非黏結(jié)柔性立管疲勞損傷特性分析

任 鐵，宋磊建，沈志平，周 佳

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實驗室，上海 200240; 2. 中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

非黏結(jié)柔性立管疲勞損傷特性分析

任 鐵1, 2，宋磊建2，沈志平2，周 佳2

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實驗室，上海 200240; 2. 中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

對柔性立管的疲勞損傷特性進(jìn)行分析，探究抗拉層與抗壓層的疲勞特性，并分析彎曲加強(qiáng)器的存在與否對柔性立管疲勞損傷的影響。研究表明：柔性立管最內(nèi)層抗拉層上的疲勞損傷最大，從內(nèi)到外，抗拉層的疲勞損傷依次減?。豢箟簩邮艿降钠趽p傷遠(yuǎn)小于抗拉層的疲勞損傷；彎曲加強(qiáng)器的存在可以減小立管的疲勞損傷，并改變抗拉層疲勞危險點(diǎn)的位置。

柔性立管；疲勞損傷；抗拉層；抗壓層；彎曲加強(qiáng)器

海洋立管是連接浮體與海底井口的關(guān)鍵設(shè)備，通常分為鋼質(zhì)立管和柔性立管兩種，前者由金屬材料制成，后者由金屬和聚合物復(fù)合而成。典型的鋼質(zhì)立管為鋼制懸鏈線立管，雖然造價便宜，但觸底區(qū)域彎曲剛度大，在波浪載荷作用下極易發(fā)生屈曲和疲勞問題，且安裝和維護(hù)成本較高。而柔性立管彎曲柔性好，可以在保證軸向抗拉能力的同時，承受較大的彎曲變形，通過變形來抵御外界載荷[1]，同時剛度低可避免渦激振動產(chǎn)生的疲勞破壞，且安裝維護(hù)成本低、可回收反復(fù)利用。因此，現(xiàn)有海洋立管，特別是在動態(tài)立管的應(yīng)用中，約85%為柔性立管。我國柔性立管的研究和應(yīng)用起步較晚，目前流花11-1和陸豐13-1油田中已開始逐步應(yīng)用。

柔性立管是由多種結(jié)構(gòu)層組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外通常包括：骨架層、內(nèi)護(hù)套層、抗壓層、抗拉層、耐磨層和外護(hù)套層?？估瓕雍涂箟簩訛槁菪季值慕Y(jié)構(gòu)層，螺旋布局的空間幾何形狀、復(fù)雜的材料組成以及接觸滑移的影響使得柔性立管截面力學(xué)性能分析和疲勞計算變得格外困難。Zhang等[2]介紹了柔性立管抗拉鎧裝層在海洋環(huán)境載荷下的疲勞壽命、塌陷以及軸向壓縮的計算方法，并對抗壓鎧裝層自鎖結(jié)構(gòu)的有限元疲勞分析方法進(jìn)行了說明；Clayton等[3]單獨(dú)分析了立管的每一層，研究中約束柔性立管螺旋鋼帶在其局部坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)動，不過其采用的摩擦和接觸分析僅在一些假設(shè)條件下成立；Kraincanic等[4]對柔性立管單根螺旋鋼帶的滑移行為進(jìn)行了研究，在研究過程中假設(shè)內(nèi)壓在立管變形過程中保持不變，忽略立管的變形而引起的內(nèi)壓變化，動態(tài)摩擦系數(shù)和靜態(tài)摩擦系數(shù)相同，同時忽略了單根螺旋鋼帶的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度；Bahtui等[5]在其研究中，通過有限元軟件ABAQUS對非黏合柔性立管進(jìn)行了詳盡的數(shù)值模擬，通過設(shè)置接觸面的方式模擬了柔性立管上下層以及螺旋鋼帶之間的接觸，通過顯式動態(tài)分析進(jìn)行計算，得到的結(jié)果與解析解吻合良好，但是由于龐大的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)目使得計算極為耗時；姜豪[6]提出一個新的非黏結(jié)柔性立管簡化模型，在考慮摩擦和接觸等非線性特性，以及骨架層和抗壓層的沿軸向的彈性模量的條件下，運(yùn)用梁單元和殼單元簡化了建模。實驗研究的拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度結(jié)果與新建簡化模型計算結(jié)果的對比分析，驗證了所建簡化模型的可靠性；趙林等[7]通過查閱API系列規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了海洋立管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實際運(yùn)營中所受循環(huán)荷載效應(yīng)，通過對海洋立管進(jìn)行疲勞分析、疲勞試驗、疲勞試驗失效檢測及驗收標(biāo)準(zhǔn)等方面的分析探討，最終形成一套驗證海洋柔性立管性能及其可靠性的系統(tǒng)方法；唐猛[8]對基于全尺寸疲勞試驗的海洋柔性立管的安全可靠性進(jìn)行了研究。

