海上外輸漂浮軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

徐業(yè)峻，呂立功，王旭東，朱永凱

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)公司，天津 塘沽300457)

外輸漂浮軟管是FPSO上外輸系統(tǒng)的長線關(guān)鍵設(shè)備，是原油外輸?shù)奈┮煌ǖ馈Ｄ壳巴廨斊≤浌茉诤Ｑ蠊こ填I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，軟管為特種橡膠復(fù)合輸油管，粘合結(jié)構(gòu)，粘合型管線變形時(shí)，各層之間不發(fā)生相對(duì)滑移;軟管主要由橡膠層、鋼筋骨架層、加強(qiáng)層及漂浮層組成。國內(nèi)對(duì)此類管線的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造以及理論分析尚處于初期研究階段，且缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。石油公司國際海事論壇OCIMF規(guī)定了外輸軟管的相關(guān)性能，如臨時(shí)伸長率不大于2.5%，永久伸長率不大于0.7%;爆破力不應(yīng)小于7.5 MPa等。這些關(guān)鍵性能要求遠(yuǎn)高于國內(nèi)普通橡膠管的要求，而軟管的結(jié)構(gòu)布置直接決定了性能能否滿足規(guī)范要求。為此，本文就外輸漂浮軟管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1-4］。

1 外輸軟管的性能要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 性能要求

工作壓力 1.5 MPa

爆破壓力 ≥7.5 MPa

臨時(shí)伸長率 ≤2.5%

永久伸長率 ≤0.7%

環(huán)境溫度 -29～52℃

輸送液體溫度 -20～82℃

最大設(shè)計(jì)流速 21 m/s

芳香烴最大含量 ≤25%

彎曲半徑 6D(D為公稱直徑)

漂浮力 ≥20%

1.2 外輸漂浮軟管的典型結(jié)構(gòu)

本文所研究的海上輸油漂浮軟管單根長度為L=10 m，內(nèi)徑D=406 mm，壁厚為T=50 mm，兩端以剛性法蘭盤固結(jié)，管段之間依靠法蘭盤相接，可在海面上綿延數(shù)公里。

外輸漂浮軟管的典型結(jié)構(gòu)見圖1，軟管由數(shù)層材料組合而成，不同層起到不同的功能，確保軟管完整性及安全性。外輸漂浮軟管的主體由內(nèi)襯、簾線層(增強(qiáng)及拉伸簾線層)、纏繞鋼筋、漂浮層、外層復(fù)合而成。同時(shí)，在軟管兩端安裝端部構(gòu)件形成完整外輸漂浮軟管。內(nèi)、中、外皆為合成橡膠層，內(nèi)、外層具有較強(qiáng)的抗腐蝕耐酸堿的能力，中膠層中嵌入了螺旋形式的鋼筋，鋼筋為單根螺旋，是軟管的骨架層。簾線層與纏繞鋼筋承共同拉伸力、彎曲力等載荷，確保軟管不受損傷。

圖1 外輸漂浮軟管典型剖面

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 簾線層的設(shè)計(jì)

1)簾線層的材料選擇。簾線加強(qiáng)層是簾線與橡膠的復(fù)合材料，是纖維加強(qiáng)的增強(qiáng)橡膠制品，廣泛應(yīng)用于輪胎、傳送帶等制造領(lǐng)域，增強(qiáng)纖維主要有鋼絲、芳綸、聚酯和尼龍等。

根據(jù)外輸漂浮軟管的現(xiàn)場服役年限統(tǒng)計(jì)，其使用壽命一般都能達(dá)到5年。因此，在海洋惡劣的環(huán)境下，要求軟管材料的疲勞性能好。本文針對(duì)鋼絲(wire cord)、芳綸(rayon)、聚酯(polyester)和尼龍(nylon)這4種材料做疲勞試驗(yàn)，見圖2，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

對(duì)比圖3中的曲線可以看出，鋼絲的疲勞性能最差，不宜作為簾線加強(qiáng)層的增強(qiáng)層。芳綸、聚酯及尼龍均可以作為簾線加強(qiáng)層的增強(qiáng)纖維，但尼龍的延長率相對(duì)于芳綸和聚酯較大，影響外輸漂浮軟管的伸長率，因此，需要根據(jù)管道的使用要求選擇恰當(dāng)?shù)暮熅€增強(qiáng)纖維，本文推薦使用芳綸和聚酯。

2)簾線層的纏繞角度。OCIMF規(guī)定了外輸軟管的伸長率，臨時(shí)伸長率不大于2.5%，永久伸長率不大于0.7%。加強(qiáng)層的簾線纏繞角度直接決定伸長率的大小。纏繞角度過大，伸長率變大，爆破力高;纏繞角度過小，伸長率變小，爆破力低。

利用ABAQUS有限元分析軟件建模來分析簾線置角度對(duì)于管道的抗拉伸性，見圖4。材質(zhì)為芳綸，設(shè)置簾線纏繞角度α發(fā)生變化，見圖5，其它參數(shù)保持不變，設(shè)簾線的布置角度分別為30°、40°、50°、60°計(jì)算伸長率，結(jié)果見表1。

