浮筒段剛度對(duì)淺水柔性立管力學(xué)行為的影響分析

鄒 科，陳金龍，袁振欽

(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

浮筒段剛度對(duì)淺水柔性立管力學(xué)行為的影響分析

鄒 科，陳金龍，袁振欽

(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

隨著柔性管道的發(fā)展，附件裝備的剛度對(duì)柔性立管線(xiàn)型的影響逐漸成為研究的熱點(diǎn)?；?英寸(1英寸≈2.54 cm)立管，考慮浮筒與柔性管道耦合作用下的非線(xiàn)性剛度，建立淺水陡波形立管分析模型，利用OrcaFlex軟件對(duì)柔性立管的張力和曲率進(jìn)行時(shí)域分析，并與不考慮浮筒耦合的模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明浮筒的彎曲剛度對(duì)立管線(xiàn)型最大張力結(jié)果的影響很小，但對(duì)最大曲率的影響比較顯著?？紤]浮筒彎曲剛度的立管線(xiàn)型分析得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

柔性立管；浮筒；非線(xiàn)性；彎曲剛度；陡波線(xiàn)型

0 引 言

柔性立管對(duì)浮式生產(chǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)具有良好的順應(yīng)性[1]，在深海油氣開(kāi)發(fā)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前的柔性立管線(xiàn)形設(shè)計(jì)，通常將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管纜簡(jiǎn)化為單一均質(zhì)的梁模型，考慮管道的拉伸剛度、彎曲剛度等截面屬性[2]。目前工程中，柔性管道的彎曲都采用線(xiàn)形剛度，然而柔性管道是由多層結(jié)構(gòu)組成的，層與層之間是非粘接的、有空隙的，層間會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，從而導(dǎo)致管道的剛度非線(xiàn)性。實(shí)際在位運(yùn)營(yíng)中，在風(fēng)浪流等環(huán)境載荷的作用下，柔性管道在整體上顯現(xiàn)拉伸、彎曲、內(nèi)壓、外壓，以及與附件接觸擠壓的受力狀態(tài)。管道在不同的受力狀態(tài)下，其彎曲剛度也有很大的差異。Ye等[3-4]通過(guò)不同內(nèi)壓的管道彎曲實(shí)驗(yàn)，得到的彎曲剛度存在很大的差值。盧青針[2]等考慮管道的非線(xiàn)性彎曲剛度，基于OrcaFlex對(duì)1 500 m水深的柔性立管進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)域分析，指出非線(xiàn)性剛度與線(xiàn)性剛度對(duì)線(xiàn)形的曲率結(jié)果差值達(dá)到20%左右，認(rèn)為非線(xiàn)性剛度對(duì)線(xiàn)形的曲率影響很明顯。Tan等[5]利用OrcaFlex軟件和Wellstream的程序，考慮管纜的彎曲滯回剛度，并與線(xiàn)性彎曲剛度對(duì)比。指出考慮滯回彎曲剛度模型曲率幅值比線(xiàn)性彎曲剛度模型小很多，對(duì)疲勞結(jié)果等結(jié)果影響很大。

以上這些僅考慮了管道自身彎曲剛度的非線(xiàn)性，然而立管在實(shí)際工程應(yīng)用中，如防彎器、限彎器、浮筒、浮拱等這些附件與管道耦合，也會(huì)影響柔性管道的力學(xué)響應(yīng)。Caire等[6]對(duì)防彎器和管道耦合作用下的結(jié)構(gòu)彎曲剛度進(jìn)行了研究，將彎曲剛度簡(jiǎn)化為雙線(xiàn)性模型，并通過(guò)理論與數(shù)值分析，指出非線(xiàn)性的彎曲剛度可能會(huì)極大地影響柔性管道的疲勞。浮筒設(shè)計(jì)目前集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過(guò)盈連接設(shè)計(jì)[7]，在波形立管線(xiàn)形設(shè)計(jì)中，整體分析時(shí)采用連續(xù)式浮筒對(duì)浮筒段的長(zhǎng)度、位置和浮筒浮力進(jìn)行設(shè)計(jì)[8-9]；對(duì)浮筒段詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)則采用分布式浮筒，對(duì)浮筒段的浮筒間距、浮筒浮力進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮浮筒對(duì)管道彎曲剛度的影響。因此本文從理論角度分析浮筒與管道耦合下的彎曲剛度組成，并基于8英寸(1英寸≈2.54 cm)立管，通過(guò)有限元分析計(jì)算管道在立管夾擠壓下的彎矩-曲率滯回曲線(xiàn)，并與浮筒自身的彎曲剛度疊加，從而得到浮筒與管道耦合形成的整體彎曲剛度。利用OrcaFlex對(duì)淺水陡波線(xiàn)型進(jìn)行時(shí)域分析，得到立管線(xiàn)形曲率、張力等動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，并與不考慮浮筒彎曲剛度耦合下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析浮筒彎曲剛度對(duì)淺水立管線(xiàn)型的影響，為立管夾安裝預(yù)壓力設(shè)計(jì)以及波形浮筒段耦合設(shè)計(jì)提供參考。

