井喷条件下海底闸板防喷器内钻柱屈曲诱导剪切失效机理研究

本文针对井喷工况下钻柱因轴向载荷与内外压差耦合作用引发的屈曲及偏心问题，建立钻柱屈曲理论模型并通过有限元仿真验证，系统分析载荷对屈曲模式的影响；进一步构建海底闸板防喷器（BOP）剪切仿真模型，采用响应面法量化剪切系数，提出临界偏心极限概念以界定剪切失效边界，为极端工况下BOP结构优化与应急剪切策略提供理论支撑。

　　

Highlight

工作原理解析

全文框架如图4所示。首先通过考虑轴向力与钻管刚度的力学分析，获取屈曲系数并推导钻管屈曲微分方程。同时，在相同条件下建立钻管屈曲特性的数值分析模型：先建立钻管线弹性屈曲模型以获取屈曲载荷系数，进而基于此开展非线性屈曲分析，明确屈曲演化规律及变形特征。

案例研究

针对钻管屈曲特性展开分析，据此建立剪切仿真模型以研究钻管剪切行为。采用响应面法开发剪切力预测方程，并深入探究剪切失效场景。具体而言，数值模拟在运行Windows 11 Pro for Workstations的工作站上进行，该工作站搭载Intel(R) Xeon(R) w9-3475X处理器，具备512 GB内存。

研究结论

(1) 通过建立钻管屈曲的力学计算模型与仿真分析模型，可获知钻管屈曲的正弦分布特征。由于力学模型中忽略钻管壁厚影响，其计算结果较仿真值更为保守。但在临界轴向力值下，两模型在剪切位置的相对误差为9.92%。

(2) 当外部压力升高时……（后续内容依原文结构延续，此处略）

作者贡献声明

Bin Li：撰写初稿，研究实施。Shengnan Wu：文稿修订、初稿撰写、数据整理与概念设计。Laibin Zhang：研究指导与方法论证。Fangyuan Liu：文稿修订与数据校验。Yiliu Liu：文稿修订与学术监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系影响本研究结果。

致谢

本研究中的中国作者受国家自然科学基金项目（52474019）及中国石油大学（北京）科学基金（2462024QNXZ004）支持。作者对审稿人与编辑的建设性意见深表感谢。