海底柔性管道的抗內(nèi)壓分析和設(shè)計

李鵬等

摘要： 針對淺水經(jīng)濟型海底柔性管道結(jié)構(gòu)，建立其三維有限元數(shù)值模型，考慮金屬鎧裝層之間的連接和接觸，給出在內(nèi)壓作用下的各層構(gòu)件力學(xué)性能的數(shù)值模擬結(jié)果.通過結(jié)果分析和相關(guān)參數(shù)調(diào)整發(fā)現(xiàn)各層的最大承壓力不能進行線性疊加，其內(nèi)壓承擔(dān)比例與各層結(jié)構(gòu)的徑向剛度有關(guān).因此，可以通過合理分配徑向剛度使各層結(jié)構(gòu)同時達到屈服狀態(tài)，從而充分利用材料并實現(xiàn)最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計.

關(guān)鍵詞： 海底柔性管道； 扁鋼帶； 承壓力； 徑向剛度； 優(yōu)化； 三維有限元

中圖分類號： TE53；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： A 3D finite element model is built for an economic subsea flexible pipe applied in shallow water. Considering the connection and contacts between metal armor layers， the mechanics properties of the components of each layer is numerically simulated under the internal pressure. According to the analysis results and the related parameter adjustment， it is found that the maximum bearing pressure of each layer cannot have a linear superposition. The maximum pressure bearing proportion for each layer is related to the radial stiffness. Therefore， each layer can be yielded at the same time through the reasonable distribution of radial stiffness， and the material can be fully utilized and the optimal structure design can be implemented.

Key words： subsea flexible pipe； steel tape； bearing pressure； radial stiffness； optimization； 3D finite element

引言

陸地油氣資源逐漸枯竭，越來越多的國家把眼光投向蘊含著豐富油氣資源的海洋.由于海洋柔性管道具有可設(shè)計性強，易彎曲、易鋪設(shè)、可回收，開發(fā)經(jīng)濟以及更適應(yīng)海洋環(huán)境等特點，各國普遍采用其作為海洋油氣資源的重要輸送工具.因此，海洋柔性管道的設(shè)計分析、鋪設(shè)和安裝等技術(shù)顯得愈發(fā)重要，已成為影響我國海洋油氣田開發(fā)的關(guān)鍵問題.

在海洋柔性管道應(yīng)用過程中，需要滿足生產(chǎn)、儲存、安裝和在位運行等各種工況條件.根據(jù)不同的載荷工況，需要對每層結(jié)構(gòu)的材料和尺寸進行具體設(shè)計，甚至可以增加或減少相應(yīng)的結(jié)構(gòu)層，使其滿足特定的設(shè)計準則.由于深水和淺水的載荷要求不同，因此可以采用不同結(jié)構(gòu)形式的柔性管道.針對內(nèi)壓控制載荷，深水海洋柔性立管通常采用比較厚的Z型鋼條抵抗內(nèi)壓作用，同時實現(xiàn)互鎖纏繞有利于管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.淺水海底柔性管道穩(wěn)定性要求不高，通常采用薄扁鋼帶纏繞代替Z型鋼條實現(xiàn)抗內(nèi)壓功能，在滿足安全性的基礎(chǔ)上盡量實現(xiàn)經(jīng)濟性要求.

目前國外對于互鎖Z型鋼條的抗內(nèi)壓性能研究比較多.最開始的研究只考慮該鎧裝層單純承擔(dān)內(nèi)壓載荷，不考慮其他層和其他載荷的作用.在理論方面，KAGOURA等[1]和FRET等[2]給出一些簡化公式，這些公式能夠滿足初步設(shè)計分析的要求.在數(shù)值方面，F(xiàn)ERNANDO等[3]用有限元法對Z型鋼條在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力和應(yīng)變等進行分析.近年來對Z型鋼條的研究分析不僅僅局限在抗內(nèi)壓方面， FERNANDO等[3]和SVIK等[4]對其加工制造和FAT加卸載過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進行分析，得到殘余應(yīng)力分布，指出殘余應(yīng)力可能對疲勞壽命有影響.YE等[5]和SVIK等[6]在此基礎(chǔ)上對Z型鋼條的疲勞壽命進行理論和數(shù)值分析，指出Z型截面中疲勞效應(yīng)最明顯的2個拐點，并對疲勞壽命進行評估.另外，也有學(xué)者研究Z型鋼條抗壓層對其他鎧裝層的影響，進行耦合分析.NETO等[7]研究Z型鋼條對骨架層抗壓潰能力的影響，指出其改變骨架層的1階壓潰模態(tài)，能夠提高骨架層的抗壓潰能力.

