一种基于顶张紧式立管的应力接头及其优化设计方法.pdf

本发明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)。

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。
3.一种如权利要求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Φ_e，立管的壁厚t_end-min，立管的弹性模量E_r；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Φ_e0和应力接头
的内部直径Φ_i，应力接头的内部直径Φ_i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T₀，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α_j，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Φ_eL的确定：设计参数α_j初步决定应力接头底端曲率与
顶端曲率的比值R_jL/R_j0，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Φ_eL/Φ_e0，即：
α_j＝R_jL/R_j0＝Φ_eL/Φ_e0
由此，得到应力接头底端外部直径Φ_eL的值；
4)应力接头长度L_j的确定：应力接头任意一截面的外径Φ_ex与应力接头相应
截面的曲率半径R_jx沿其长度方向线性变化，即：
R_jx/R_j0＝Φ_ex/Φ_e0＝1+bx
其中，b是与设计参数α_j和应力接头长度L_j相关的恒定值，表达式如下：
b＝(α_j-1)/L_j
R_j0＝EI_j0/M₀
其中，E表示应力接头的弹性模量，I_j0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L_j为：
L_j＝R_j0θ_j(α_j-1)/ln(α_j)
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：
Φ_ex＝Φ_e0α_x
α_x表示应力接头的截面设计系数：
α x = 1 + n N ( α j - 1 ) ]]>
其中，n表示N个截面中的第n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EI_j0与立管的弯曲刚度EI_riser相同；
2)应力接头任一截面的弯曲刚度值为：
EI_jx＝Eπ(Φ_ex⁴-Φ_i⁴)/64
其中，Φ_ex表示应力接头任一截面的外径，Φ_i表示应力接头恒定的内径；I_jx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：
M Lx = M 0 + F 0 L jx + T 0 1 b 2 R j 0 [ ( 1 + bL jx ) ln ( 1 + bL jx ) - bL jx ] ]]>
L_jx＝nL_j/N
其中，L_jx表示应力接头任一截面位置，M₀表示应力接头顶端的许用弯矩值，
F₀表示应力接头顶端的剪力，T₀表示应力接头顶端的顶张紧力，R_j0表示应力接头
顶端的弯曲半径；
3)应力接头任一截面的曲率半径为：
R_jx＝EI_jx/M_x
应力接头任一截面的弯曲应力为：
σ_bx＝EΦ_ex/2R_jx
4)根据相应规范校核应力接头的相关应力，如不满足要求，则通过运用迭代
α_j的方法确定应力接头底端外径Φ_eL，进而满足规范要求。

一种基于顶张紧式立管的应力接头及其优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种应力接头及其优化设计方法，特别是关于一种基于顶张紧式
立管的应力接头及其优化设计方法。

背景技术

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。

发明内容

针对上述问题，本发明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，本发明采取以下技术方案：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Φ_e，立管的壁厚t_end-min，立管的弹性模量E_r；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Φ_e0和应力接头的内部直
径Φ_i，应力接头的内部直径Φ_i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T₀，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α_j，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Φ_eL的确定：设计参数α_j初步决定应力接
头底端曲率与顶端曲率的比值R_jL/R_j0，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Φ_eL/Φ_e0，即：

α_j＝R_jL/R_j0＝Φ_eL/Φ_e0

由此，得到应力接头底端外部直径Φ_eL的值；4)应力接头长度L_j的确定：应力接
头任意一截面的外径Φ_ex与应力接头相应截面的曲率半径R_jx沿其长度方向线性变
化，即：

R_jx/R_j0＝Φ_ex/Φ_e0＝1+bx

其中，b是与设计参数α_j和应力接头长度L_j相关的恒定值，表达式如下：

b＝(α_j-1)/L_j

R_j0＝EI_j0/M₀

其中，E表示应力接头的弹性模量，I_j0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L_j为：

L_j＝R_j0θ_j(α_j-1)/ln(α_j)

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：

Φ_ex＝Φ_e0α_x

α_x表示应力接头的截面设计系数：

α x = 1 + n N ( α j - 1 ) ]]>

其中，n表示N个截面中的第n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)。

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EI_j0与立管的弯曲刚度EI_riser相同；2)应力接头任一截面
的弯曲刚度值为：

EI_jx＝Eπ(Φ_ex⁴-Φ_i⁴)/64

其中，Φ_ex表示应力接头任一截面的外径，Φ_i表示应力接头恒定的内径；I_jx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：

