基于ANSYS的裝配式管道海面鋪設(shè)強度分析

張冬梅，張世富，楊東宇，楊澤林

(中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 a.國家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心; b.油料系， 重慶 401331)

隨著世界各國對于海洋油氣資源開發(fā)的不斷重視，海上運油船作為海洋油氣資源輸轉(zhuǎn)的關(guān)鍵亦得以不斷發(fā)展[1]，且近年來運油船的運載能力顯著提升[2]。油船等大型海洋運油設(shè)備的應(yīng)急油料卸載一直是海洋油氣安全的重要研究方向[3-4]。目前，主要有軟質(zhì)管道以及鋼質(zhì)管道兩種卸載方式對運油船等大型海上運油設(shè)備進行應(yīng)急油料卸載。采用軟管輸送機動性較好，但管道在海面受波浪力、海流力、風(fēng)力等多種力的影響較大，管道受力狀況復(fù)雜，易產(chǎn)生大位移和變形。因此本文主要利用裝配式鋼質(zhì)管道進行應(yīng)急油料卸載。

由于海洋環(huán)境特殊，復(fù)雜鋼質(zhì)輸油管道海上沉放過程受各種載荷的影響較大，管線系統(tǒng)在工作過程中會受到相應(yīng)的阻礙。同時又由于海面管道處于波流力、海浪力、重力及浮力等共同作用[5-6]，且波流力是周期性變化的，因此在計算波浪力時需要依據(jù)相應(yīng)的折減系數(shù)對其進行計算，并且利用ANSYS對管道的應(yīng)力、應(yīng)變以及變形進行分析以判斷裝配式管道的安全狀態(tài)。

1 管道載荷分析計算

選用裝配式管道進行海面漂浮輸送時，管道所受載荷主要有波浪力、海流力、風(fēng)力、浮力以及自身的重力[7]，同時由于管道漂浮在海面時，整體并未全部浸沒在海中，導(dǎo)致其受力又有所不同，管道主要受力如圖1所示。

圖1 海面管道受力示意圖

要確保管線的固定，則要求在水平方向和垂直方向的受力平衡，即：

1.1 波浪力的計算

目前，主要利用孤立波理論、橢圓余弦波理論、斯托克斯波理論以及線性波理論等[8]用于計算海洋工程結(jié)構(gòu)物的受力。我國學(xué)者竺艷蓉根據(jù)波高H、波長L、水深d對波浪理論進行合適的選擇[7]，如表1所示。

表1 波浪理論劃分依據(jù)

本文按3級海況下采用裝配式管道輸送柴油為計算背景，管道及波浪參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 管道基本參數(shù)

表3 波浪參數(shù)

從表3中可以看出H/L≤0.2，因此本文選用線性波理論計算波的特性參數(shù)，再用Morison方程作為波浪力的計算公式。

水平方向：

(1)

垂直方向：

(2)

式中：FH為作用在管道上的單位長度橫向波浪力(N/m)；uc為海流橫向速度(m/s)；FL為作用在管道上的單位長度垂向波浪力(N/m)。

由于波浪力是隨時間呈現(xiàn)周期性變化的，且其峰值力作用的時間較短，因此在對管道進行力學(xué)性能分析時應(yīng)該進行適當(dāng)?shù)恼蹨p，本文根據(jù)Ch288—64規(guī)范對波浪力進行合理折減[9]，波浪力折減系數(shù)如表4所示。

表4 波浪力折減系數(shù)

本文設(shè)定海況的波長為15.8 m，同時管道實際長度遠大于海浪波長，因此本文可選用0.5做為折減系數(shù)。

表5 折減后的波浪載荷

根據(jù)本文設(shè)計對象所處海面深度，因此計算時裝配式管道海面空管漂流時在水平方向的單位長度波浪載荷分別為淺水區(qū)266.5 N/m、過渡區(qū)18.83 N/m、深水區(qū)11.09 N/m。

1.2 海上漂浮空管海流載荷計算

近岸海流的形成方式主要有兩種，其一是受海面上風(fēng)力影響，海水借著風(fēng)提供的動能進行運動，形成海流，這種運動會因為海水的黏滯性慢慢變緩，直至消失；其二是壓力場的影響，由于海水周圍環(huán)境時刻變化，周圍溫度及其鹽度的改變都會影響到本身密度的分布，導(dǎo)致海水中壓力場結(jié)構(gòu)的變化，使水中等壓面發(fā)生位移，與等勢面形成一定角度，從而產(chǎn)生攜帶海水流動的作用力，形成海流，通常這種力在水平方向。海流在近海岸的流動與波浪相比較緩慢，且速度、周期等參數(shù)變化較小，因此本文考慮海流在海水運動過程中是穩(wěn)定的，只對管線產(chǎn)生阻力作用。管線屬于圓形構(gòu)件，單位長度上海流載荷計算公式為