然而，對于淺水海底柔性管道結(jié)構(gòu)，單層薄扁鋼帶不可能獨自承擔(dān)所有的內(nèi)壓載荷，而應(yīng)該是所有的金屬鎧裝層共同承擔(dān)，給分析和設(shè)計帶來困難.由于需要研究的鎧裝層數(shù)和內(nèi)容要比Z型鋼條多，因此對于淺水經(jīng)濟型海底柔性管道的研究尚未形成一定的理論體系.雖然扁鋼帶和抗拉鋼絲層都有可參考的理論解析公式[8]，但是理論上不能考慮接觸摩擦等連接問題；另外，理論解析公式是否可以進行簡單的線性疊加，每一層的內(nèi)壓承擔(dān)比例是多少，進而怎樣實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計等，這些問題都是理論解析無法解決的，必須借助有限元數(shù)值手段進行詳細分析和校核.

1淺水海底柔性管道結(jié)構(gòu)介紹

淺水經(jīng)濟型海底柔性管道屬于靜態(tài)應(yīng)用管道，通常用于衛(wèi)星平臺的連接、J型管和膨脹彎等處，尤其是在注水作業(yè)時被大量采用，如潿洲油田和番禹油田采用此海底柔性管道.由于鋪設(shè)和維修等綜合費用比鋼管低，還有印度尼西亞等市場需求，國內(nèi)已有部分企業(yè)邁入海管制造行列.由于淺水海底柔性管道受到的載荷比較簡單，因此可以在滿足安全性的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)簡化，盡量實現(xiàn)經(jīng)濟性要求.

淺水海底柔性管道鋪設(shè)時承受的拉伸載荷較小，外壓壓潰也成為次要的失效模式.另外，在靜態(tài)應(yīng)用時可以不考慮彎曲失效和疲勞失效模式，因此淺水海底柔性管道主要是針對內(nèi)壓性能展開分析和設(shè)計.在滿足安全功能的基礎(chǔ)上，淺水海底柔性管道最顯著的特點就是用簡易扁鋼帶繞包代替典型的Z型鋼條以實現(xiàn)經(jīng)濟性要求.[9]常用的淺水海底柔性管道構(gòu)型見圖1.

在圖1中，內(nèi)、外護套層為聚合物材料，按設(shè)計需要可以選用PE，PA和PVDF等，其作用是保證流體完整性.抗拉鎧裝層常用碳鋼類金屬材料，與管道軸向夾角呈20～60°的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)形式，主要作用是抵抗軸向拉伸力；扁鋼帶抗壓層也常用碳鋼類材料，呈大角度的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)形式，作用是抵抗徑向壓力（主要是內(nèi)壓）.在進行注水作業(yè)時通常沒有內(nèi)部骨架層，當(dāng)油氣輸送過程中含有較多沙礫等雜質(zhì)時必須使用內(nèi)部骨架層.這種多層非黏結(jié)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)形式，使海洋柔性管道具有很多傳統(tǒng)鋼管不具備的優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用.

但是，對于扁鋼帶纏繞形式的柔性管道，其抗內(nèi)壓性能的研究尚未深入開展，管道的抗內(nèi)壓作用機理尚不明確.因此本文就每層鎧裝的內(nèi)壓承擔(dān)比例、整個管道的最大允許承壓力以及如何進行優(yōu)化設(shè)計等問題進行相關(guān)分析.

