深水海底管道的抗壓潰屈曲性能試驗研究*

牛愛軍,牛 輝,苑清英,黃曉輝

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

深水海底管道的抗壓潰屈曲性能試驗研究*

牛愛軍1,2,牛 輝1,2,苑清英1,2,黃曉輝1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了明確深水海底管道的抗深水壓潰性能，防止管道發(fā)生壓潰屈曲及屈曲擴展破壞，采用有限元模擬及實物管件外壓測試試驗的方法，對開發(fā)的X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm規(guī)格深海用厚壁直縫埋弧焊接鋼管管件在35 MPa均布外壓載荷下的抗深水壓潰屈曲性能進行了試驗研究。深海高壓模擬試驗艙外壓測試試驗表明，管件在不承受內壓的條件下，最大外壓加載至35 MPa，并保壓15 min，管件無失穩(wěn)、凹陷或壓潰現象，管件的變形屬于彈性變形。研究結果表明，試驗管件的強度能夠承受35 MPa的靜態(tài)外壓載荷，具備抵抗相當于3 500 m水深的海底管道的壓潰屈曲能力。

深水海底管道；壓潰；屈曲；有限元分析；外壓

Abstract:In order to define the crushing resistance of deepwater submarine pipeline,prevent pipeline crushing buckling and buckling propagation destruction.The test research on resistance to crushing buckling performance of the developed X70 steel grade Φ914 mm×36.5 mm thick wall SAWL pipe fittings（used for deepwater submarine pipeline）were studied,at 35 MPa uniform external pressure loading,by adopting finite element simulation and real pipe fitting external pressure test.The external pressure test of deep-sea high pressure simulation experiment cabin showed that the maximum external pressure load to 35 MPa without internal pressure,and the pressure holding for 15 minutes,without unstability,concave or crushing phenomenon appeared on fittings and the deformation of fitting belongs to elastic deformation.The experiment results indicated that the strength of the test fittings can withstand 35 MPa static external pressure load,possesses the capacity of resistance to crushing buckling of submarine pipeline equivalent to 3 500 meters water depth.

Key words:deepwater submarine pipeline;crushing;bucking;finite element analysis;external pressure

近年來，世界石油勘探重點已由陸地轉向海洋、淺海轉向深海，深水和超深水的油氣資源的勘探開發(fā)已經成為世界油氣開采的重點領域，深水海底管道也已成為深海油氣開發(fā)工程的重要組成部分[1-2]。由于海洋環(huán)境的特殊性以及海上油氣生產的復雜性，在低溫、高壓、強腐蝕的海洋環(huán)境中的海底管道，不僅承受著內外壓力、軸向力、彎矩等靜載荷和溫度荷載的聯合作用，而且還要承受交變的外壓、腐蝕、波浪、海流等動載荷的作用，使管道承受著多種載荷的聯合作用并引發(fā)多種形式的破壞[3-4]。隨著海洋油氣資源勘探開發(fā)邁向深水和超深水海域，對海底油氣管道提出了更高的要求[5]。

壓潰屈曲及屈曲傳播是深水管道受外壓作用下產生的特有現象。當前，油氣管道在深海鋪設過程中的受力性能和屈曲失穩(wěn)引起了廣泛的關注，國內外學者對單層管在各種荷載組合作用下的屈曲失穩(wěn)已做了大量深入的研究[6-9]。海底管道承受著自重、外部靜水壓力、管道內外溫度差異引起的熱膨脹力、覆蓋物及海床作用力等諸多載荷，在多種載荷的聯合作用下，深水管道在自身缺陷和外力作用下可能發(fā)生局部的屈曲失穩(wěn)破壞，即管道的壓潰[10]。當這種壓潰發(fā)生后，若滿足一定條件還可能發(fā)生屈曲傳播，這不僅大大增加了管道修復所需的費用，同時也會對環(huán)境造成嚴重的影響[11-12]。完好管道從產生局部壓潰屈曲到屈曲擴展整個過程的立管截面變化過程如圖1[13]所示。研究表明，管道在深海極端環(huán)境中的穩(wěn)定性失效是其破壞的主要模式，一旦發(fā)生局部壓潰，將誘發(fā)屈曲傳播，導致管線整體失效，后果十分嚴重，因此防止管道壓潰失效是保障深海管道結構安全所必須要解決的關鍵問題[14]。

圖1 深水管道屈曲產生過程

為了增強抵抗屈曲的能力，深海管道在設計時一般選擇壁厚較大、管徑較小和尺寸精度高的鋼管[15]。因此，分析各種因素對管道靜水壓潰壓力的敏感性影響，從而在管道設計、制造、鋪設和運營過程中對這些敏感性因素進行合理的控制，具有重要的工程意義。本研究采用有限元模型計算及實物鋼管外壓試驗的方法，對開發(fā)的深海用X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm厚壁直縫埋弧焊管進行了35 MPa（相當于3 500 m水深壓力）均布外壓載荷下的抗深水壓潰性能試驗研究。

