)α j的優(yōu)選取值范圍為1. 1 1. 5，并能夠基于設(shè)計(jì)情況和功能需求不斷分析設(shè)計(jì)結(jié)果，調(diào)整應(yīng)力接頭的規(guī)格數(shù)據(jù)，獲得滿足各方面要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，因此，具有經(jīng)濟(jì)性。本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭結(jié)構(gòu)簡單，力學(xué)性能優(yōu)良，能夠適合各種實(shí)際海洋環(huán)境。

圖1是本實(shí)用新型應(yīng)力接頭在整個(gè)頂張緊式立管系統(tǒng)中的位置示意圖[0009]圖2是本實(shí)用新型應(yīng)力接頭結(jié)構(gòu)示意圖圖3是本實(shí)用新型立管與應(yīng)力接頭連接部位載荷示意圖圖4是本實(shí)用新型應(yīng)力接頭的坐標(biāo)系統(tǒng)以及應(yīng)力接頭頂端荷載情況示意圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，頂張緊式立管系統(tǒng)包括地面采油樹1、張緊器2、張緊器接頭3、立管4 和立管接頭5。本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭6設(shè)置在整個(gè)頂張緊式立管系統(tǒng)的底部，其頂端與立管接頭5連接，底端通過回接接頭7與水下井頭系統(tǒng)連接。如圖2所示，本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭6呈錐體形，其內(nèi)徑恒定不變，外徑由頂端到底端逐漸變大，壁厚逐漸增加。本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭6采用高強(qiáng)度、低彈性模量的鈦鋁合金制成，能夠承受來自于立管4的高應(yīng)力、高彎矩和高疲勞荷載。本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭6采用以下優(yōu)化設(shè)計(jì)方法1、獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括立管4的外部直徑，立管4的壁厚tmd_min，立管4的彈性模量Er和立管4的底部彎矩M0。由于應(yīng)力接頭6的頂部連接立管4的底部，因此，根據(jù)立管4的外部直徑和立管4的壁厚tend_min可以得到應(yīng)力接頭6的頂端外部直徑 Φ⑷和應(yīng)力接頭6的內(nèi)部直徑Oi，其中，應(yīng)力接頭6的內(nèi)部直徑Oi在整個(gè)應(yīng)力接頭6中保持恒定。根據(jù)制備應(yīng)力接頭6采用的材料，可以得到應(yīng)力接頭6的彈性模量Ε。根據(jù)立管4 的底部彎矩M0和應(yīng)力接頭6頂部的有效張力Ttl可以得到應(yīng)力接頭6的頂部轉(zhuǎn)角θ j和應(yīng)力接頭6頂部所受的聯(lián)合剪切載荷F。。其中，立管4的底部彎矩M0和應(yīng)力接頭6頂部的有效張力Ttl來自于立管系統(tǒng)在位分析的結(jié)果，即根據(jù)立管系統(tǒng)的不同，采用常規(guī)方法分析得到。立管4的底部彎矩Mtl是立管 4與應(yīng)力接頭6連接部位所允許的最大彎矩，一般可以認(rèn)為應(yīng)力接頭6的抗彎剛度越大，那么在這種情況下應(yīng)力接頭6頂部的轉(zhuǎn)角越小。如圖3所示，當(dāng)立管4底部彎矩M0確定后， 立管4的底部轉(zhuǎn)角也相應(yīng)的確定，立管4的底部轉(zhuǎn)角也可以通過靜力分析確定。由于立管4 的底部轉(zhuǎn)角與應(yīng)力接頭6的頂部轉(zhuǎn)角θ」相等，因此，應(yīng)力接頭6的頂部轉(zhuǎn)角9」也可以同時(shí)確定。2、應(yīng)力接頭6基本尺寸的確定1)選擇設(shè)計(jì)參數(shù)α j,設(shè)計(jì)參數(shù)α j決定了應(yīng)力接頭6的基本形式，在設(shè)計(jì)初始階段需要由設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算迭代得到。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)選取值范圍為1. 1 1. 5。2)應(yīng)力接頭6底端外徑的確定設(shè)計(jì)參數(shù)α j將初步?jīng)Q定應(yīng)力接頭6底端曲率與頂端曲率的比值同時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)α彳等于應(yīng)力接頭6底端外部直徑與頂端外部直徑的比值①^①⑹，即α j = Rjl/Rjo = OeL/Oe0由此，可以得到應(yīng)力接頭6底端外部直徑的值。