M Lx = M 0 + F 0 L jx + T 0 1 b 2 R j 0 [ ( 1 + bL jx ) ln ( 1 + bL jx ) - bL jx ] ]]>

L_jx＝nL_j/N

其中，L_jx表示应力接头任一截面位置，M₀表示应力接头顶端的许用弯矩值，F₀表
示应力接头顶端的剪力，T₀表示应力接头顶端的顶张紧力，R_j0表示应力接头顶端
的弯曲半径；3)应力接头任一截面的曲率半径为：

R_jx＝EI_jx/M_x

应力接头任一截面的弯曲应力为：

σ_bx＝EΦ_ex/2R_jx

4)根据相应规范校核应力接头的相关应力，如不满足要求，则通过运用迭代α_j的
方法确定应力接头底端外径Φ_eL，进而满足规范要求。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明仅需要相关的材
料性能数据及立管的基本数据就可以在该海洋环境下进行应力接头设计，且设计
结果符合实际工程的各项要求，设计方法简便，并能快速、准确地计算出相应的
力学性能数据。2、本发明的应力接头采用钛合金制成，与传统钢材料相比具有高
强度、低弹性模量及耐腐蚀等优点。3、本发明的应力接头呈锥体形，其内径恒定
不变，外径由顶端到底端逐渐变大，结构简单，力学性能优良，能够有效的提高
立管系统底部的抗弯刚度、降低弯曲应力，而且在建造工艺上也较易实现。4、本
发明提供的设计参数α_j的优选取值范围为1.1～1.5，并能够基于设计情况和功能
需求不断分析设计结果，调整应力接头的规格数据，获得满足各方面要求的最优
设计方案，因此，具有经济性。本发明的应力接头结构简单，力学性能优良，采
用的设计方法能够适合各种实际海洋环境，适应性强，设计流程简便易行，并能
满足功能性和经济性要求。

附图说明

图1是本发明应力接头在整个顶张紧式立管系统中的位置示意图

图2是本发明应力接头结构示意图

图3是本发明立管与应力接头连接部位载荷示意图

图4是本发明应力接头的坐标系统以及应力接头顶端荷载情况示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，顶张紧式立管系统包括地面采油树1、张紧器2、张紧器接头3、
立管4和立管接头5。本发明的应力接头6设置在整个顶张紧式立管系统的底部，
其顶端与立管接头5连接，底端通过回接接头7与水下井头系统连接。

如图2所示，本发明的应力接头6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。

本发明的应力接头6采用高强度、低弹性模量的钛铝合金制成，能够承受来
自于立管4的高应力、高弯矩和高疲劳荷载。

本发明的应力接头6采用以下优化设计方法：

1、获取基础数据：基础数据包括立管4的外部直径Φ_e，立管4的壁厚t_end-min，
立管4的弹性模量E_r和立管4的底部弯矩M₀。由于应力接头6的顶部连接立管4
的底部，因此，根据立管4的外部直径Φ_e和立管4的壁厚t_end-min可以得到应力接
头6的顶端外部直径Φ_e0和应力接头6的内部直径Φ_i，其中，应力接头6的内部
直径Φ_i在整个应力接头6中保持恒定。根据制备应力接头6采用的材料，可以得
到应力接头6的弹性模量E。根据立管4的底部弯矩M₀和应力接头6顶部的有效
张力T₀可以得到应力接头6的顶部转角θ_j和应力接头6顶部所受的联合剪切载荷
F₀。

其中，立管4的底部弯矩M₀和应力接头6顶部的有效张力T₀来自于立管系统
在位分析的结果，即根据立管系统的不同，采用常规方法分析得到。立管4的底
部弯矩M₀是立管4与应力接头6连接部位所允许的最大弯矩，一般可以认为应力
接头6的抗弯刚度越大，那么在这种情况下应力接头6顶部的转角越小。如图3
所示，当立管4底部弯矩M₀确定后，立管4的底部转角也相应的确定，立管4的
底部转角也可以通过静力分析确定。由于立管4的底部转角与应力接头6的顶部
转角θ_j相等，因此，应力接头6的顶部转角θ_j也可以同时确定。

2、应力接头6基本尺寸的确定：

1)选择设计参数α_j，设计参数α_j决定了应力接头6的基本形式，在设计初始
阶段需要由设计者根据设计经验及理论计算迭代得到。本发明设计参数α_j的优选
取值范围为1.1～1.5。