柔性立管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計和分析難度大，目前，柔性立管的生產(chǎn)和設(shè)計僅限于國外的少數(shù)公司，如Well Stream，Technip以及NKT等。國內(nèi)針對柔性立管的研究和應(yīng)用起步比較晚，柔性立管相關(guān)的設(shè)計分析技術(shù)、理論研究和制造技術(shù)比較落后。當(dāng)前，國家南海油氣開發(fā)大戰(zhàn)略正在不斷深入，同時國際石油價格不斷下跌也迫切要求降低油氣開采成本。在此大背景下，柔性立管的國產(chǎn)化可大幅降低其自身價格，再加上柔性立管安裝和維護(hù)成本低的優(yōu)勢，柔性立管正越來越多的受到國內(nèi)關(guān)注，我國也迫切需要掌握柔性立管的設(shè)計分析技術(shù)。

以某一柔性立管為例，應(yīng)用有限元軟件BFLEX對該柔性立管進(jìn)行疲勞分析，研究柔性立管抗拉層和抗壓層的疲勞特性以及彎曲加強(qiáng)器對立管疲勞損傷的影響，從而為我國南海油氣資源開發(fā)中柔性立管的應(yīng)用提供技術(shù)儲備。

1 柔性立管計算模型及疲勞載荷工況

1.1柔性立管截面組成

文中的柔性立管為非黏結(jié)性立管，由18層結(jié)構(gòu)物組成。其中，骨架層、抗壓層各一層，抗拉層為4層。同時包含一個絕熱層以保證立管管內(nèi)的溫度。表1給出了各結(jié)構(gòu)層的基本參數(shù)，其中抗拉層(Tenslayer-1)為最內(nèi)層抗拉層，而抗拉層(Tenslayer-4)為最外層抗拉層。表2給出了各結(jié)構(gòu)層的材料性質(zhì)。

表1 柔性立管各結(jié)構(gòu)層基本參數(shù)Tab. 1 Basic properties of each structure layer (mm)

(續(xù)表)

表2 立管各結(jié)構(gòu)層的材料性質(zhì)Tab. 2 Material properties of each layer

1.2彎曲加強(qiáng)器參數(shù)

實際的海洋油氣開發(fā)中，在柔性立管與海洋平臺連接點(diǎn)處，即立管的頂端，通常安裝有彎曲加強(qiáng)器，從而減小頂部平臺運(yùn)動引起的彎曲載荷對立管頂端的結(jié)構(gòu)損傷和疲勞損傷。表3給出了彎曲加強(qiáng)器的幾何尺寸值。

表3 彎曲加強(qiáng)器的幾何尺寸Tab. 3 Geometry of bending stiffener (m)

彎曲加強(qiáng)器通常由材料聚氨酯(PU)制造，其彈性楊氏模量通常取為68.5 MPa，在室溫為23℃時，其應(yīng)—應(yīng)變值如圖1所示。

圖1 彎曲加強(qiáng)器應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig. 1 Stress-strain curve of bending stiffener

1.3疲勞載荷工況

柔性立管的疲勞損傷主要包括：波致疲勞損傷和渦激振動引起的疲勞損傷。由平臺運(yùn)動以及波流力引起的波致疲勞損傷是立管疲勞損傷的主要來源。對柔性立管的波致疲勞損傷而言，立管頂端與平臺的連接點(diǎn)通常為疲勞危險點(diǎn)。在頂部平臺運(yùn)動及波流載荷作用下，立管承受的軸向張力、彎矩是影響立管疲勞主要的載荷。表4給出了用于計算立管頂端局部疲勞損傷的疲勞載荷工況，共14個工況，包括最大張力、最大/最小的角位移以及循環(huán)次數(shù)，其中角位移表示了立管承受的彎曲載荷。

表4 立管頂端局部疲勞分析載荷工況Tab. 4 Load matrix for fatigue analysis of the upend of the riser

