海管附屬件有限元分析及不同校核準則比較

張 捷，孫國民，馬紅旗，藍國陽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海管附屬件有限元分析及不同校核準則比較

張 捷，孫國民，馬紅旗，藍國陽

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海管系統(tǒng)由海底管道平管、立管、膨脹彎及相關附屬件組成。對于平管及立管都有專門的軟件進行分析設計，而相關附屬件則一般采用通用有限元軟件進行分析。采用ANSYS軟件對海管附屬件進行分析。根據附屬件的實際受力情況建立有限元分析模型，得到附屬件應力分布，并根據DNV-OS-F101準則及ASME Ⅷ Div2準則分別對其進行應力校核，判斷海管附屬件是否滿足規(guī)范要求，保證附屬件的安全運行。同時比較了兩種校核準則的異同，為以后的項目提供參考。

海洋油氣管道；海管附屬件；有限元分析；校核準則

0 引 言

在海底管道系統(tǒng)中，不僅有海管平管、立管和膨脹彎，附屬件也是不可缺少的組成部分。在鋼管系統(tǒng)中，附屬件一般包括錨固件及法蘭。其中錨固件又分為Ⅰ型錨固件及Ⅱ型錨固件，它們制造工藝一般為鑄造。Ⅰ型錨固件用于雙層管與雙層管的連接；Ⅱ型錨固件用于單層管與雙層管的連接。法蘭形式多樣，主要用途為兩大類：一類用于立管懸掛，謂之懸掛法蘭，整體成型的懸掛法蘭的制造工藝一般也是鑄造；另一類用于海管平管、膨脹彎、立管之間的連接，包括焊徑法蘭、旋轉法蘭、球法蘭、盲法蘭等，一般成套使用。

設計時，連接法蘭的選型主要由海管尺寸及磅級決定，設計方只需成套采購使用，一般無需有限元分析。而錨固件與懸掛法蘭則不一樣，需根據實際受力情況經應力分析后，才最終確定其選型。有限元方法可以很好地用于海管設計，是海管設計時應力分析的有效方法之一[1]。錨固件在海管系統(tǒng)中應用廣泛，有著連接內外管及阻水的作用，也是雙層管中不可缺少的部件[2]。錨固件與懸掛法蘭只是形狀不一樣，其采用的分析手段完全一致，設計方法也大致相同。本文將以錨固件為例，根據某海管設計項目中錨固件受力情況進行有限元分析。列舉兩種用于附屬件校核的較常用校核準則：DNV-OS-F101規(guī)范準則[3]和ASME Ⅷ規(guī)范準則[4]。分別應用以上兩準則對錨固件有限元結果進行應力校核。最后比較兩準則的異同，為今后的項目提供參考。

1 錨固件簡介

錨固件一般用于海底管道或者較深水、深水的立管雙層管與雙層管的連接以及立管和膨脹彎處的雙層管與單層管之間的連接。

錨固件的結構型式根據它所連接的管線確定。如果管線參數確定，錨固件的參數也就確定了。

錨固件分為Ⅰ型錨件及Ⅱ型錨固件，前者用于雙層管與雙層管的連接，后者用于雙層管與單層管的連接，如圖1和圖2所示。

圖1 Ⅰ型錨固件Fig.1 Type Ⅰ bulkhead configuration

圖2 Ⅱ型錨固件Fig.2 Type Ⅱ bulkhead configuration

通常錨固件不管壁厚是多少，其長度規(guī)格型式基本一致。具體長度尺寸如表1所示。

表1 錨固件尺寸參數Table 1 Bulkhead configuration parameters mm

注：參數表達的意義如圖1和圖2所示。

本文將選取南海某項目中立管底部Ⅱ型錨固件及海管平管處Ⅰ型錨固件進行分析。錨固件設計參數如表2所示。

表2 某項目錨固件設計參數Table 2 Bulkhead design parameters of a certain project

錨固件設計時，其外徑及壁厚需根據所連接的管線尺寸確定。該項目管線尺寸如表3所示。

表3 錨固件管線設計參數Table 3 Pipeline design parameters of the bulkhead

2 錨固件有限元模型

確定錨固件尺寸及相關工藝數據后，就可進行有限元分析。首先建立有限元模型，其次確定邊界條件，最后根據錨固件所受外力情況在有限元模型中輸入其所受各方向力及彎矩。

2.1 建立錨固件有限元模型

根據表1及表3確定的錨固件幾何尺寸，建立三維幾何模型。采用SOLID45實體單元劃分網格。該單元由8個節(jié)點來定義，每個單元分別有X、Y、Z三個方向平移自由度。同時采用MASS21單元在錨固件兩端建立剛性區(qū)域，以便后續(xù)在錨固件端部施加力及彎矩。最后得到有限元模型。

2.2 施加邊界條件及荷載作用

Ⅰ型及Ⅱ型錨固件邊界條件如圖3和圖4所示。

如圖3所示，由于Ⅰ型錨固件沿中間截面對稱，故取一半模型進行分析，并在中間截面施加6個方向全約束，分別約束住該截面X、Y、Z三個平移方向自由度及三個轉動方向自由度。同時在內管內表面及外管外表面分別施加均布荷載模擬其所受內壓及外壓的作用。最后在內管及外管的端部表面分別施加內管及外管力與彎矩作用。

