新型非黏結(jié)柔性管接頭的設(shè)計(jì)和分析研究

楊保成，遲 明，王少鵬，朱克強(qiáng)，張宗政

(1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 德陽 618000；2. 杭州歐佩亞海洋工程有限公司，浙江 杭州 310012；3. 寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

新型非黏結(jié)柔性管接頭的設(shè)計(jì)和分析研究

楊保成1，遲 明2，王少鵬3，朱克強(qiáng)3，張宗政2

(1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 德陽 618000；2. 杭州歐佩亞海洋工程有限公司，浙江 杭州 310012；3. 寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

針對(duì)傳統(tǒng)非黏結(jié)柔性管接頭安裝時(shí)，由外管套扣壓變形而引起的接頭排氣孔變形問題，研制了新型非黏結(jié)柔性管接頭，不僅避免了排氣孔的變形，而且提高了排氣孔處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)管接頭的扣壓過程進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)比分析結(jié)果，驗(yàn)證了新型管接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有效，從而為非黏結(jié)柔性管接頭設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；可靠性；非黏結(jié)柔性管接頭；排氣孔

Abstract: This paper addresses the problem of vent port deformation during installation of traditional unbonded flexible pipe end fittings. A new end fitting is designed to avoid the vent port deformation and improve the vent port structural strength. ABAQUS is used to analyse the process of fitting connection. By comparing the analyse results, the structural design is proven to be feasible. Therefore, this paper may provide a valuable technical reference for design of unbonded flexible pipe end fitting.

Keywords: local structure strength; reliability; unbonded flexible pipe end fitting; vent port

非黏結(jié)柔性管是較之于剛性管而言的一種多層復(fù)合柔性管道，對(duì)應(yīng)于不同的環(huán)境要求，其中間加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)也會(huì)有不同的形式。如圖1所示，是一種應(yīng)用于淺?；蜿懙氐?層鋼帶加強(qiáng)柔性管[1]。其廣泛用于傳輸腐蝕性和非腐蝕性介質(zhì)，如油、氣、注入性化學(xué)品等。為防止因中間加強(qiáng)層間氣體聚集引起柔性管內(nèi)局部壓力的增加而發(fā)生爆裂，規(guī)范要求設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)，聚集的氣體必須通過鋼帶層間隙及端部接頭排放，因此在非黏結(jié)柔性管接頭上均須設(shè)有排氣閥孔[2]。

接頭是非黏結(jié)柔性管道終端的重要連接裝置，起到連接、密封和排氣的作用[3]。此類非黏結(jié)柔性管接頭均為按客戶要求專門設(shè)計(jì)制造，目前已在工程上應(yīng)用的接頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，由具有齒形特征的外套管和內(nèi)芯管組成，通過扣壓設(shè)備作用外套管與柔性管連接，排氣孔開設(shè)在接口外套管圓弧段，排氣機(jī)理如圖3所示。圖1至圖3中所對(duì)應(yīng)的接頭均為美國Flexsteel的中間接頭實(shí)體圖。

圖1 非黏結(jié)柔性管結(jié)構(gòu)[4]Fig. 1 Structure of unbonded flexible pipe

圖2 傳統(tǒng)管接頭結(jié)構(gòu)示意[1]Fig. 2 Structure diagram of traditional end fitting

圖3 接頭排氣原理[1]Fig. 3 Principle of end fitting gas venting

1 柔性管接頭結(jié)構(gòu)分析

運(yùn)用于輸油、氣管線系統(tǒng)的管接頭型式主要有端部接頭(圖2)和中間接頭(圖4)兩種。接頭的合理設(shè)計(jì)和正確安裝對(duì)于海洋石油開采運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要的作用[5]。

端部接頭多通過法蘭或直焊形式與輸油、氣裝置連接，于排氣孔處(圖2所示)安裝排氣閥，對(duì)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行收集處理。排氣孔在扣壓操作過程中極易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致排氣閥安裝不到位，存在氣體泄漏的隱患。

中間接頭用于連接兩條柔性管，由一對(duì)同規(guī)格的端部接頭焊接而成。為保證管道排氣系統(tǒng)的連續(xù)性，在接頭與柔性管扣壓完畢后通過焊接鋼管串聯(lián)排氣孔，如圖4所示。焊接過程中，必須保證產(chǎn)生的高溫對(duì)柔性管的質(zhì)量不會(huì)造成影響。實(shí)踐證明，該位置的焊接施工困難，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了一種新型管接頭，如圖5所示。該新型接頭相比傳統(tǒng)接頭增設(shè)了連接環(huán)，排氣孔開設(shè)在連接環(huán)上，與接頭內(nèi)腔相通，從而避免了管接頭在扣壓安裝過程中因排氣孔變形而造成的泄漏。同時(shí)，排氣孔采用螺紋結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單方便，避免了焊接造成的影響，大大提高了管線安裝的效率。