1.4S-N曲線

在分析立管的疲勞損傷時，選取使得S-N曲線參數(shù)如表5所示[9]。

表5 S-N曲線參數(shù)Tab. 5 Parameter of the S-N curve

2 柔性立管疲勞分析有限元模型

采用有限元軟件BFLEX建立帶有彎曲加強(qiáng)器的柔性立管局部有限元模型，將表4中的疲勞載荷工況施加到此有限元模型上，從而獲得立管的疲勞損傷。有限元軟件BFLEX為挪威MARINTEK的SINTEF開發(fā)的一款專門用于柔性立管局部力學(xué)特性分析和疲勞分析的有限元軟件，該軟件可計算柔性立管各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力/應(yīng)變、位移及疲勞損傷[10]。

圖2為帶有彎曲加強(qiáng)器的柔性立管有限元模型示意圖。其中，立管模型的長度為15 m，彎曲加強(qiáng)器的長度為7 m。立管兩端的邊界條件為自由支持，彎曲加強(qiáng)器的左端與立管模型的左端剛性連接，而彎曲加強(qiáng)器的右端自由。立管與彎曲加強(qiáng)器均采用Pipe52單元進(jìn)行建模，單元長度均為0.05 m，立管與彎曲加強(qiáng)器之間的接觸作用采用Cont130單元進(jìn)行模擬。需要指出的是，從圖1中可以看出，彎曲加強(qiáng)器的材料聚氨酯為非線性材料。計算時為考慮彎曲加強(qiáng)器材料非線性性能的影響，在利用軟件BFLEX建立彎曲加強(qiáng)器的有限元模型時，將彎曲加強(qiáng)器的材料定義為非線性材料，根據(jù)圖1輸入應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，并在計算時打開非線性開關(guān)。

在計算表4給出的每組疲勞載荷工況作用下立管的疲勞損傷時，角位移施加在立管模型的左端，張力載荷施加在立管模型的右端。如圖2所示。對于每組工況，最大角位移與最小角位移之間包含40個載荷步。

圖2 帶有彎曲加強(qiáng)器的柔性立管有限元模型示意Fig. 2 Sketch of FEM model for the flexible riser with bending stiffener

3 結(jié)果分析與討論

3.1抗拉層疲勞分析結(jié)果

圖3給出了表4中的疲勞工況14作用下立管4層抗拉層的疲勞損傷沿立管軸向的分布云圖。

圖3 疲勞工況14作用下立管四層抗拉層的疲勞損傷沿立管軸向分布云圖Fig. 3 Distribution of fatigue along the riser's axis for 4 tensile armour layers in fatigue load case 14

從圖中可以看出，4層抗拉層的疲勞損傷主要發(fā)生在距立管頂端4.5～6 m之間。由于彎曲加強(qiáng)器的長度為7 m，因此立管抗拉層疲勞的最大點(diǎn)位于彎曲加強(qiáng)器的內(nèi)部、靠近彎曲加強(qiáng)器底部的位置處，而不是在立管的最頂端。因此，對于帶有彎曲加強(qiáng)器的柔性立管，雖然立管頂端，即與船體連接處的彎曲載荷最大，但是其疲勞損傷不是最大的。

圖4為所有載荷步下，彎曲曲率沿立管軸向的分布圖。從圖中可以看出，在立管4.5～6 m之間，立管彎曲曲率的變化幅值是最大的，這與立管各層抗拉層的疲勞損傷在立管軸向上的分布趨勢是一致的。立管彎曲曲率與疲勞之間的對應(yīng)關(guān)系表明了本計算模型的設(shè)置是合理的，計算結(jié)果可信。

圖4 各載荷步下彎曲曲率沿立管軸向的分布Fig. 4 Distribution of curvature along the riser's axis at each load step

表6給出了各疲勞載荷工況下立管各抗拉層的疲勞危險點(diǎn)處的疲勞損傷以及總的疲勞損傷。

表6 立管4層抗拉層疲勞危險點(diǎn)處的疲勞損傷Tab. 6 Fatigue damage of the four tensile armour layers at the fatigue’s dangerous point

