基于位移約束方法的鋪設管道應力數(shù)值計算

摘要：登陸段管道鋪設時可采用從鋪管船至岸邊的底拖法鋪設海底管道，管道的應力計算為安全施工提供重要保障。本文采用ABAQUS軟件建立了該類鋪管施工的數(shù)值模型，利用位移約束形式模擬了管道和輥軸、管道和海床的相互作用，避免了采用接觸模擬相互作用而導致收斂問題，計算了管道的應力，為管道強度校核奠定基礎。

關鍵詞：ABAQUS；位移約束；海底管道

中圖分類號：P752 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 17-0000-02

1 工程概述

海底管道鋪設是海洋油氣工程建設的一項重要內容。海底管道鋪設的方法基本可以分為兩類：鋪管船法[1，2]和拖管法[3]，其中鋪管船法包括S型鋪管船法、J 型鋪管船法、卷管式鋪管船法；根據(jù)管道所處位置不同，拖管法分為水面拖、水下拖、近底拖和底拖。對于登陸段海底管道采用底拖法施工更具有可行性。對于底拖法施工可以在陸地焊接后，由陸至海利用絞車、絞盤、拖輪等設備牽引鋪設；也可以在鋪管船上焊接，由海至陸鋪設，其牽引方法有：岸上設置絞車牽引，利用鋪管船上的絞車反向牽引。

某登陸段管道采用底拖法鋪設，在鋪管船上焊接管道，岸上設置定滑輪，由鋪管船上的絞車帶動管道鋪向岸邊，見圖1。

該方案中，鋪管船到海床段的海底管道形成S型，管道受到拖管力、張緊器張力、自重、自身浮力、浮筒浮力、海床支撐力、海床摩擦力等載荷作用，為了底拖施工的安全進行，進行管道強度校核是十分必要的。以下給出了管道強度分析的關鍵參數(shù)：

管材為X65鋼，鋼管外徑為813mm，壁厚22.2mm，鋼管外敷防腐涂層，厚度2.8mm，防腐涂層外為混凝土層，厚度為80mm，管道長度總長575m，海床上管道長度為375m；海床摩擦系數(shù)為1.0；水深14m；張緊器張力為100kN；拖管力為350kN；由于綁縛浮筒，管道水下重量為540.7N/m。

鋪管船各輥軸相對位置：為了考慮邊界影響，張緊器前取2個輥軸。根據(jù)工程作業(yè)的鋪管船情況，在張緊器后共8個輥軸，從船艏至托管架方向各個輥抽名稱分別為：R1，R2，張緊器，R3，R4，R5，S1，S2，S3，S4，S5。在水平方向和豎直方向上每個輥軸距離輥軸R1的長度見表1，其中R1距離水面的高度為3.9m。

注：托管架上各個輥軸水平向至R1的距離考慮了拖管架角度。

2 ABAQUS數(shù)值模擬

以上工程施工中，鋪管船到海底段管道形成S型，為大變形問題。ABAQUS[4]軟件具有強大的非線性分析功能，在工程中有著廣泛的應用。根據(jù)以上參數(shù)，采用軟件ABAQUS模擬管道的底拖過程。鋪管船和托管架上面的輥軸和管道的作用，以及管道和海床的相互作用都可以通過接觸的方式處理。眾所周知，接觸為非線性問題，對管道、海床和輥軸的建模有一定的要求，如果處理不當則計算難以收斂。因此，本文通過位移約束的方式模擬了管道和輥軸的接觸，通過位移約束和加載的方式模擬了管道和海床的相互作用。以下給出模擬過程及計算結果。

2.1 模擬過程

第一步：建立模型，考慮管道半徑，管道豎直向坐標為4.3893m，管道單元B32，見圖2。

第二步：根據(jù)各輥軸位置給出管道上相應的約束點。通過移動坐標系平面的方式建立新平面，新平面和管道的交點為約束點，見圖3。雖然當管道大變形后約束點和相應輥軸位置不一致，但在本文的模擬中，這種不一致對結果的影響可以忽略。著泥點的位置可以根據(jù)經驗確定，或者通過調試的方法得到：首先給出著泥點初始值，計算出著泥點的支反力，然后調整著泥點的位置，當支反力為零時，對應著泥點位置。

第三步：施加約束。根據(jù)各個輥軸相對R1在豎直向的長度得到管道約束點和海床段管道豎直向位移，施加位移約束。在海管鋪設中，某些輥軸并不能起到支撐的作用，計算出各約束點的支反力，當其為拉力時，則放松該約束。張緊器的拉力通過簡支約束管道端部體現(xiàn)，其他段管道在水平向可以自由移動。見圖4。

第四步：施加重力載荷。水面以上和以下管道重力不同，水面與管道交點可以通過經驗得到，也可通過迭代的方式求得。

第五步：施加海床摩擦力和拖管力。以均布載荷的形式施加摩擦力，根據(jù)管道水下重力和摩擦系數(shù)，可知摩擦力為540.7N/m。拖管力取350kN。

2.2 計算結果

按照以上步驟建立模型，計算得到管道應力場，見圖5。其中上彎段最大應力為297MPa，下彎段最大應力為290MPa。

3 總結

某登陸段管道采用由海至陸的底拖法鋪設，本文采用ABAQUS軟件建立數(shù)值模型，計算了管道應力。上彎段最大Mises應力為297MPa，下彎段最大Mises應力為290MPa，為管道底拖強度分析奠定了基礎。

參考文獻：

[1]E Heerema. Recent Advancements and Present Trends in Deepwater Pipe- Lay Systems. OTC 17627， 2005.

[2]Braestrup M， Andersen J， Andersen L， et a1. Design and installation of marine pipelines.Blackwell Science Ltd.， 2005， 210-238.

[3]桑運水，韓清國.海底管道近岸淺水鋪設的岸拖與海拖.石油工程建設.2006（4）.

[4]ABAQUS Version 6. 7 Documentation，ABAQUA，Inc.

[作者簡介]

曹先凡（1978-），男，高級工程師，從事以下方面的研究：海底管道沖刷和防護，結構的強度、疲勞分析和數(shù)值模擬。