3)應(yīng)力接頭6長度Lj的確定由于應(yīng)力接頭6任意一截面的外徑與應(yīng)力接頭 6相應(yīng)截面的曲率半徑、沿其長度方向線性變化，于是有[0025]RJx/RJ0 = Φβχ/Φβο= 1+bx其中，b是與設(shè)計(jì)參數(shù)α j和應(yīng)力接頭6長度Lj相關(guān)的恒定值，表達(dá)式如下b = (a j-1)/LjRjo = EIJ0/M0其中，E表示應(yīng)力接頭6的彈性模量，Ijo表示應(yīng)力接頭6頂端的慣性矩。因此，從應(yīng)力接頭6底部沿曲率積分一直積分到轉(zhuǎn)角與頂部轉(zhuǎn)角相等的時(shí)候，即可得到應(yīng)力接頭6的長度Lj為Lj = Rjo θ j(a Γ1)/1η(α ρ內(nèi)徑恒定的錐形結(jié)構(gòu)形式應(yīng)力接頭6的曲率半徑Rj將不再沿其長度方向呈線性變化。但是，得到的應(yīng)力接頭6在提高抗彎剛度、降低彎曲應(yīng)力和控制彎矩的能力等方面都要好于原有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果。4)應(yīng)力接頭6截面外徑的確定為了得到應(yīng)力接頭6截面的相應(yīng)數(shù)據(jù)，沿應(yīng)力接頭6長度方向，從應(yīng)力接頭6的底端到頂端將應(yīng)力接頭6分為N等份，并對(duì)每一截面的截面外徑進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)力接頭6截面外徑的表達(dá)式為Oex= Oe0 a xα χ表示應(yīng)力接頭6的截面設(shè)計(jì)系數(shù)ax=l +^aj-I)其中，η表示N個(gè)截面中的第η個(gè)截面。3、采用上述步驟可以設(shè)計(jì)得到應(yīng)力接頭6，然后對(duì)應(yīng)力接頭6的性能進(jìn)行校核，如果不滿足性能要求，則對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)a j進(jìn)行調(diào)整，返回步驟2。對(duì)于步驟3中應(yīng)力接頭6的性能校核，可以采用以下方法1)確定應(yīng)力接頭6的曲率1/R」以及應(yīng)力接頭6頂部的彎曲強(qiáng)度EIjtl 如圖4所示，應(yīng)力接頭6頂端所受彎矩等于立管4底部彎矩M0 (M0所引起的局部曲率l/RjQ取決于應(yīng)力接頭6頂部的彎曲剛度EIjtl(Mtl = EIJ0/RJ0)。值得注意的是當(dāng)立管4和應(yīng)力接頭6是由兩種材料生產(chǎn)的時(shí)候，EIjo與立管4的彎曲剛度相同。2)應(yīng)力接頭6任一截面的彎曲剛度值為EIjx = E π (Oj-Oi4) /64其中，表示應(yīng)力接頭6任一截面的外徑，Oi表示應(yīng)力接頭6恒定的內(nèi)徑；Ijx 表示應(yīng)力接頭6任一截面的慣性矩。因此，沿應(yīng)力接頭6長度方向的任一截面的彎矩值為
權(quán)利要求1.一種基于頂張緊式立管的應(yīng)力接頭，其特征在于所述應(yīng)力接頭呈錐體形，其內(nèi)徑恒定不變，外徑由頂端到底端逐漸變大，壁厚逐漸增加，所述應(yīng)力接頭的頂端與立管連接， 所述應(yīng)力接頭的底端連接水下井頭系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于頂張緊式立管的應(yīng)力接頭，其特征在于所述應(yīng)力接頭采用鈦鋁 合金制成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于頂張緊式立管的應(yīng)力接頭，其特征在于應(yīng)力接頭呈錐體形，其內(nèi)徑恒定不變，外徑由頂端到底端逐漸變大，壁厚逐漸增加，應(yīng)力接頭的頂端與立管連接，所述應(yīng)力接頭的底端連接水下井頭系統(tǒng)。本實(shí)用新型的應(yīng)力接頭結(jié)構(gòu)簡單，力學(xué)性能優(yōu)良，能夠適合各種實(shí)際海洋環(huán)境。
文檔編號(hào)E21B33/038GK202100226SQ20112016091
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者劉剛, 張崎, 張日曦, 徐陽, 沙勇, 矯濱田, 許亮斌, 賈旭, 鄒星, 黃一 申請(qǐng)人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 大連理工大學(xué)