基于有限元方法的柔性立管防弯器疲劳寿命分析

刘军鹏，齐华林，罗晓兰，张振兴，张 涛

(1. 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院，北京 102249; 2. 中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249; 3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300450)

柔性立管在深水油气田开发中已被广泛应用，其与浮式生产系统的连接部位是动态分析和疲劳寿命分析的关键区域，主要是因为浮体运动引起大的拉伸变形和动态弯曲载荷的长期作用。防弯器(bend stiffener)用于柔性立管和浮体连接处的平稳过渡，是柔性立管系统的关键附件，如图1(a)所示，其主要作用是降低此区域柔性立管过度弯曲变形的风险和提高立管的疲劳寿命。工程应用的防弯器几何形态主要有一段到三段结构形式，其中基本构型为圆锥状的三段式结构最为典型，如图1(b)所示。由于防弯器处于工况最为恶劣区域且需长期动态应用，疲劳破坏是其最容易发生的失效模式，因此对防弯器进行疲劳寿命分析既是保证柔性立管系统在位安全的需要，也是油田和设备未来延寿评估的基础，具有十分重要的工程意义。针对柔性立管防弯器的研究面临诸多难点和挑战，主要来源于多种非线性因素的影响：防弯器的材料为聚氨酯弹性体，其本构关系为非线性；柔性立管防弯器长期受复杂多变的动载荷作用，其结构整体会产生大的变形，几何方程需要用非线性形式来表征；柔性立管从防弯器内部贯穿而过，在风、浪、流的作用下柔性立管会随机运动，进而带动防弯器运动，期间，防弯器的内壁与柔性立管的外壁之间的间隙、接触面和力的大小及分布都是动态变化的，属于接触非线性问题。……