(3)

式中：FC為管線每米上的海流載荷；CC為阻力系數(shù)，垂直于管線軸線方向，大多為0.6～1.0，本文取1.0作為系數(shù)值；A為垂直于海流運動方向上的投影面積(m2)；uc為海流速度，根據(jù)近海岸文獻資料，本文取海流為1.5節(jié)，即0.75 m/s；ρ為海水密度。

空管漂浮在海面上時，其中有一部分管線露于海面上，另一部分在海面下，需知道管線在海面下方的投影面積，這樣計算海流載荷才會更加準(zhǔn)確。為此建立了海上漂浮空管漂浮模型，如圖2所示。

圖2 海上管線漂浮示意圖

空管情況下一根管線的質(zhì)量為管線加上連接器的質(zhì)量，為61 kg，本文取g為9.81 m/s2，一根管線長為6 m，則單位長度下管線的重力為

G=mg/l=61×9.81/6=99.735 N/m

(4)

當(dāng)管線完全沉入海中，求得浮力為

F浮=ρgD2π/4=195.37 N/m

(5)

從計算結(jié)果可以看出，管線的重力大約為完全浸入的最大浮力的一半。對于不同海域來講，海水密度會有大有小，浮力值會上下波動。求解出的h值與0.079 5 m基本相等，因此單位長度投影面積為0.079 5 m2。所以，海上漂浮空管的海流載荷為

0.079 5×0.752=22.43 N/m

(6)

1.3 海上漂浮空管風(fēng)載荷計算

從本文分析可知，管線系統(tǒng)在海面鋪設(shè)后有一半暴露在海面上，這樣管線就會受到風(fēng)力場帶來的影響。風(fēng)載荷是海洋工程結(jié)構(gòu)物所受的主要環(huán)境載荷之一，影響著管線系統(tǒng)的作業(yè)安全，計算時著重要考慮海面空管在風(fēng)力場中受風(fēng)面積及風(fēng)壓值等[10]，通過計算海面空管的風(fēng)壓值進一步求解風(fēng)載荷的大小。

空管上風(fēng)壓表達式為

P=0.613v2

(7)

式中v為海面風(fēng)速(m/s)，本文設(shè)計系統(tǒng)在3級海況下工作，根據(jù)世界氣象組織規(guī)定，本文設(shè)定海況下風(fēng)速考慮為6.7 m/s。因此，空管風(fēng)壓為

P=0.613×6.72=27.52 Pa

(8)

單位長度下空管風(fēng)載荷的計算式為

FS=Ch·Cs·S·P

(9)

式中:Ch為構(gòu)件在風(fēng)力場中的高度系數(shù)，即管線在海面上的高度；Cs為風(fēng)力場中構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)；S為海面空管在風(fēng)力場中的投影面積(m2)。

本文計算管線在海平面上的高度為0.079 5 m，根據(jù)海洋工程風(fēng)載荷系數(shù)規(guī)定，高度小于2 m時，Ch取0.64，管線屬于圓柱形構(gòu)件，Cs取0.5，設(shè)定風(fēng)力水平作用在管線上，因此風(fēng)載荷為

FS=0.64×0.5×0.079 5×27.52=0.7 N/m

(10)

2 有限元模擬

2.1 模型建立

本文選擇Mechanical中的Static Structural(靜態(tài)結(jié)構(gòu))來進行分析[11]，在Engineering Data下設(shè)置鋼質(zhì)輸油管線的材料，根據(jù)輸油管線規(guī)范，綜合海上實際鋪設(shè)情況，選擇鋼管為雙線性彈塑性模型，材料性能參數(shù)如表6所示。

表6 管線雙線性材料性能參數(shù)

在Geometry中建立管線靜力學(xué)分析模型，因為整個管線系統(tǒng)的受力情況是相同的，如果建立100根管線的模型，既浪費很多的前處理工作時間，也會增加計算難度。因此，模型建立時選用12根管線，每根管子的長度為6 m，共72 m，管線之間采用與其本身相同材質(zhì)的聯(lián)軸器連接，這樣建立的模型可以代表系統(tǒng)受力情況。在不同區(qū)域進行分析時，管線強度模型均采用相同的12根管線，只是載荷選取不同，管線鋪設(shè)模型如圖3所示。

圖3 管線鋪設(shè)模型

2.2 網(wǎng)格劃分

管線是對稱且相對簡單的模型，在分析中若畫成三維網(wǎng)格則，增加了難度，同時施加載荷很容易破壞網(wǎng)格，造成計算不準(zhǔn)確。本模型選用的是一維梁單元，通過mesh模塊對網(wǎng)格進行自動劃分，有限元網(wǎng)格大小為30 mm，節(jié)點數(shù)為4 833，單元數(shù)為2 416。管線模型長度較長，為了清晰顯示網(wǎng)格劃分情況，這里選取模型中的一段，如圖4所示。