表6顯示：從內(nèi)到外，4層抗拉層總的疲勞損傷分別為9.94×10-4、1.05×10-4、4.95×10-6和1.71×10-8；由內(nèi)到外，各抗拉層的疲勞損傷依次減小，最內(nèi)層抗拉層的疲勞損傷最大，最外層抗拉層的疲勞損傷最小。這是因為抗拉鎧裝層為螺旋結(jié)構(gòu)，在彎曲載荷的作用下，抗拉鎧裝層會產(chǎn)生滑移的趨勢，從而產(chǎn)生層間摩擦力，由于內(nèi)壓的作用，最內(nèi)層抗拉層受到的層間摩擦力最大，而最外層抗拉層受到的層間摩擦力最小。在軸向張力、彎曲載荷以及層間摩擦力作用下，螺旋鎧裝層的應(yīng)力可分解為沿螺旋方向的環(huán)向應(yīng)力、徑向應(yīng)力以及垂直螺旋方向和徑向的切向應(yīng)力。對于鋼制立管，其環(huán)向應(yīng)力垂直于立管的軸向方向，為彎曲載荷引起的，彎曲半徑越大，環(huán)向應(yīng)力越大。而對于螺旋結(jié)構(gòu)的抗拉鎧裝層，軸向張力、彎曲載荷以及摩擦力對環(huán)向應(yīng)力均有貢獻(xiàn)，且軸向張力對環(huán)向應(yīng)力的貢獻(xiàn)大于彎曲載荷。對于抗拉鎧裝層，由軸向張力和彎曲載荷引起的三個應(yīng)力分量基本相同，而最內(nèi)層抗拉層受到的層間摩擦力最大，因此由層間摩擦力導(dǎo)致的應(yīng)力也最大，從而使得最內(nèi)層抗拉層的疲勞損傷最大。上述結(jié)論表明：在對柔性立管進(jìn)行疲勞分析時，通常只需關(guān)注立管最內(nèi)層抗拉層的疲勞損傷值。

3.2抗壓層與抗拉層疲勞損傷對比分析

圖5為各疲勞工況下立管最外層抗拉層及抗壓層的疲勞應(yīng)力幅值。從圖中可以看出，在同一疲勞工況下，抗壓層的疲勞應(yīng)力幅值遠(yuǎn)小于立管最外層抗拉層的應(yīng)力幅值，這表明在同樣的疲勞工況下，抗壓層所承受的疲勞損傷遠(yuǎn)小于立管最外層抗拉層的疲勞損傷。結(jié)合3.1節(jié)的結(jié)論可知，在分析柔性立管的疲勞損傷時，通常只需要關(guān)注立管最內(nèi)層抗拉層的疲勞損傷。

圖5 各疲勞工況下立管最外層抗拉層及抗壓層的疲勞應(yīng)力幅值Fig. 5 Fatigue stress range of the outermost tensile armour and pressure armour in different fatigue load cases

3.3彎曲加強(qiáng)器對立管疲勞損傷的影響

為了研究彎曲加強(qiáng)器的存在對柔性立管疲勞損傷造成的影響，在BFLEX中建立不帶彎曲加強(qiáng)器的柔性立管模型，并將表4中的疲勞工況14施加在模型上，計算柔性立管各抗拉層的疲勞損傷。

表7給出了疲勞工況14作用下有無彎曲加強(qiáng)器時立管各抗拉層的疲勞損傷。從表7可以看出，柔性立管在有無彎曲加強(qiáng)器時，最內(nèi)層抗拉層上的疲勞損傷都是最大的，且由內(nèi)到外，抗拉層上的疲勞損傷都是減小的。但是，在沒有彎曲加強(qiáng)器的情況下，立管各抗拉層的疲勞損傷遠(yuǎn)大于有彎曲加強(qiáng)器下的疲勞損傷。

圖6給出了有無彎曲加強(qiáng)器存在下柔性立管最內(nèi)層抗拉層的疲勞損傷沿立管軸向的分布云圖。從圖6可以看出，在沒有彎曲加強(qiáng)器存在的情況下，立管抗拉層疲勞損傷最大值點(diǎn)發(fā)生在立管的最頂端，也就是與船體的連接處，沿著立管的軸向向下，疲勞損傷迅速減小。這與有彎曲加強(qiáng)器存在的情況下立管疲勞損傷的分布是不同的。

圖6 有無彎曲加強(qiáng)器時立管最內(nèi)層抗拉層的疲勞損傷分布云圖Fig. 6 Distribution of the fatigue for the innermost tensile armour layer with/without bending stiffener

4 結(jié) 語

利用有限元軟件BFLEX對柔性立管的疲勞損傷特性進(jìn)行了分析，探究了立管抗拉層與抗壓層的疲勞特性，同時分析了彎曲加強(qiáng)器的存在與否對柔性立管疲勞損傷的影響，得到如下結(jié)論：