2有限元模型的建立

針對淺水海底柔性管道構(gòu)型，考慮各層構(gòu)件之間的接觸連接，基于ANSYS建立全三維參數(shù)化有限元模型.由于在位運行時扁鋼帶和抗拉鋼絲層是主要的內(nèi)壓承擔(dān)構(gòu)件，因此在有限元模型中忽略外護套的作用.為進一步簡化數(shù)值模型、提高運算效率，內(nèi)外兩層抗拉鋼絲的根數(shù)取相同值.至此，簡化后的柔性管道只包含內(nèi)護套、扁鋼帶抗壓層和鋼絲抗拉層，且結(jié)構(gòu)與載荷盡量對稱.

2.1單元選取

為提高計算效率，可以在保證計算精度的前提下合理選取單元類型，每層構(gòu)件的單元類型可以不同.抗拉鋼絲使用自定義梁截面BEAM188梁單元建模，根據(jù)鋼絲截面的幾何尺寸和材料參數(shù)定義梁截面，然后調(diào)用梁截面并賦以對應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)；扁鋼帶使用SHELL181單元建模，可以得到較為精細的應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果.

2.2連接與接觸設(shè)定

柔性管道各層構(gòu)件之間存在接觸、擠壓和摩擦等相互作用，因此在有限元分析中需要設(shè)置接觸摩擦與連接單元.扁鋼帶與內(nèi)護套之間采用TARGE170CONTA174實現(xiàn)面面接觸，與抗拉鋼絲之間采用TARGE170CONTA177實現(xiàn)線面接觸，并通過庫侖摩擦模擬構(gòu)件之間的摩擦行為，采用罰函數(shù)法進行迭代計算.另外，內(nèi)外層抗拉鋼絲的根數(shù)一致，正好可以沿管道模型的徑向建立桿單元連接.這里采用LINK10桿單元進行簡化，與接觸摩擦相比可以提高運算效率.

2.3約束與載荷施加

海底柔性管道在位輸送介質(zhì)時，考慮到距離較長，忽略內(nèi)壓作用下引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng).因此，在載荷和結(jié)構(gòu)對稱的情況下，約束也應(yīng)該盡量滿足對稱條件.最簡單的方式是兩端完全固定，根據(jù)圣維南原理，取模型中間部分提取相關(guān)分析結(jié)果即可.內(nèi)壓載荷施加于管道模型的最內(nèi)側(cè).逐步增加載荷，直至金屬鎧裝層的應(yīng)力達到屈服強度為止.可以通過分析結(jié)果得到各層金屬鎧裝對抗內(nèi)壓的貢獻程度和管道的最大允許承壓力等.所建立的柔性管道有限元模型見圖2，模型參數(shù)見表1.

3數(shù)值分析結(jié)果

對數(shù)值結(jié)果進行提取時，忽略端部約束效應(yīng)，只取模型的中間一段進行應(yīng)力分析.由于模型經(jīng)過簡化，載荷和結(jié)構(gòu)對稱，因此應(yīng)力結(jié)果比較均勻.當(dāng)對有限元模型施加19 MPa的均布內(nèi)壓作用力時，扁鋼帶和抗拉鋼絲的應(yīng)力分析結(jié)果見圖3和4，可知，扁鋼帶的平均應(yīng)力為414 MPa左右，已達到屈服狀態(tài)；抗拉鋼絲層的平均應(yīng)力為280 MPa左右，遠未達到屈服應(yīng)力.

由應(yīng)力分析結(jié)果可知，扁鋼帶先達到屈服狀態(tài)，抗拉鋼絲層的材料未得到充分利用，原因是扁鋼帶的纏繞角度遠大于抗拉鋼絲，導(dǎo)致其徑向剛度偏大.因此，常規(guī)設(shè)計中將抗拉層和抗壓層的最大承擔(dān)力進行線性疊加的方法不合理.另外，通過提取層間的接觸壓力可知抗拉層承擔(dān)總內(nèi)壓的59.1%，內(nèi)護套層只承擔(dān)總內(nèi)壓的6%左右，可見在淺水海底柔性管道構(gòu)型中，抗拉鎧裝層是非常重要的承壓構(gòu)件，而內(nèi)護套并非主要的承壓構(gòu)件.扁鋼帶層是必須具備的功能件，可以提升管道的整體徑向剛度，從而提升拉伸性能.[10]但是，根據(jù)前述分析結(jié)果，扁鋼帶層先達到屈服狀態(tài)，而此時抗拉鋼絲的材料遠未得到充分利用.因此需要對抗內(nèi)壓性能進行設(shè)計，通過改變扁鋼帶層的厚度、層數(shù)、纏繞角度或材料性能，盡量從應(yīng)力分配上實現(xiàn)優(yōu)化處理，使各層金屬鎧裝同時達到屈服狀態(tài)，其本質(zhì)是徑向剛度設(shè)計.