2)应力接头6底端外径Φ_eL的确定：设计参数α_j将初步决定应力接头6底端
曲率与顶端曲率的比值R_jL/R_k0，同时设计参数α_j等于应力接头6底端外部直径与顶
端外部直径的比值Φ_eL/Φ_e0，即：

α_j＝R_jL/R_j0＝Φ_rL/Φ_e0

由此，可以得到应力接头6底端外部直径Φ_gL的值。

3)应力接头6长度L_j的确定：由于应力接头6任意一截面的外径Φ_ex与应力
接头6相应截面的曲率半径R_jx沿其长度方向线性变化，于是有：

R_jx/R_j0＝Φ_ex/Φ_e0＝1+bx

其中，b是与设计参数α_j和应力接头6长度L_j相关的恒定值，表达式如下：

b＝(α_j-1)/L_j

R_j0＝EI_j0/M₀

其中，E表示应力接头6的弹性模量，I_j0表示应力接头6顶端的惯性矩。

因此，从应力接头6底部沿曲率积分一直积分到转角与顶部转角相等的时候，
即可得到应力接头6的长度L_j为：

L_j＝R_j0θ_j(α_j-1)/ln(α_j)

内径恒定的锥形结构形式应力接头6的曲率半径R_j将不再沿其长度方向呈线
性变化。但是，得到的应力接头6在提高抗弯刚度、降低弯曲应力和控制弯矩的
能力等方面都要好于原有传统设计结果。

4)应力接头6截面外径的确定：为了得到应力接头6截面的相应数据，沿应
力接头6长度方向，从应力接头6的底端到顶端将应力接头6分为N等份，并对
每一截面的截面外径进行计算。

应力接头6截面外径的表达式为：

Φ_ex＝Φ_e0α_x

α_x表示应力接头6的截面设计系数：

α x = 1 + n N ( α j - 1 ) ]]>

其中，n表示N个截面中的第n个截面。

3、采用上述步骤可以设计得到应力接头6，然后对应力接头6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。

对于步骤3中应力接头6的性能校核，可以采用以下方法：

1)确定应力接头6的曲率1/R_j以及应力接头6顶部的弯曲强度EI_j0：

如图4所示，应力接头6顶端所受弯矩等于立管4底部弯矩M₀(M₀所引起的
局部曲率1/R_j0取决于应力接头6顶部的弯曲刚度EI_j0(M₀＝EI_j0/R_j0)。值得注意
的是当立管4和应力接头6是由两种材料生产的时候，EI_j0与立管4的弯曲刚度
EI_riser相同。

2)应力接头6任一截面的弯曲刚度值为：

EI_jx＝Eπ(Φ_ex⁴-Φ_i⁴)/64

其中，Φ_ex表示应力接头6任一截面的外径，Φ_i表示应力接头6恒定的内径；
I_jx表示应力接头6任一截面的惯性矩。

因此，沿应力接头6长度方向的任一截面的弯矩值为：

M Lx = M 0 + F 0 L jx + T 0 1 b 2 R j 0 [ ( 1 + bL jx ) ln ( 1 + bL jx ) - bL jx ] ]]>

L_jx＝nL_j/N

其中，L_jx表示应力接头6任一截面位置，M₀表示应力接头6顶端的许用弯
矩值，F₀表示应力接头6顶端的剪力，T₀表示应力接头6顶端的顶张紧力，R_j0表
示应力接头6顶端的弯曲半径。

3)通过计算得到应力接头6的弯曲强度和弯矩就可以推得沿应力接头6长度
方向上每个截面的弯曲半径如下式：

应力接头6任一截面的曲率半径为：

R_jx＝EI_jx/M_x

最后，可以得到应力接头6任一截面的弯曲应力为：

σ_bx＝EΦ_ex/2R_jx

4)根据相应规范校核应力接头6的相关应力，如不满足要求，则通过运用迭
代α_j的方法确定应力接头6底端外径Φ_eL，进而满足规范要求。

上述的应力接头6形式及应力接头6的优化设计方法和校核方法适用于顶张
紧式立管4上所用的应力接头6，也同样适用于其他形式立管中所用的应力接头的
设计。在基于张力腿平台(TLP)进行深水顶张紧式立管(TTR)系统设计时，其
所用应力接头6设计时的主要初始数据来源于顶张紧式立管系统在位分析中的相
应结果数据。

上述各实施例仅用于说明本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等
同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。