1 試驗鋼管的主要性能

試驗鋼管是采用JCOE制管工藝生產的X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm的直縫埋弧焊接鋼管，鋼管具有高強度、大壁厚、小徑厚比（D/t）等深海用管線鋼管的特性。鋼管管體及焊接接頭的力學性能性能檢測結果見表1和表2[16]。

表1 試驗用X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管拉伸性能

表2 試驗用X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管沖擊韌性（-20℃）

由表1和表2可以明顯看出，試驗鋼管具有高強度、高塑性和優(yōu)異的低溫韌性，符合DNVOS-F101《海底管線規(guī)范》的力學性能指標要求，滿足深海用管線鋼管在強度、塑性、韌性等方面的高性能要求。

2 靜水壓作用下鋼管壓潰數值模擬

采用ANSYS有限元分析軟件對靜水壓作用下鋼管的壓潰進行數值模擬分析。在試驗前，采用ANSYS特征值屈曲分析預測靜水壓作用下管件的壓潰載荷，將其作為試驗加載的參考值；得出試驗結果后，采用非線性屈曲分析模塊計算出精確結果并與試驗結果進行比較分析。

2.1 有限元建模

在對深水管道進行屈曲分析時，管道常常被模擬為圓環(huán)或圓柱殼。根據試件結構的對稱性，結合有限元分析特點，取管件的1/8模型進行有限元建模，如圖2所示。模型中A面、B面、C面均為模型的對稱面，施加了對稱約束，外表面施加35 MPa均布外壓，35 MPa為深海高壓模擬試驗艙的最大試驗載荷，試件內表面壓力為0。管件整體模型采用六面體網格劃分，單元數110 907，節(jié)點數434 821。

圖2 管件模型及邊界條件

2.2 有限元結果分析

根據管件結構特點建立柱坐標系，以管件中軸線為柱坐標系z軸，以管件徑向為柱坐標系x軸，圖3所示為管件在35 MPa內壓載荷下的應力分布情況。圖3（a）為軸向應力分布，除了端部封板的影響因素外，管件軸向應力為228 MPa均布壓應力。管件徑向應力如圖3（b）所示，管件徑向應力較小，并且沿管壁厚度方向由外向內逐漸減小。管件整體的Mises等效應力分布如圖4所示，管壁內側395 MPa，外壁334 MPa，最大應力發(fā)生在封板內側與管件的接縫位置，最大達到800 MPa，該位置應力急劇增大的原因主要是結構的不連續(xù)產生的彎曲應力。圖5為管件等效應變分布情況，管件內壁應變?yōu)?.002。圖6為管件變形分布情況，其中圖6（a）為徑向變形分布情況，管件徑向最大變形量約0.85 mm。圖6（b）為管件軸向變形分布情況，管件軸向最大變形量約1.05 mm。

圖3 試驗管件應力分布

圖4 試驗管件Mises等效應力

圖5 試驗管件Mises等效應變

圖6 試驗管件變形分布情況

根據管件材料力學性能，屈服強度最小值為492 MPa，抗拉強度最小值為628 MPa，而管件的最大等效應力為395 MPa，可判定其安全系數為1.25。由于封板附近最大等效應力達到803 MPa，針對該位置進行應力線性化分析，以應力變化梯度最大的方向建立路徑，該路徑上的薄膜應力為Pm=139.76 MPa，最大彎曲應力Pb=335.96 MPa，Pm+Pb=475.72 MPa≤1.25[σ]=615 MPa，滿足ASME Ⅷ應力分析設計法中的應力強度準則，因此管件能夠滿足在承受35 MPa外壓條件下的強度要求。

3 管道壓潰屈曲性能試驗

3.1 試驗設備

本研究X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm規(guī)格深海管線鋼管的外壓承載性能測試所使用的主要設備為深海高壓模擬試驗艙，該設備主要用于水深3 500 m以內產品的內、外部壓力試驗，設備的參數艙內容積為Φ2 500 mm×5 000 mm，模擬深海壓力0～35 MPa，壓力控制精度±2%，應變采集通道數為32。試驗所采用的應變采集儀型號為MX1615。

3.2 試驗管件

為了測試管件在單純承載外壓下的承壓性能，采用封板對測試鋼管兩端進行封堵，封板強度能夠滿足35 MPa的壓力載荷。為了確保試驗結果的真實性和準確性，以最大限度減弱端部封板對外壓測試的影響，試驗管件選用了較高的長徑比，同時考慮高壓試驗艙的空間尺寸，試驗管件的設計長度為3 600 mm，長徑比約為4∶1，試驗管件的結構如圖7所示。