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

通過調(diào)整參數(shù)化有限元模型中的相關(guān)參數(shù)，可以較快地得到分析結(jié)果，方便進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，對于現(xiàn)實應(yīng)用具有一定的參考意義.

（3）抗拉層和抗壓層采用相同的材料時，單純通過改變扁鋼帶的厚度實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計是不可取的.扁鋼帶的纏繞角度大于抗拉層，導(dǎo)致其徑向剛度偏大，因此需要調(diào)整纏繞角度實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計.

4.2扁鋼帶纏繞角度調(diào)整

海洋柔性管道的常規(guī)設(shè)計中，為實現(xiàn)互鎖功能，Z型鋼條的纏繞角度通常取80～89°.但是，對于經(jīng)濟型淺水海底柔性管道構(gòu)型，需要抗拉層輔助承擔(dān)部分內(nèi)壓，因此纏繞角度也是需要研究和設(shè)計的參數(shù)之一.僅改變扁鋼帶的纏繞角度，其余參數(shù)不變，可以得到不同纏繞角度下模型的最大承壓力，見圖6.

（1）扁鋼帶纏繞角度越大，徑向剛度越大，承擔(dān)的內(nèi)壓比例就越大，從而越容易達到屈服狀態(tài).

（2）在扁鋼帶厚度一定的情況下，纏繞角度越小，抗拉鋼絲層的材料越能得到充分利用，因此管道的承壓能力越強.

（3）在進行抗內(nèi)壓設(shè)計時，要綜合考慮扁鋼帶厚度和纏繞角度的影響.如設(shè)計載荷為20 MPa時，扁鋼帶的最優(yōu)設(shè)計是厚度為1 mm，纏繞角度為70°左右，能夠在滿足安全性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最經(jīng)濟化要求.

4.3材料屬性調(diào)整

不論是改變扁鋼帶的厚度還是纏繞角度，本質(zhì)目的都是為了改變抗壓層的徑向剛度.除剛度方面的設(shè)計外，還可以考慮選擇不同的材料進行強度方面的加強設(shè)計.通過研究分析可以得到以下結(jié)論.

（1）扁鋼帶的纏繞角度越大，內(nèi)壓承擔(dān)比例就越高，需要的材料等級越高.

（2）扁鋼帶的厚度越大，徑向剛度和內(nèi)壓承擔(dān)比例也越大，但是扁鋼帶的橫截面積增加，因此與改變角度相比，扁鋼帶的材料等級變化不太明顯.

（3）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使多層金屬鎧裝同時達到屈服狀態(tài).

5結(jié)論

基于理論解析公式和ANSYS有限元模型，對經(jīng)濟型淺水海底柔性管道的抗內(nèi)壓性能進行分析.通過對扁鋼帶和抗拉鋼絲的耦合分析，得到整個管道的最大允許承壓力以及每層金屬鎧裝的內(nèi)壓承擔(dān)比例.分析結(jié)果指出管道結(jié)構(gòu)的不合理性，可以對徑向剛度進行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)應(yīng)力的合理分配.通過調(diào)整自編理論程序和有限元參數(shù)化模型中的相關(guān)參數(shù)，得到以下結(jié)論.

（1）內(nèi)護套層幾乎不承擔(dān)內(nèi)壓作用，而抗拉鋼絲層是重要的承壓構(gòu)件.

（2）扁鋼帶采用大角度纏繞時，將首先達到屈服狀態(tài)，而此時抗拉鋼絲層的材料尚未得到充分利用.

（3）扁鋼帶采用大角度纏繞時，雖然增加厚度能使管道的承壓能力提高，但是其還是首先達到屈服狀態(tài)，因此需要調(diào)整其纏繞角度.

