一种基于顶张紧式立管的应力接头及其优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于顶张紧式立管的应力接头及其优化设计方法，其特征在于：应力接头呈锥体形，其内径恒定不变，外径由顶端到底端逐渐变大，壁厚逐渐增加，应力接头的顶端与立管连接，底端连接水下井头系统。应力接头的优化设计方法包括以下步骤：1)获取立管的基础数据，得到应力接头的顶部外径和恒定的内径；2)选择设计参数αj；3)根据αj＝RjL/Rj0＝ΦeL/Φe0，确定应力接头的底端外径ΦeL；4)根据Lj＝Rj0θj(αj-1)/ln(αj)，确定应力接头的长度Lj；5)根据Φex＝Φe0αx和确定应力接头的截面外径Φex；6)采用上述步骤可以设计得到应力接头，然后对应力接头的性能进行校核，如果不满足性能要求，则返回步骤2)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应力接头及其优化设计方法，特别是关于。
技术介绍
随着深水开发活动的大大增加，深水开发的技术装备也不断面临新的挑战，对连接海底管线和平台的立管系统提出了不同的要求。深水立管是一种柔性结构，它们常常是直接与刚性结构连接，当立管两端与刚性结构固定连接时，特别是生产立管直接与海床固定连接或直接与浮式结构、平台等固定连接时，其柔性会急剧减小甚至消失，这样的连接部位弯曲强度在局部响应中处于十分重要的地位，因此，在进行深水立管设计时，就要在连接边界附近慎重选择结构形式，确定弯曲强度，以避免发生局部弯曲应力过大的现象。在深水立管系统当中这样的结构通常被称作应力接头(Stress Joint)。应力接头的主要特性与整个立管的弯曲强度变化直接相关，性能也直接受其几何形状影响，在深水立管系统当中，应力接头的主要功能是将立管位移和荷载传递到固定或刚性端部，如平台和海床等，因此在进行应力接头设计时要充分考虑立管与接头连接部位的力学特性及接头的主要形式。目前，应力接头的设计大都依据设计者的相关经验，根据已有的应力接头和服役海洋环境进行应力接头设计，因此当服役区域的海洋环境及生产要求发生变化时，设计的应力接头将很难满足在该海洋环境下的功能性和经济性的要求。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够适合各种实际海洋环境，并能满足功能性和经济性要求，基于顶张紧式立管的应力接头及其优化设计方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种基于顶张紧式立管的应力接头， 其特征在于所述应力接头呈锥体形，其内径恒定不变，外径由顶端到底端逐渐变大，壁厚逐渐增加，所述应力接头的顶端与立管连接，底端连接水下井头系统。所述应力接头采用钛铝合金制成。上述基于顶张紧式立管的应力接头的优化设计方法，其包括以下步骤1)获取立管的外部直径，立管的壁厚tend_min，立管的弹性模量艮；由于应力接头的顶部连接立管的底部，进而得到应力接头的顶端外部直径Φμ和应力接头的内部直径Oi，应力接头的内部直径Oi在整个应力接头中保持恒定；根据制备应力接头采用的材料，得到应力接头的弹性模量E ；根据立管系统在位分析的结果得到立管的底部弯矩M0和应力接头顶部的有效张力 Τ。，进而得到应力接头的顶部转角θ」和应力接头顶部所受的联合剪切载荷Ftl ；2)选择设计参数α ρ设计参数α j的取值范围为1. 1 1. 5 ；3)应力接头底端外径的确定设计参数α」初步决定应力接头底端曲率与顶端曲率的比值I^/RjQ，同时设计参数α」等于应力接头底端外部直径与顶端外部直径的比值ΦΛ/Φ…即α j = Rjl/Rjo = ΦΛ/Φε0由此，得到应力接头底端外部直径的值；4)应力接头长度Lj的确定应力接头任意一截面的外径与应力接头相应截面的曲率半径I^x沿其长度方向线性变化，即RJx/RJ0 = Φβχ/Φβο= 1+bx其中，b是与设计参数α J和应力接头长度Lj相关的恒定值，表达式如下b = (a j-1)/LjRj0 = EIJ0/M0其中，E表示应力接头的弹性模量，Ijo表示应力接头顶端的惯性矩；从应力接头底部沿曲率积分一直积分到转角与顶部转角相等，即得到应力接头的长度h为Lj = Rjo θ j(a Γ1)/1η(α ρ5)应力接头截面外径的确定为了得到应力接头截面的相应数据，沿应力接头长度方向，从应力接头的底端到顶端将应力接头分为N等份，并对每一截面的截面外径进行计算；应力接头截面外径的表达式为Φ6Χ= Φ60αχα χ表示应力接头的截面设计系数αχ=1 + ^·(α;- )其中，η表示N个截面中的第η个截面；6)采用上述步骤可以设计得到应力接头， 然后对应力接头的性能进行校核，如果不满足性能要求，则对设计参数a j进行调整，返回步骤2)。