圖3 Ⅰ型錨固件邊界條件Fig.3 Boundary conditions of type Ⅰ bulkhead

圖4為Ⅱ型錨固件邊界條件示意圖。人為將連接單層管的一邊(即圖4中右端)定義為開始端，將連接雙層管的另一端定義為結束端。在結束端的外管上施加6個方向全約束，分別約束住該截面X、Y、Z三個平移方向自由度及三個轉動方向自由度。同時在內管內表面及外管外表面分別施加均布荷載模擬其所受內壓及外壓的作用。最后在內管的開始端及結束端的端部表面分別施加力與彎矩作用。

圖4 Ⅱ型錨固件邊界條件Fig.4 Boundary conditions of type Ⅱ bulkhead

在進行錨固件有限元分析時，需得到其所受外力情況，以便作為初始條件輸入到有限元模型中。在該項目中，Ⅰ型及Ⅱ型錨固件所受外力如表4所示。

表4 錨固件所受外荷載Table 4 External loads for bulkhead

經過劃分網格及施加邊界條件，輸入外荷載后，最終得到錨固件有限元模型，如圖5和圖6所示。

圖5 Ⅰ型錨固有限元模型Fig.5 Finite element model of type Ⅰ bulkhead

完成有限元模型后，運行計算程序，即可得到有限元分析結果。

3 錨固件有限元分析結果校核

完成錨固件有限元計算后，下一步還需進行規(guī)范校核，以便確定錨固件在外力的作用下是否滿足規(guī)范要求。該步驟才是錨固件分析的關鍵，它包括對有限元結果的后處理及規(guī)范的選取校核等。本文將選取海管系統(tǒng)設計中最常用的DNV-OS-F101規(guī)范和ASME Ⅷ Div2規(guī)范中的準則校核錨固件。

3.1 DNV-OS-F101規(guī)范校核

DNV-OS-F101是挪威船級社制定的海管設計強制性規(guī)范，是海管設計中使用最多、最權威的規(guī)范之一。它在第7章“部件及裝配”中規(guī)定，海管部件使用因子為0.67[3]。選取錨固件最小屈服應力乘以其使用因子得到其許用應力。選取有限元分析的最大等效應力與其許用用力進行比較。

該項目中Ⅰ型及Ⅱ型錨固件最大等效應力如圖7和圖8所示。

圖7 Ⅰ型錨固件最大有效應力Fig.7 Von Mises stress of type Ⅰ bulkhead

圖8 Ⅱ型錨固件最大有效應力Fig.8 Von Mises stress of type Ⅱ bulkhead

校核結果如表5所示。表中UC值即“使用因子校核值”。

表5 DNV-OS-F101規(guī)范下錨固件校核結果Table 5 Bulkhead checking result using DNV-OS-F101 standard

*由于錨固件所處環(huán)境溫度高于50℃，需考慮溫度折減效應。按DNV-OS-F101規(guī)范要求，應力折減為25.2 MPa。

從校核結果可以看出，該錨固件最大應力小于許用應力，處于安全范圍內，滿足DNV-OS-F101規(guī)范要求；但Ⅱ型錨固件強度利用因子已達94.5%，接近100%，已沒有多少安全余量。

3.2 ASME Ⅷ Div2規(guī)范校核

ASME Ⅷ Div2規(guī)范為美國機械工程師協會制定的鍋爐及壓力容器規(guī)范，其中對鍋爐及壓力容器附屬件提出了一些準則，也適用于海管附屬件的校核[5]。其許用應力校準準則[4]如表6所示。

表6 ASME Ⅷ Div2規(guī)范錨固件校核準則Table 6 Bulkhead checking criteria of ASME Ⅷ Div2 standard

為應用ASME Ⅷ Div2規(guī)范準則校核該錨固件，需對錨固件有限元分析結果進行后處理，提取相應一次總體薄膜應力、一次局部薄膜應力、一次局部薄膜應力+一次彎曲應力[6]。按錨固件受力特征，選擇應力較大截面，尤其是端部截面，選取沿壁厚方向路徑應力，需提取多個較大應力路徑應力。選擇的Ⅰ型及Ⅱ型錨固件路徑上最大應力如圖9和圖10所示。

圖9 Ⅰ型錨固件線性化應力Fig.9 Linearization stress of type Ⅰ bulkhead

圖10 Ⅱ型錨固件線性化應力Fig.10 Linearization stress of type Ⅱ bulkhead

Ⅰ型和Ⅱ型錨固件校核結果分別如表7和表8所示。

表7 ASME Ⅷ Div2規(guī)范下Ⅰ型錨固件校核結果Table 7 Type Ⅰ bulkhead checking result using ASME Ⅷ Div2 standard

表 8 ASME Ⅷ Div2規(guī)范下Ⅱ型錨固件校核結果Table 8 Type Ⅱ bulkhead checking result using ASME Ⅷ Div2 standard