（4）扁鋼帶纏繞角度增大，徑向剛度增加，內(nèi)壓承擔(dān)比例隨之增加，越容易達到屈服狀態(tài).因此，在進行管道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，并非角度越大越好，需要綜合考慮厚度和角度的影響，實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計.

（5）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使各金屬鎧裝層同時達到屈服狀態(tài).

參考文獻：

[1]KAGOURA T， ISHII K， ABE S， et al. Development of a flexible pipe for pipeinpipe technology[J]. Furukawa Rev， 2003（24）： 6975.

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LU Qingzhen， YUE Qianjin， TANG Minggang， et al. Strength design for economical flexible pipeline in shallow water [J]. Ocean Eng， 2011， 29（2）： 105110.

[10]盧青針， 岳前進， 湯明剛， 等. 海洋柔性管的抗拉性能及加強設(shè)計[C]// 第十四屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集： 上冊. 呼和浩特， 2009： 100104.（編輯武曉英）

（3）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使多層金屬鎧裝同時達到屈服狀態(tài).

5結(jié)論

基于理論解析公式和ANSYS有限元模型，對經(jīng)濟型淺水海底柔性管道的抗內(nèi)壓性能進行分析.通過對扁鋼帶和抗拉鋼絲的耦合分析，得到整個管道的最大允許承壓力以及每層金屬鎧裝的內(nèi)壓承擔(dān)比例.分析結(jié)果指出管道結(jié)構(gòu)的不合理性，可以對徑向剛度進行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)應(yīng)力的合理分配.通過調(diào)整自編理論程序和有限元參數(shù)化模型中的相關(guān)參數(shù)，得到以下結(jié)論.

（1）內(nèi)護套層幾乎不承擔(dān)內(nèi)壓作用，而抗拉鋼絲層是重要的承壓構(gòu)件.

（2）扁鋼帶采用大角度纏繞時，將首先達到屈服狀態(tài)，而此時抗拉鋼絲層的材料尚未得到充分利用.

（3）扁鋼帶采用大角度纏繞時，雖然增加厚度能使管道的承壓能力提高，但是其還是首先達到屈服狀態(tài)，因此需要調(diào)整其纏繞角度.

（4）扁鋼帶纏繞角度增大，徑向剛度增加，內(nèi)壓承擔(dān)比例隨之增加，越容易達到屈服狀態(tài).因此，在進行管道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，并非角度越大越好，需要綜合考慮厚度和角度的影響，實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計.

（5）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使各金屬鎧裝層同時達到屈服狀態(tài).

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（3）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使多層金屬鎧裝同時達到屈服狀態(tài).

5結(jié)論

基于理論解析公式和ANSYS有限元模型，對經(jīng)濟型淺水海底柔性管道的抗內(nèi)壓性能進行分析.通過對扁鋼帶和抗拉鋼絲的耦合分析，得到整個管道的最大允許承壓力以及每層金屬鎧裝的內(nèi)壓承擔(dān)比例.分析結(jié)果指出管道結(jié)構(gòu)的不合理性，可以對徑向剛度進行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)應(yīng)力的合理分配.通過調(diào)整自編理論程序和有限元參數(shù)化模型中的相關(guān)參數(shù)，得到以下結(jié)論.

（1）內(nèi)護套層幾乎不承擔(dān)內(nèi)壓作用，而抗拉鋼絲層是重要的承壓構(gòu)件.

（2）扁鋼帶采用大角度纏繞時，將首先達到屈服狀態(tài)，而此時抗拉鋼絲層的材料尚未得到充分利用.

（3）扁鋼帶采用大角度纏繞時，雖然增加厚度能使管道的承壓能力提高，但是其還是首先達到屈服狀態(tài)，因此需要調(diào)整其纏繞角度.

（4）扁鋼帶纏繞角度增大，徑向剛度增加，內(nèi)壓承擔(dān)比例隨之增加，越容易達到屈服狀態(tài).因此，在進行管道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，并非角度越大越好，需要綜合考慮厚度和角度的影響，實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計.

（5）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使各金屬鎧裝層同時達到屈服狀態(tài).

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