深水钻井隔水管的波致长期疲劳

　　1　引言

　　钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要部件,其主要功能是提供井口防喷器与钻井船之间泥浆往返的通道,支持辅助管线,引导钻具,作为下放与撤回井口防喷器组的载体。钻井隔水管是海洋钻井非常重要的装备,作为动力疲劳敏感结构被认为是深水开发最有挑战的方面,其长期疲劳性能是重要的设计考虑。钻井隔水管承受四种循环载荷,海流引起的涡激振动、波浪、浮式钻井装置的运动以及作业性动载荷等。隔水管的疲劳分析要综合考虑所有的疲劳损伤,主要包括涡激疲劳损伤、由一阶波浪载荷和波频浮船运动以及二阶低频浮船运动引起的疲劳损伤等。截止目前,关于深水钻井隔水管涡激疲劳的文献相对较多,但关于波致疲劳的研究则至今未见文献报道。波致疲劳可以分为短期疲劳与长期疲劳两个层次。海洋波浪的长期状态可以看成是由许多短期海况的序列组成的。每一短期海况由表征波浪特性的参数以及该海况出现的频率描述,常用的波浪参数为有效波高Hs和平均周期Tz,由此可以画出波浪散点图。短期疲劳为散点图中每一海况的疲劳损伤,长期疲劳为考虑概率的短期疲劳的线性组合[1]92-93。

　　本文提出一种深水钻井隔水管波致长期疲劳计算方法,用以计算一阶波浪载荷和波频浮船运动以及二阶低频浮船运动引起的长期疲劳。采用该方法,根据波浪散布图定义的短期疲劳工况,首先基于双参数Pierson-Moskowitz谱(简称P-M谱)与钻井船响应幅值算子(response amplitude operator,简称RAO)(RAO定义钻井船运动与某个频率波浪之间的幅值与相位关系)模拟随机波浪与随机钻井船运动,然后进行随机波浪载荷与钻井船运动作用下隔水管非线性动力分析。在得到隔水管响应时间历程的基础上,考虑波浪散点图中所有短期工况的概率,采用专用程序实现隔水管波致长期疲劳损伤计算。

　　2　隔水管动态响应计算与波致疲劳机理

　　钻井隔水管动力响应的数学模型是位于垂直平面内的梁在横向载荷作用下变形的偏微分方程,控制方程为

　　采用Morison方程计算式(1)的水动力载荷F(x,t),表达式为

引起隔水管动态响应的主要动载荷为波浪和钻井船运动,钻井船在一阶与二阶波浪力作用下的波频与低频运动形成隔水管响应的动边界。海流主要引起隔水管动态响应的时不变部分。波浪作用通过两个方面影响隔水管的设计,一是对隔水管产生水动力载荷,二是通过钻井船的RAO影响钻井船运动,进而形成隔水管顶端的动边界条件。规则波作用隔水管的载荷机理　　如图1所示[2]。