1 浮筒與管道耦合下的彎曲剛度

立管夾式浮筒是目前柔性立管wave線(xiàn)形最常用的浮力模塊，如圖1所示。

圖1 浮筒在立管線(xiàn)型中的應(yīng)用Fig.1 Buoyancy applied in riser configuration

這種浮筒在結(jié)構(gòu)上分為主體結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)用來(lái)提供浮力，由兩個(gè)半圓拱形的模塊通過(guò)高強(qiáng)纖維帶捆綁合并而成的圓筒構(gòu)件；連接結(jié)構(gòu)是三或四塊由鎖緊系統(tǒng)環(huán)固組成的，如圖2所示。

圖2 浮筒和立管夾連接示意圖Fig.2 Buoyancy module and riser clamp

浮筒與柔性管道之間的連接主要通過(guò)連接系統(tǒng)立管夾來(lái)實(shí)現(xiàn)，連接形式通常為摩擦連接中的過(guò)盈配合連接(見(jiàn)圖2)，主要是在安裝過(guò)程中，對(duì)立管夾施加一定的預(yù)緊力，使立管夾與管道產(chǎn)生一定的過(guò)盈量，利用摩擦力阻止立管夾和管道之間的相互滑動(dòng)，從而達(dá)到連接配合的目的。

在有浮筒綁定下的管道彎曲剛度與無(wú)綁定的管道彎曲剛度是有差別的。首先，立管夾自身具有彎曲剛度，浮筒通過(guò)立管夾綁定在管道上，而且不允許有相對(duì)滑動(dòng)，所以管道和立管夾的彎曲剛度線(xiàn)性疊加。其次，浮筒的綁定則是利用立管夾過(guò)盈擠壓管道，產(chǎn)生較大的接觸擠壓力，從而使得浮筒能完好地固定在柔性管道上。立管夾與管道的擠觸壓力，使得管道層間有比較大的接觸壓力，直接影響管道層間的臨界滑動(dòng)摩擦，改變管道的滯回彎曲剛度，從而影響立管整體線(xiàn)形的曲率。因此，浮筒段的彎曲剛度包含兩個(gè)部分：立管夾擠壓下的管道彎曲剛度和立管夾自身的彎曲剛度。

1.1 柔性管道彎曲剛度

柔性管道是多層材料復(fù)合而成的非粘接結(jié)構(gòu)，各層間可滑動(dòng)。彎曲剛度為表示施加的彎矩與對(duì)應(yīng)曲率響應(yīng)的力學(xué)量，表示施加單位曲率所受到的彎矩，柔性管道在彎矩作用下的響應(yīng)如圖3所示。

考慮一根初始不受載荷作用的直管逐漸彎曲，初始點(diǎn)如圖中a所示。曲率較小時(shí)，層間摩擦能夠阻止抗拉鎧裝發(fā)生滑移，摩擦力與拉力能夠維持平衡，完全阻止由軸向拉力引起的滑移。因此這一階段的總彎矩是曲率的線(xiàn)性函數(shù)，如圖中的ab段所示。

然而，隨著曲率的增加，摩擦力不足以完全阻止抗拉鎧裝的滑移而開(kāi)始發(fā)生局部滑移。滑移的出現(xiàn)致使微元上的軸向張力和立管的彎矩增加減緩，且這種影響隨著滑移量的增加而增大。從圖中表現(xiàn)為bc段曲線(xiàn)的斜率逐漸減小。當(dāng)曲率增加到一定程度(c點(diǎn))時(shí)，便出現(xiàn)完全滑移。此后的彎曲剛度基本不再發(fā)生變化，故cd段近似為一條直線(xiàn)。

