基于ABAQUS的S型鋪管法應(yīng)力分析

王友義（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

基于ABAQUS的S型鋪管法應(yīng)力分析

王友義
（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

目前海洋管道鋪設(shè)數(shù)值模擬大多依賴(lài)于OFFPIPE專(zhuān)業(yè)鋪管軟件；提出了一種新的S型鋪管法應(yīng)力分析方法。該方法基于abaqus軟件，完全摒棄了懸鏈線理論；通過(guò)控制管道落地端的水平位移改變管道形態(tài)，從而獲得不同管道形態(tài)下的張緊力，找出管道鋪設(shè)的正常形態(tài)，得到相應(yīng)的鋪管船允許張緊力。

海底管道；S型鋪管法；有限元

目前海洋管道鋪設(shè)數(shù)值模擬大多依賴(lài)于 OFFPIPE 專(zhuān)業(yè)鋪管軟件［1］；除了使用OFFPIPE軟件，懸鏈線法也是一種較常用的方法，國(guó)內(nèi)外也有很多學(xué)者采用該法對(duì)J型鋪管做了較為全面的分析和計(jì)算［2］。如Gu［3］提出了用擴(kuò)展的懸鏈線法模擬逼近型鋪管的垂彎段，通過(guò)算例分析證明了該法的有效性和正確性，龔等［4］分別采用自然懸鏈線和剛懸鏈線理論分別計(jì)算了海底管道型鋪設(shè)的形態(tài)，Croll［5］將修正的管道端部邊界層理論和懸鏈線理論結(jié)合起來(lái)，改善了管道端部的計(jì)算精度。懸鏈線理論將管道假設(shè)為質(zhì)量按長(zhǎng)度均勻分布的梁，但實(shí)際中的管道鋪設(shè)時(shí)質(zhì)量分布并不是均勻的，從而影響了計(jì)算結(jié)果的精度。

本文提出了一種新的模擬方法，該方法完全摒棄了懸鏈線理論。鋪管過(guò)程中，船和管道整體的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為勻速運(yùn)動(dòng)，因此決定管道形態(tài)的主要因素不是鋪管船的速度，而是鋪管船施加給管道的張緊力，基于這種思想，在有限元模型中，通過(guò)改變管道落地端的位移控制鋪管船張緊力，獲得不同張緊力大小下的不同管道鋪設(shè)形態(tài)，找出管道鋪設(shè)的正常形態(tài)，得到相應(yīng)的鋪管船張緊力允許范圍。

1　有限元模型

1.1幾何模型

托管架模型參照了中國(guó)海洋石油工程股份有限公司的深水鋪管船DPV7500，對(duì) DPV7500的托管架設(shè)計(jì)而言，在深水鋪設(shè)的情況下，其脫離角度達(dá)到82.2°，需要提供的曲率半徑為73m，托管架應(yīng)形成70°的圓弧。這里主要考慮的是管道的應(yīng)力應(yīng)變，因此在有限元模型中將托管架簡(jiǎn)化為鋼性面，有限元模型如圖1、2所示。

圖1　管道有限元模型

1.2單元?jiǎng)澐旨安牧蠀?shù)

單元采用剖面為環(huán)形的二次梁?jiǎn)卧?，管道外?00mm，壁厚10mm。托管架和平面 A為剛性平面。管道長(zhǎng)度為1 500m，劃分為500個(gè)單元。

1.3分析步驟

初始狀態(tài)時(shí)，管道平鋪在平面A上。

（1）第一個(gè)分析步設(shè)置管道與托管架和平面 A 的接觸屬性，并將管道的 M 端、托管架固定。

圖2　托管架模型

（2）第二個(gè)分析步給平面 A 施加-Z 方向的位移約束，使其下降到海底，下降深度為1 200m，并加載管道的濕重，該分析步完成后，有限元模型如圖3所示。

圖3　第三個(gè)分析步初始狀態(tài)

（3）第三個(gè)分析步施加管道 N 端的水平位移約束，該約束通過(guò) 40 個(gè)小步加載，逐漸調(diào)整管道垂彎段的曲率。

整個(gè)分析過(guò)程沒(méi)有考慮管道與海底間的摩擦，另一端的位移約束使管線產(chǎn)生了約束力，該約束力已經(jīng)包含了摩擦力的效果。

2　結(jié)果分析

分析結(jié)果如圖4～圖7所示：可以看出，隨著 N 端向+X方向移動(dòng)，管道垂彎段的曲率變小，管道 M 端的張緊力變大；管道彎曲曲率變小，減少了管道截面的橢圓化程度，但是隨著N端向+X 方向移動(dòng)，管道開(kāi)始逐漸脫離托管架，管道與托管架的接觸面積逐漸減少；這使得管道的局部應(yīng)力增大，有可能導(dǎo)致管道上端因?yàn)閼?yīng)力集中而失效。而且管道的軸向應(yīng)力的大小也可能超過(guò)屈服應(yīng)力的水平（為了方便計(jì)算，模型中對(duì)托管架做了平滑處理，沒(méi)有反映局部應(yīng)力的大小）。

圖4　管道與托管架分離臨界狀態(tài)管道整體結(jié)構(gòu)

圖5　管道與托管架分離臨界狀態(tài)管道頂部結(jié)構(gòu)

3　結(jié)論

管道的垂彎段的曲率是由鋪管船張緊力控制的，因此鋪管船張緊力應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，使管道截面的橢圓度符合要求，而管道又不會(huì)脫離托管架。

圖3為管道最大彎曲曲率狀態(tài)，此時(shí)的張緊力為最小張緊力，管道下端曲率小于上端曲率，符合管道曲率要求。圖4、圖5為管道脫離托管架的臨界狀態(tài)，此時(shí)的張緊力為最大允許張緊力。因此鋪管船張緊力范圍為364 624～476 816N。

圖6　管道與托管架分離狀態(tài)管道整體結(jié)構(gòu)

圖7　管道與托管架分離狀態(tài)管道頂部結(jié)構(gòu)

［1］ 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南 編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011：11-14.

［2］ 朱禮云.深水海底管道S型鋪管法安裝分析［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2011.

［3］ Gu Yongning.Analysis of pipeline behaviors during laying operation［J］. China Ocean Engineering，1989.

［4］ 龔順風(fēng)，陳源，金偉良，等.深水海底管道型鋪設(shè)形態(tài)分析［C］.//第十四屆中國(guó)海洋工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.內(nèi)蒙古：2009.

［5］ Croll L A.Bending boundary layers in tensioned cables and rods［J］. Journal of Engineering for Industry，ASME，1967.

收稿日期：2016-05-12

作者簡(jiǎn)介： 王友義（1992—），男，湖北潛江人，碩士研究生在讀，主要研究方向?yàn)楣こ塘W(xué)和油氣儲(chǔ)運(yùn)安全。

S-Lay Installation Analysis for Subsea Pipeline based on ABAQUS

Wang You-yi

Now，the numerical simulation of S-Lay Installation is mostly dependent on OFFPIPE.This paper proposes a new analysis method.Completely abandoned the catenary theory，the method is based on ABAQUS and gets different tension force from different pipe forms by changes the horizontal displacement on pipe fall to the ground.Then the good form of pipe is found and the tension force referring to is gotten.

subsea pipeline；S-lay pipe-laying；finite element method

TE973

A

1003-6490（2016）05-0035-02

2016-05-01

王強(qiáng)生（1979—），男，山西呂梁人，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作。