所述步骤6)中采用的对应力接头的性能进行校核的方法包括以下步骤1)应力接头顶部的弯曲强度EIjtl与立管的弯曲刚度EIhsct相同；幻应力接头任一截面的弯曲刚度值为EIjx = E π (Φεχ4-Φ/)/64其中，表示应力接头任一截面的外径，Oi表示应力接头恒定的内径；Ijx表示应力接头任一截面的惯性矩；沿应力接头长度方向的任一截面的弯矩值为权利要求1.一种基于顶张紧式立管的应力接头，其特征在于所述应力接头呈锥体形，其内径恒定不变，外径由顶端到底端逐渐变大，壁厚逐渐增加，所述应力接头的顶端与立管连接， 底端连接水下井头系统。2.如权利要求1所述的一种基于顶张紧式立管的应力接头，其特征在于所述应力接头采用钛铝合金制成。3.—种如权利要求1或2任一项所述的基于顶张紧式立管的应力接头的优化设计方法，其包括以下步骤1)获取立管的外部直径，立管的壁厚tmd_min，立管的弹性模量艮；由于应力接头的顶部连接立管的底部，进而得到应力接头的顶端外部直径Φ⑷和应力接头的内部直径Oi, 应力接头的内部直径Oi在整个应力接头中保持恒定；根据制备应力接头采用的材料，得到应力接头的弹性模量E ；根据立管系统在位分析的结果得到立管的底部弯矩M0和应力接头顶部的有效张力Ttl，进而得到应力接头的顶部转角θ j和应力接头顶部所受的联合剪切载荷F0 ；2)选择设计参数αρ设计参数α j的取值范围为1. 1 1. 5 ；3)应力接头底端外径的确定设计参数％初步决定应力接头底端曲率与顶端曲率的比值1^/1^，同时设计参数α j等于应力接头底端外部直径与顶端外部直径的比值 ΦΛ/Φε0，即α j = Rjl/Rjo = Φ6 /Φεο由此，得到应力接头底端外部直径的值；4)应力接头长度Lj的确定应力接头任意一截面的外径与应力接头相应截面的曲率半径I^x沿其长度方向线性变化，即Rjx/Rjo = ^ex/^eo = 1+bx其中，b是与设计参数α j和应力接头长度h相关的恒定值，表达式如下b = (a J-1)/LjRjo = EIJ0/M0其中，E表示应力接头的弹性模量，Ijo表示应力接头顶端的惯性矩；从应力接头底部沿曲率积分一直积分到转角与顶部转角相等，即得到应力接头的长度 Lj为Lj = RjOej(Qj-I)Zln(Qj)5)应力接头截面外径的确定为了得到应力接头截面的相应数据，沿应力接头长度方向，从应力接头的底端到顶端将应力接头分为N等份，并对每一截面的截面外径进行计算；应力接头截面外径的表达式为Φβχ = Φβθαχαχ表示应力接头的截面设计系数其中，η表示N个截面中的第η个截面；6)采用上述步骤可以设计得到应力接头，然后对应力接头的性能进行校核，如果不满足性能要求，则对设计参数α j进行调整，返回步骤2)。4.如权利要求3所述的基于顶张紧式立管的应力接头的优化设计方法，其特征在于 所述步骤6)中对应力接头的性能进行校核的方法包括以下步骤1)应力接头顶部的弯曲强度EIjtl与立管的弯曲刚度相同；2)应力接头任一截面的弯曲刚度值为全文摘要本专利技术涉及，其特征在于应力接头呈锥体形，其内径恒定不变，外径由顶端到底端逐渐变大，壁厚逐渐增加，应力接头的顶端与立管连接，底端连接水下井头系统。应力接头的优化设计方法包括以下步骤1)获取立管的基础数据，得到应力接头的顶部外径和恒定的内径；2)选择设计参数αj；3)根据αj＝RjL/Rj0＝ΦeL/Φe0，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于顶张紧式立管的应力接头，其特征在于：所述应力接头呈锥体形，其内径恒定不变，外径由顶端到底端逐渐变大，壁厚逐渐增加，所述应力接头的顶端与立管连接，底端连接水下井头系统。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾旭，张崎，矫滨田，黄一，邹星，张日曦，许亮斌，刘刚，沙勇，徐阳，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海石油研究中心，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：11