從校核結果可以看出，該錨固件最大應力小于許用應力，處于安全范圍內，滿足ASME Ⅷ Div2規(guī)范要求；Ⅰ型錨固件及Ⅱ型錨固件總體膜應力、局部膜應力和彎曲應力組合均滿足規(guī)范要求。

3.3 DNV-OS-F101與ASME Ⅷ Div2規(guī)范校核準則比較

通過運用DNV-OS-F101規(guī)范準則及ASME Ⅷ Div2規(guī)范準則校核可知，兩規(guī)范準則均適用于海管附屬件校核，具體設計時可按業(yè)主要求及項目特點選擇使用。

DNV-OS-F101規(guī)范準則只是對結構使用因子提出了要求，在實際中提取等效應力進行校核即可，也不需要對有限元模型結果進行更進一步的后處理工作，簡潔明了；相比這定，ASME Ⅷ Div2規(guī)范規(guī)定了總體膜應力、局部膜應力、彎曲應力及其組合的最大許用應力，設計人員需按其要求辨明應力較大位置，從而提取相應應力，需要針對有限元模型進行大量后處理工作，從而花費更多時間。

正因為DNV-OS-F101規(guī)范規(guī)定較簡單，且規(guī)定的部件使用因子較低，故而經常發(fā)生管體應力在許用情況之內，而錨固件或懸掛法蘭應力超出其要求的情況，這也與實際項目經驗不符。實際上錨固件及懸掛法蘭等附屬件一般壁厚均大于管線，其本身強度也比管線大，從實際項目中可以看到，很少有錨固件及懸掛發(fā)生強度破壞的實例。從這方面來看，DNV-OS-F101規(guī)范對部件的要求較為保守，不是非常經濟；而ASME Ⅷ Div2規(guī)范要求則很少會出現這種情況，設計者可以針對應力較大位置分析其膜應力與彎曲應力，進一步判斷其是否超出許用應力。故在以后的項目中，如果附屬件應力超過DNV-OS-F101規(guī)范要求，建議設計人員可以選擇ASME Ⅷ Div2規(guī)范準則重新校核。

4 結 語

本文通過對海管附屬件中的錨固件的有限元分析及校核，得到以下結論：

(1) 有限元分析方法是進行海管附屬件設計和分析的有效方式。尤其是運用目前市場上廣泛流行的商業(yè)化通用有限元軟件ANSYS，可以快速、簡潔地達到應力分析目的，特別是運用其參數化語言APDL可以批量化完成同一類型、不同規(guī)格、不同受力附屬件的有限元分析，可以大大提高設計效率、節(jié)約工程項目成本。

(2) DNV-OS-F101規(guī)范準則和ASME Ⅷ Div2規(guī)范準則均適用于海管附屬件校核，具體設計時可按業(yè)主要求及項目特點選擇使用。

(3) DNV-OS-F101規(guī)范準則簡潔明了,但是較為保守。

(4) ASME Ⅷ Div2規(guī)范作為應用較為廣泛的規(guī)范，針對附屬件性線化應力提出要求。當附屬件局部點應力超出DNV-OS-F101規(guī)范要求時，可針對局部應力點較大截面位置分析其膜應力與彎曲應力，進一步判斷其是否超出ASME Ⅷ Div2規(guī)范許用應力要求。

[1] 王猛.有限元在海底管道設計中的應用研究[D].天津：天津大學，2004.

[2] 李旭，李慶，楊琥，等.海管設計中錨固件及阻水器選用原則分析[J].海洋工程裝備與技術，2014，1(2):177.

[3] Det Norske Veritas. DNV-OS-F101. Submarine pipeline system[S]. 2006.

[4] American Society of Mechanical Engineers. ASME Ⅷ Div.2. Alternative rules for construction of pressure vessels[S]. 2010.

[5] 丁伯民.對ASME Ⅷ-2(2007)——壓力容器建造另一規(guī)則的介紹與分析[J].壓力容器，2008(1):69.

[6] 高炳軍,楊國政,董俊華,等.從壓力容器有限元分析結果中分解一次彎曲應力的一種方法[J].機械強度,2008(2)：126.

SubseaPipelineAppendageFiniteElementAnalysisandComparisonofDifferentCheckingCriteria

ZHANG Jie, SUW Guo-min, MA Hong-qi, LAN Guo-yang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Subsea pipeline system consists of pipelines, risers, spools and appendages. For pipelines and risers, special softwares is used for analysis and design; for the appendages, common finite element analysis (FEA) software is used. We use the ANSYS software to do the analysis for appendages. Considering the real load of the appendages, FEA model is built, and the stress distribution is obtained. According to DNV-OS-F101 code and ASME Ⅷ Div2 code, stress checking is carried out to estimate if the appendages can meet the requirements and ensure the safe operation. Besides, the comparison between the two checking criteria can provide a reference for future projects.

marine oil and gas pipeline; subsea pipeline appendage; finite element analysis; checking criterion

TE973

A

2095-7297(2015)02-0093-06

2015-02-03

張捷(1986—)，男，工程師，主要從事海洋石油和天然氣管道設計與研究工作。