1) 柔性立管最內(nèi)層抗拉層上的疲勞損傷最大，且從內(nèi)到外，抗拉層上的疲勞損傷依次減小，最內(nèi)層抗拉層上的疲勞壽命決定著整條立管的疲勞壽命；

2) 同樣的疲勞載荷工況下，抗壓層受到的疲勞損傷遠(yuǎn)小于抗拉層的疲勞損傷，在分析柔性立管的疲勞壽命時，可忽略對抗壓層疲勞壽命的分析；

3) 彎曲加強(qiáng)器的存在可以減小立管疲勞損傷，增加立管的疲勞壽命；

4) 彎曲加強(qiáng)器的存在會轉(zhuǎn)移立管疲勞危險點(diǎn)的位置，從頂端懸掛點(diǎn)轉(zhuǎn)移至靠近彎曲加強(qiáng)器末端，從而防止立管的頂端發(fā)生疲勞損傷集中，避免立管與船體的連接點(diǎn)發(fā)生疲勞破壞。

[1] 陳希恰. 深海柔性立管結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2014. (CHEN Xiqia. Analysis of the mechanical property for deepsea flexible riser[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2014. (in Chinese))

[2] ZHANG Y, CHEN B, QIU L, et al. State of the art analytical tools improve optimization of unbonded flexible pipes for deepwater environments[C]//Proceedings of the Offshore Technology Conference. 2003.

[3] CLAYDON P, COOK G, BROWN P A, et al. A theoretical approach to prediction of service life of unbonded flexible pipes under dynamic loading conditions[J]. Marine Structures, 1992, 5(5):399-429.

[4] KRAINCANIC I, KEBADZE E. Slip initiation and progression in helical armouring layers of unbonded flexible pipes and its effect on pipe bending behavior[J]. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 2001, 36(3):265-275.

[5] BAHTUI A, BAHAI H, ALFANO G. A finite element analysis for unbonded flexible risers under torsion[J]. Journal of Offshore Mechanics amp; Arctic Engineering, 2008, 130(4):169-173.

[6] 姜豪, 楊和振, 劉昊. 深海非粘結(jié)柔性立管簡化模型數(shù)值分析及實驗研究[J].中國艦船研究, 2013,8(1): 64-72. (JIANG Hao, YANG Hezhen, LIU Hao. Experimental and numerical analysis of a new simplified model for the deepwater unbonded flexible risers[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2013,8(1): 64-72. (in Chinese))

[7] 趙林, 段文靜. 海洋柔性立管疲勞試驗及其失效檢測探究[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報, 2016, 35(3): 109-114. (ZHAO Lin, DUAN Wenjing. Research on the fatigue test and detection method for marine flexible risers[J]. Journal of Ocean Technology, 2016, 35(3):109-114. (in Chinese))

[8] 唐猛. 基于全尺寸疲勞試驗的海洋柔性立管安全可靠性研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2014. (TANG Meng. Safety reliability research based on full-scale fatigue test of marine flexible riser[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2014. (in Chinese))

[9] API SPEC 17J, Specification for unbonded flexible pipe[S]. Washington D C: API Publishing Services, 2008.

Analysis of the fatigue characteristics of unbonded flexible riser

REN Tie1, 2, SONG Leijian2, SHEN Zhiping2, ZHOU Jia2

(1. State Key Lab of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design amp; Research Institute of China, Shanghai 200011,China)

In this study, the fatigue characteristics of a flexible riser were analyzed; the fatigue characteristics of tensile armor layer and pressure armor layer were studied and the effects of the bending stiffener on the fatigue damage of flexible riser were also investigated. The results show that the fatigue damage of the innermost tensile armor layer is the largest, and the fatigue damage reduces from inside layer to outside layer. Besides, the fatigue damage of the pressure armor layer is far less than that of the tensile armor layer. The existence of bending stiffener can decrease the riser fatigue damage and change the position of the fatigue’s dangerous point.

flexible riser; fatigue analysis; tensile armor layer; pressure armor layer; bending stiffener

1005-9865(2017)06-0101-08

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.012

2016-12-31

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項目“深海半潛式生產(chǎn)平臺總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究”

任 鐵(1985-)，男，碩士研究生，主要從事深水立管、平臺總體和結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究。

宋磊建(1987-)。E-mail: songleijian@163.com