若彎曲載荷加載至d點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始反轉(zhuǎn)減小，立管不會(huì)立即發(fā)生反向滑移，層間的摩擦將保持結(jié)構(gòu)已發(fā)生的變形，從而表現(xiàn)出遲滯效應(yīng)。故卸載時(shí)，彎矩與曲率先呈線(xiàn)性變化(de段)，當(dāng)摩擦不能繼續(xù)阻滯反向滑移的發(fā)生時(shí)，立管的彎曲剛度才開(kāi)始降低。由于這種遲滯效應(yīng)，彎矩恢復(fù)到零時(shí)的立管曲率并不為零。基于如上規(guī)律，無(wú)粘接柔性立管彎矩與曲率的關(guān)系可表示為圖所示的滯回曲線(xiàn)。

圖3 柔性管道彎矩和曲率滯回曲線(xiàn)Fig.3 Hysteretic curve of bending moment-curvature of flexible pipe

立管夾與管道的擠觸壓力也會(huì)使管道層間有較大的接觸壓力，將會(huì)影響管道層間的臨界滑動(dòng)摩擦而改變管道的滯回彎曲剛度，從而影響立管整體線(xiàn)形的曲率。

1.2 立管夾的彎曲剛度

浮筒的綁定是使立管夾的內(nèi)徑略小于管道的外徑，裝配后形成較大擠壓力而產(chǎn)生足夠大的摩擦力擠壓管道從而限制浮筒的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到綁定的目的。對(duì)于立管夾和管道的配合問(wèn)題，通常將立管夾視為理想的厚壁圓筒(見(jiàn)圖4)，其截面的彎曲剛度由理論公式[10]計(jì)算得到。

圖4 浮筒與立管連接的簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified model of buoyancy module connected with riser

2 數(shù)值分析

2.1 線(xiàn)型概述

以淺水25 m水深陡波線(xiàn)型立管為例，立管線(xiàn)型參數(shù)、浮體參數(shù)和管道參數(shù)分別如表1、表2和表3所示。

表1 陡波線(xiàn)型參數(shù)

表2 浮體參數(shù)

注：浮體重心位置參考海平面。

借助有限元軟件ABAQUS對(duì)8英寸管道的剛度分析，得到滯回彎曲剛度數(shù)據(jù)，如圖5所示。

三是推動(dòng)通南經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)“兩脫一增”。該區(qū)域主要屬于黃橋老區(qū)，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)比較薄弱，全區(qū)大多數(shù)經(jīng)濟(jì)薄弱村集中在該區(qū)域。我們樹(shù)立杠桿思維、精準(zhǔn)思維，著眼于綜合改革，推行白米鎮(zhèn)大安村產(chǎn)業(yè)扶貧試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，探索固化“支部+合作社+基地+農(nóng)戶(hù)”機(jī)制，以市場(chǎng)為導(dǎo)向打造“一鎮(zhèn)一特”“一村一品”的農(nóng)產(chǎn)品，推動(dòng)通南經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)實(shí)現(xiàn)“雙脫一增”，即經(jīng)濟(jì)薄弱村全部脫帽、貧困戶(hù)全部脫貧，村集體經(jīng)濟(jì)收入和農(nóng)民年均收入穩(wěn)定增長(zhǎng)。

圖5 管道彎曲剛度滯回曲線(xiàn)Fig.5 Hysteretic curve of bending moment-curvature of flexible pipe

利用ABAQUS軟件，對(duì)浮筒擠壓壓力為2 MPa情況下的8英寸管道進(jìn)行分析，得到管道的彎曲剛度滯回曲線(xiàn)；并考慮立管夾為簡(jiǎn)單的不銹鋼材，厚度為5 cm。浮筒擠壓下的滯回剛度疊加立管夾的彎曲剛度，得到耦合后的浮筒段彎曲剛度曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 管道與浮筒耦合后的彎曲剛度滯回曲線(xiàn)Fig.6 Hysteretic curve of bending moment-curvature of flexible pipe coupling with buoyancy module

2.2 海況

十年一遇的波浪最大波高為8.8 m，周期為8.6 s。表4給出了十年一遇海流流速分布。

表4 重現(xiàn)期為10年的流速分布

2.3 線(xiàn)型分析

利用OrcaFlex分析軟件，建立整體的分析模型，包括上部浮體、錨鏈以及立管，模擬整個(gè)柔性立管系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。立管線(xiàn)型如圖7所示。