表1 簾線布置角度對(duì)拉伸影響分析表

可見，簾線布置角度對(duì)于拉伸特性具有顯著影響:簾線布置角度越小，伸長率越小，布置角度增大，伸長率增大，主要是因?yàn)楹熅€方向的彈性模量遠(yuǎn)大于其它方向所致。因此可通過調(diào)整簾線纏繞角度來調(diào)整軟管的伸長率大小，計(jì)算結(jié)果表明，簾線纏繞角度小于50°時(shí)能夠滿足OCIMF要求，但也要綜合平衡軟管的爆破力來選擇纏繞角度。

2.2 鋼筋層的間距研究

選用高強(qiáng)度鋼筋計(jì)算分析螺距對(duì)彎曲及拉伸性能的影響，直徑d=12 mm，纏繞角度α=87°。

改變螺旋鋼筋的螺距，分別為38、43、48 mm，其它參數(shù)不變，計(jì)算得到模型的拉力-延伸率曲線見圖6，彎矩-彎曲曲率曲線見圖7。

圖6 鋼筋螺距對(duì)拉伸曲線

圖7 鋼筋螺距對(duì)彎曲曲線

上述計(jì)算對(duì)比表明，鋼筋螺距對(duì)于管道整體的抗拉、抗彎剛度特性的影響顯著。在單根鋼筋小螺距纏繞情況下，其在管道中所占的體積分?jǐn)?shù)主要取決于其螺距大小。隨著螺距的增大，鋼筋在管道中所占的總體積分?jǐn)?shù)減小，管道整體的抗拉、抗扭、抗彎能力降低非常明顯。

2.3 簾線層與鋼筋纏繞層的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雖然簾線層與鋼筋纏繞層共同承受外界作用力，但在不同載荷下，各層承受力大小不同。在軟管拉伸情況下，受力主要由簾線層承擔(dān);在真空情況下，主要受力由鋼筋纏繞層承擔(dān)。故簾線層與鋼筋纏繞層的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠使得軟管受力平衡狀態(tài)最好。

目前，簾線層與鋼筋纏繞層結(jié)構(gòu)設(shè)布置有3種方式。

1)鋼筋纏繞層在簾線層之下，其優(yōu)點(diǎn)有拉伸性能好，伸長率易滿足;缺陷為爆破力不高，不容易滿足要求，見圖8。

圖8 鋼筋纏繞層在簾線層之下

2)鋼筋纏繞層在簾線之上，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)正好與第一種相反，見圖9。

圖9 鋼筋纏繞層在簾線之上

3)鋼筋纏繞層在簾線層之間，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)具備上述兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了缺點(diǎn)，見圖10。

圖10 鋼筋纏繞層在簾線層之間

圖8 ～9中，“叉”代表簾線，“黑點(diǎn)”代表鋼筋。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于公稱直徑≤305 mm的軟管，因簾線層的增強(qiáng)纖維數(shù)量不多，考慮簾線層的整體性，推薦采用第二種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而對(duì)于公稱直徑＞305 mm的大口徑軟管，因簾線層增強(qiáng)纖維數(shù)量多，可分多層制造，推薦采用第三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 樣品管試驗(yàn)

采用上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試制了一根樣品管，公稱直徑為406 mm、長度為10.7 m的試驗(yàn)管，鋼筋尺寸為12 mm，間距43 mm，簾線層的增強(qiáng)纖維為芳綸，纏繞角度為50°。分別對(duì)試驗(yàn)管進(jìn)行了彎曲、真空、水壓、爆破等試驗(yàn)。結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果與國際OCIMF標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

根據(jù)彎曲、真空、水壓及爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，樣品管的關(guān)鍵性能均到達(dá)或超過OCIMF標(biāo)準(zhǔn)要求。證明外輸漂浮軟管的設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

1)通過簾線層的不同材料疲勞試驗(yàn)，建議采用芳綸和聚酯。

2)簾線層的纏繞角度直接決定了外輸漂浮軟管的伸長率能否達(dá)到OICMF標(biāo)準(zhǔn)要求，計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明，簾線纏繞角度為50°時(shí)性能滿足OCIMF要求。

3)鋼筋螺距對(duì)于管道整體的抗拉、抗彎剛度特性有顯著影響。螺距過大，鋼筋在管道中所占的總體積分?jǐn)?shù)減小，管道整體的抗拉、抗扭、抗彎能力明顯降低。螺距過小，增加結(jié)構(gòu)的冗余度，浪費(fèi)了材料。如何優(yōu)化螺距，是后續(xù)的研究點(diǎn)。

4)針對(duì)鋼筋纏繞層與簾線層的優(yōu)化布置，推薦采用鋼筋層在簾線層之間的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，綜合平衡軟管的拉伸、彎曲及極限爆破力性能。

［1］BAHTUI A，BAHAI H，ALFANO G.A finite element analysis for unbounded flexible risers under axial tension［C］∥OMAE.Portugal:ASME，2008:1-6.

［2］趙 偉，呂英民.海上漂浮輸油軟管的強(qiáng)度計(jì)算［C］∥第八屆全國工程設(shè)計(jì)年會(huì)，西安:西北工業(yè)大學(xué)，2002:424-426.

［3］寧 可，黃榮華，趙 偉.海上浮式輸油軟管的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電設(shè)備，2001(1):39-43.

［4］鄭杰馨.海洋非粘結(jié)性柔性管設(shè)計(jì)和分析的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010.