圖4 傳統(tǒng)中間管接頭結(jié)構(gòu)示意Fig. 4 Structure diagram of traditional coupling fitting

圖5 新型中間管接頭結(jié)構(gòu)示意Fig. 5 Structure diagram of new coupling fitting

下面將以傳統(tǒng)接頭和新型接頭為分析對(duì)象，探討新型接頭的扣壓性能和排氣孔開設(shè)位置的有效性。

2 有限元分析模型建立

在設(shè)計(jì)海洋柔性管接頭時(shí)，所有的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循API Spec．17J、API RP 17B以及機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)相關(guān)的要求[6]。

為獲得較為精確的分析結(jié)果，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件嚴(yán)格按照匹配4英寸非黏結(jié)柔性管的兩種接頭設(shè)計(jì)原型分別建立分析模型[7]。

2.1 接頭有限元模型

基于有限元分析軟件ABAQUS，根據(jù)管接頭結(jié)構(gòu)，忽略排氣孔，簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型，管接頭的有限元分析模型，如圖6所示，圖中標(biāo)記RP為排氣孔開設(shè)位置。

圖6 接頭有限元模型Fig. 6 FEM of end fitting

2.2 鋼制接頭材料特性

針對(duì)管接頭的選材，考慮海水環(huán)境對(duì)金屬接頭的腐蝕特點(diǎn)，選擇ANSI 316L不銹鋼，材料屬性如表1所示。316L不銹鋼的焊接特性良好，表面光潔，具有良好的耐腐蝕性[8]。

表1 鋼質(zhì)接頭材料屬性Tab. 1 Material property of steel end fitting

2.3 工況分析

為了分析管接頭安裝過程對(duì)排氣孔的影響，模擬管接頭扣壓過程，簡(jiǎn)化扣壓模具為解析剛體，如圖6所示右側(cè)豎線，與管接頭外套管接觸，無滑動(dòng)。同時(shí)，柔性管與管接頭之間定義接觸，柔性管內(nèi)外層均為高密度聚乙烯(HDPE)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知，其與鋼材靜摩擦系數(shù)為0.18。

2.4 載荷和邊界條件

2.4.1 載荷條件

根據(jù)管接頭設(shè)計(jì)的徑向扣壓量施加位移載荷。新型管接頭結(jié)構(gòu)僅對(duì)排氣孔處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，未改變其扣壓量，故兩者位移載荷一致。上述兩種管接頭的設(shè)計(jì)扣壓量均為2.5 mm。

2.4.2 邊界條件

管接頭在實(shí)際扣壓操作中不固定，由扣壓模具徑向抱緊對(duì)正，考慮模擬分析的需要，固定遠(yuǎn)離扣壓區(qū)域的接頭遠(yuǎn)端，既滿足分析要求，又不影響扣壓分析結(jié)果。

3 分析結(jié)果

通過ABAQUS軟件對(duì)管接頭扣壓過程的分析，對(duì)比兩種管接頭扣壓變形后的位移、應(yīng)力及應(yīng)變，驗(yàn)證新型接頭是否滿足設(shè)計(jì)要求；之后對(duì)比兩種管接頭排氣孔開設(shè)處的分析結(jié)果，研究扣壓操作對(duì)排氣孔的影響。

3.1 新型接頭設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析結(jié)果

兩種管接頭扣壓變形分析結(jié)果如表2所示。

表2 兩種管接頭扣壓變形后分析結(jié)果對(duì)比表Tab. 2 Analysis results of different type end fittings after swaging

由分析云圖7～9及對(duì)比表2可知，兩種管接頭外套管在2.5 mm徑向位移載荷作用下，Mises應(yīng)力均超過屈服應(yīng)力(170 MPa)已發(fā)生塑性變形，但最大塑性應(yīng)變均低于截面伸縮率25%，外套管未被破壞，滿足管接頭設(shè)計(jì)要求。由分析結(jié)果對(duì)比表可知，在同等扣壓量下，兩種管接頭各項(xiàng)分析結(jié)果幾乎相同，故新型管接頭與傳統(tǒng)接頭具有等同的扣壓性能。

圖7 管接頭在扣壓變形后的位移云圖Fig. 7 Displacement distribution of end fitting after swaging

圖8 管接頭在扣壓變形后的應(yīng)力云圖Fig. 8 Mises stresses distribution of end fitting after swaging

圖9 管接頭在扣壓變形后的塑性應(yīng)變?cè)茍DFig. 9 Plastic deformation distribution of end fitting after swaging

3.2 管接頭排氣孔處分析結(jié)果

根據(jù)管接頭扣壓變形后分析結(jié)果，分別提取兩種管接頭排氣孔處(RP標(biāo)記)分析結(jié)果，如表3所示。

表3 兩種管接頭排氣孔處扣壓變形后分析結(jié)果對(duì)比表Tab. 3 Analysis results of different type end fittings after swaging at the vent port area