圖7 柔性立管線(xiàn)型圖Fig.7 Flexible riser configuration

以浮筒的彎曲剛度為研究變量，建立以下2種模型，并基于規(guī)則波，利用OrcaFlex對(duì)立管線(xiàn)型進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)域分析，并得到相應(yīng)的結(jié)果：(1)忽略浮筒的彎曲剛度，計(jì)算立管線(xiàn)型的張力和曲率結(jié)果;(2)考慮浮筒的彎曲剛度與柔性立管的彎曲剛度的耦合，計(jì)算立管線(xiàn)型的張力與曲率結(jié)果。

2.4 結(jié)果分析

主要對(duì)比兩種模型的最大張力時(shí)程曲線(xiàn)，線(xiàn)型沿管道長(zhǎng)度的最大張力分布以及沿管道長(zhǎng)度的最大曲率分布。

線(xiàn)型的最大張力通常在立管線(xiàn)型頂端，則對(duì)立管頂端的張力進(jìn)行對(duì)比，立管頂端張力的時(shí)程曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 立管頂端拉力時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)比Fig.8 Comparison of time-history curve of tension at the top point

從圖中可以觀(guān)察到，頂部張力幾乎完全吻合，因此浮筒的彎曲剛度對(duì)最大張力結(jié)果的影響很小。

對(duì)線(xiàn)型沿立管長(zhǎng)度方向的最大張力進(jìn)行對(duì)比，其時(shí)程曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 沿立管長(zhǎng)度的最大張力對(duì)比Fig.9 Comparison of maximum tension along arc-length

從圖中可以觀(guān)察到，兩種情況下線(xiàn)型的張力分布規(guī)律是一致的，在立管頂端誤差最小，只有0.2%，因此浮筒的彎曲剛度對(duì)立管頂端張力的影響很小。

分別提取立管線(xiàn)型的進(jìn)程曲率沿管道長(zhǎng)度的分布結(jié)果，如圖10所示。

圖10 沿立管長(zhǎng)度的最大曲率對(duì)比Fig.10 Comparison of curvature along arc-length

從圖中可以觀(guān)察到，兩種模型的曲率分布一致，在不考慮浮筒彎曲剛度耦合的情況下，最大曲率為0.245 m-1，而考慮浮筒彎曲剛度耦合時(shí)，最大曲率為0.281 m-1，不考慮浮筒耦合的結(jié)果偏小，誤差接近15%。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用OrcaFlex對(duì)某25 m水深陡波形柔性立管線(xiàn)型進(jìn)行分析，并與不考慮浮筒耦合的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：

(1) 通過(guò)對(duì)比最大張力的時(shí)程曲線(xiàn)、最大張力的分布以及最大曲率的分布可知，不考慮浮筒彎曲剛度的結(jié)果與考慮浮筒彎曲剛度的結(jié)果在規(guī)律上保持一致。

(2) 兩種模型頂部張力幾乎完全吻合，在立管頂端張力誤差最小，只有0.2%，因此浮筒的彎曲剛度對(duì)立管線(xiàn)型最大張力結(jié)果的影響很小。

(3) 兩種模型計(jì)算得到的最大曲率誤差達(dá)到15%左右。

(4) 考慮到彎曲失效是淺水立管線(xiàn)型最容易發(fā)生的失效，而不考慮浮筒彎曲剛度的結(jié)果偏小，那么在淺水立管線(xiàn)型設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮浮筒彎曲剛度就會(huì)使得設(shè)計(jì)較為危險(xiǎn)。

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EffectofBuoyancyModules’BendingStiffnessBehavioronFlexibleRiserinShallowWater

ZOU Ke, CHEN Jin-long, YUAN Zhen-qin

(StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisofIndustrialEquipment,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

With the development of flexible pipe, the effect of bending stiffness of accessories and equipment on flexible riser has become current research focus. Based on 8 inch (1 inch ≈ 2.54 cm) flexible pipe, considering the nonlinear stiffness coupling buoyancy module with flexible pipe, we establish steep wave riser model in shallow water. Simulation is carried out using time domain analysis method in OrcaFlex software for flexible risers tension and curvature. The results are compared with another model ignoring the coupling bending stiffness. It is shown that the effect of bending stiffness is little on maximum tension result; however, the effect of bending stiffenss is more significant on the maximum curvature. More accurate results of riser configuration analysis can be obtained by considering the bending stiffness of buoyancy module riser.

flexible riser; buoyancy module; nonlinearity; bending stiffness; steep wave configuration

2016-09-30

鄒科(1989—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋工程方面的研究。

TE973.92

A

2095-7297(2016)05-0287-05