圖7 試驗管件結構

3.3 試驗方案

外壓測試在深海高壓模擬試驗艙中進行，以清水為介質，試驗采用分級加壓方式進行，壓力分為6級，分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa和35 MPa，最終達到對艙內的海管試件施加35 MPa的均布外壓載荷，每級之間保壓時間為3 min，加至最高壓力35 MPa后，保壓15 min，要求在穩(wěn)壓期內的壓降不超過3%。

3.4 試驗準備

為了排除其他因素對管件抗壓潰屈曲性能測試的影響，采用內靜水壓試驗對管件的密封性和承壓性能進行了測試，內壓試驗最大試驗壓力設定為21 MPa。經計算分析，在最大內壓試驗載荷下管件產生的應力不超過材料的屈服強度時，不會導致管件的塑性變形。內壓驗證試驗采用400 MPa靜水壓試驗裝置進行加壓，試驗介質為清水，試驗壓力21 MPa，采用分級加壓方式逐級向管件內部施加水壓，壓力分為3級，分別為7 MPa、14 MPa和21 MPa，每級保壓時間均為3 min，內壓加載曲線如圖8所示。剛開始加壓時，由于管件內存在氣體，壓力波動相對較大，屬于正?，F象，隨著氣體的排出，壓力趨于穩(wěn)定。在整個內壓試驗過程中管件無明顯滲漏，證明了管件兩端封板的焊縫強度及密封性能滿足要求，可進行外壓試驗。

圖8 內壓加載曲線

通過試驗前的有限元理論分析可知，管件在受外壓載荷時，管壁的徑向應力和軸向應力較大，為應力主要分量，因此在管件外壁特定位置粘貼上帶有引線的耐壓防水性應變片，并用703硅橡膠對應變片進行了防護處理，應變片在管件上的布置如圖9所示。通過設備自帶的數據采集系統(tǒng)實時采集高壓艙內管件軸向應變和徑向應變載荷數據，以監(jiān)測管件在外壓作用下的力學響應情況。

圖9 應變片分布圖

3.5 外壓性能測試試驗

外壓測試試驗最大壓力設定為35 MPa，按照試驗方案分級加壓。管件的外壓加載曲線如圖10所示，試驗過程中在加壓至5 MPa后，保壓了約200 min，在保壓期間，最大壓降為0.05 MPa，僅有1%，充分證明了加壓的準確性。按照試驗方案進行分級加壓，加載至35 MPa后，保壓15 min，保壓期壓降約0.34 MPa。

圖10 外壓加載曲線

按照圖9所示的應變布置方案對應變片進行了編號，1號應變儀的前12個通道分別為管件12個測點的周向應變，2號應變儀的前12個通道分別為管件12個測點的軸向應變。在加壓過程中的各級保壓期間，對各測點的應變值進行了記錄，具體數據見表3和表4。

表3 試驗管件各分級壓力下的徑向應變數據

表4 試驗管件各分級壓力下的軸向應變數據

由于試驗管件承受的是均布外壓，為了進一步降低測試誤差，可將管件同一橫截面的測試值進行算術平均值化處理，由此可得出管件在承受35 MPa均布外壓時，中部橫截面徑向應變?yōu)?1 772 με，對應應力為-365 MPa，軸向應變?yōu)?588 με， 對應應力為-121 MPa， “-”號表明測試值為壓應力。另外，在高壓艙泄壓后，除了異常測點，其他實時應變數據基本都恢復到了初始值，表明管件在加壓過程中的變形量在彈性范圍內。

4 結 論

（1）具有高強度、大壁厚、小徑厚比（D/t）和高尺寸精度等特性的管線鋼管是增強深海管道抵抗壓潰屈曲能力的重要保證。

（2）對X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊接鋼管管件35 MPa外壓下的有限元模型分析結果表明，試驗管件強度能夠承受35 MPa的靜態(tài)外壓載荷。

（3）在深海高壓模擬試驗艙中對X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm規(guī)格直縫埋弧焊接鋼管管件進行承壓性能試驗，試驗結果表明，管件在不承受內壓的條件下，最大外壓加載至35 MPa，并保壓15 min，管件無失穩(wěn)、凹陷或壓潰現象，管件的變形屬于彈性變形，即表明試驗管件強度具備抵抗相當于3 500 m水深的海底管道的壓潰屈曲能力。

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Test Research on Resistance to Crushing and Buckling Behavior of Deepwater Submarine Pipeline

NIU Aijun1,2,NIU Hui1,2,YUAN Qingying1,2,HUANG Xiaohui1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi，China； 2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TG335.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.002

2017-01-03

編輯：黃蔚莉

國家高技術研究發(fā)展計劃（863）項目“深海高壓油氣輸運高強厚壁管材關鍵技術研究”（項目號2013AA09A219）。

牛愛軍 （1980—），男，漢，陜西武功人，高級工程師，主要從事油氣管材的新產品開發(fā)、新工藝、新技術研究工作。