由以上分析結(jié)果可知，傳統(tǒng)管接頭在排氣孔處應(yīng)力超過材料屈服應(yīng)力(170 MPa)，已發(fā)生塑性變形，將會(huì)造成開設(shè)在此處排氣孔的變形，從而影響密封效果。對(duì)比傳統(tǒng)管接頭，因新型管接頭排氣孔開設(shè)位置遠(yuǎn)離扣壓區(qū)域，開孔處應(yīng)力仍處于線彈性范圍，未發(fā)生塑性變形，提高了密封的可靠性。

3.3 管接頭排氣孔處局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

管接頭在工作過程中可能會(huì)遭受碰撞或落物沖擊等偶然載荷，為防止其排氣系統(tǒng)被破壞，要求排氣孔處能夠承受一定的外部載荷。為了研究?jī)煞N管接頭排氣孔處的承載能力，分別對(duì)兩種管接頭(有限元實(shí)體線彈性模型)排氣孔處施加相同的載荷，對(duì)比分析其應(yīng)力分布情況，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 在外力作用下管接頭排氣孔處的應(yīng)力云圖Fig. 10 Mises stress distribution of end fitting under external force at the vent port area

由以上分析云圖10可知，在相同外載荷作用下，新型管接頭排氣孔處比傳統(tǒng)管接頭具有更高的承載能力，能更有效地保障管接頭排氣系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié) 語

通過上述分析研究，可以得出以下結(jié)論：

1)對(duì)兩種管接頭扣壓過程的仿真結(jié)果對(duì)比分析，增設(shè)連接環(huán)的新型管接頭與傳統(tǒng)管接頭具有相同的扣壓性能；對(duì)排氣孔開設(shè)位置的對(duì)比分析，傳統(tǒng)管接頭排氣孔處在扣壓操作中已發(fā)生塑性變形，存在排氣孔被破壞的隱患，從而影響密封效果，而新型管接頭排氣孔開設(shè)在連接環(huán)，遠(yuǎn)離扣壓區(qū)域，對(duì)比傳統(tǒng)管接頭，扣壓操作對(duì)其幾乎沒有影響，仍處于線彈性范圍，未發(fā)生塑性變形，提高了密封的可靠性。

2)對(duì)兩種管接頭(有限元實(shí)體線彈性模型)排氣孔處施加相同的載荷，研究?jī)煞N管接頭排氣孔處的承載能力，分析表明新型管接頭開孔處比傳統(tǒng)管接頭具有更高的承載能力，能更有效地保障管接頭排氣系統(tǒng)的可靠性。

3)通過上述對(duì)比分析，驗(yàn)證了新型管接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有效[2,9]，不僅解決了管接頭扣壓操作中排氣孔變形的問題，而且有效地提高了排氣孔處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此設(shè)計(jì)可以為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)提供技術(shù)參考。

[1] Flexsteel pipe[ED/OL]. http://www.flexsteelpipe.com/products/flexsteel-pipe, 2015-03-15.

[2] API SPEC 17J, Specification for unbonded flexible pipe[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2014.

[3] 李翔云. 海洋非黏結(jié)柔性管道接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2014:1-12. (LI Xiangyun. Design and analysis of the joint structure of offshore unbonded flexible pipe[D]. Dalian: Dalian Universtiy of Technology, 2014:1-12. (in Chinese))

[4] HEGLER M A, HEATON A J. Pipe end fitting with improved venting: United States, US 2013/0291988 A1[P]. 2013-11-07.

[5] 田闊. 海洋柔性管道接頭數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2014:1-7. (TIAN Kuo. Digital design and manufacturing technlolgy of offshore flexible pipe joint[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014:1-7. (in Chinese))

[6] 毛凱慶. 海洋柔性管接頭設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2013:22-38. (MAO Kaiqing. Study on the key problems in the design of the flexible pipe joint[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2013:22-38. (in Chinese))

[7] ABAQUS. Abaqus scripting user’s manual 6.12[M]. SIMULIA Inc, 2012.

[8] SHARIATI M, KOLASANGIANI K, NOROUZI G, et al. Experimental study of SS316L cantilevered cylindrical shells under cyclic bending load[J]. Thin-Walled Structures, 2014, 82(82): 124-131.

[9] API RP 17B, Recommended practice for flexible pipe[S]. 4th ed. Washington: American Petroleum Institute, 2007.

Design and analysis of a new type unbonded flexible pipe end fitting

YANG Baocheng1, CHI Ming2, WANG Shaopeng3, ZHU Keqiang3, ZHANG Zongzheng2

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000,China; 2. Hangzhou OPR Offshore Engineering Co., Ltd., Hangzhou 310012, China; 3. Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

TE973.1

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.014

1005-9865(2016)06-0118-05

2015-09-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272160)

楊保成(1982-)，男，甘肅通渭人，碩士，講師，主要從事數(shù)控技術(shù)教學(xué)工作。

遲 明。E-mail: adct@163.com