圖4 管線網(wǎng)格劃分

2.3 載荷與約束施加

海上管線承受載荷運用本文載荷計算中的結(jié)果，模型總長為72 m，管線模型受到均布載荷，計算結(jié)果為：淺水區(qū)水平、垂直方向的波浪載荷分別為19 188 N和5 690.9 N；過渡區(qū)水平、垂直方向的波浪載荷為1 355.8 N和748.8 N；深水區(qū)水平、垂直方向的波浪載荷為798.48 N和686.88 N；海流載荷為1 615 N；風(fēng)載荷為50.4 N。

文獻研究結(jié)果表明，在4級海況下，淺水區(qū)的管跨不超過6 m，過渡區(qū)是18 m[10]。本系統(tǒng)海上漂浮階段是前期過程，在3級海況下，選用3個管線固定(即管跨18 m)的方式，這樣的做法合理，同時也會相應(yīng)減少海上工作量，即約束為每3根管子一固定，管線兩端同樣采用固定約束。載荷和約束施加如圖5所示。圖5中：X方向為管線所在軸線方向；Y為垂直于軸線的水平載荷方向；Z為垂直載荷方向。

3 結(jié)果分析

系統(tǒng)能否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素是管線在載荷的作用下的變形、應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果，取這3種求解圖分析。

1) 管線各區(qū)域變形結(jié)果

圖6為3種區(qū)域管線變形分布。從仿真結(jié)果可以看出：管線最大變形位置發(fā)生在錨固間中點處，淺水區(qū)為107.64 mm，過渡區(qū)為17.52 mm，深水區(qū)為14.156 mm。由撓度計算公式計算撓度值，水平和垂直方向載荷的算術(shù)平方和作為總載荷，可得：在錨固間距離為18 m時，淺水區(qū)計算后管線允許的最大撓度為570 mm，過渡區(qū)管線最大撓度為82 mm，深水區(qū)管線最大撓度為67 mm。因此，從理論上分析在此錨固方式下，管線在不同區(qū)域的變形均未超過最大值，處于安全狀態(tài)。

但在實際作業(yè)中，海上管線系統(tǒng)連接器最大可偏轉(zhuǎn)3°～4°，以4°為極限值作為管線的偏轉(zhuǎn)角度，在轉(zhuǎn)角較小時有sinθ=θ，再根據(jù)錨固點間的管線長度可以求出最大允許撓度值，計算后結(jié)果為627.8 mm，管線的變形遠小于最大允許撓度值。當(dāng)管線以加強連接器連接時，最大偏角為1°～2°，計算的最大允許撓度值為314 mm，同樣大于管線的最大變形值。因此，從變形結(jié)果來看，管線是安全的。

圖5 三種區(qū)域載荷與約束圖

圖6 三種區(qū)域管線變形分布

2) 管線各區(qū)域等效應(yīng)力分布結(jié)果

圖7為3種區(qū)域管線等效應(yīng)力分布圖。從仿真結(jié)果可得：管線系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力發(fā)生在錨固點處，其中淺水區(qū)、過渡區(qū)、深水區(qū)管線的最大應(yīng)力值分別為203.66、28.645、22.527 MPa。鋼管材料的屈服應(yīng)力為448 MPa，管線是安全的。

3) 管線各區(qū)域應(yīng)變結(jié)果

圖8為三種區(qū)域管線應(yīng)變分布。有限元模擬結(jié)果顯示：淺水區(qū)最大應(yīng)變值為0.000 97，過渡區(qū)最大應(yīng)變值為0.000 14，深水區(qū)最大應(yīng)變值為0.000 11。

在工程實際中，通常判定固體構(gòu)件是否超過極限的最主要標(biāo)準(zhǔn)就是等效應(yīng)力，認為在最不利的載荷條件下，應(yīng)力值如果在屈服應(yīng)力范圍內(nèi)，構(gòu)件就是安全的[12]。這種判定標(biāo)準(zhǔn)實施多年，但一些構(gòu)件在工程實踐中仍會出現(xiàn)斷裂或失效的狀況，因此還要依據(jù)應(yīng)變準(zhǔn)則對管線的安全與否進行檢驗。材料力學(xué)中應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系為

σ=Eε

(11)

解得

(12)

由此分析可得，模擬后的各區(qū)域管線最大應(yīng)變值均未超過屈服應(yīng)力下的最大應(yīng)變0.002 164，管線是安全的。

圖7 三種區(qū)域管線等效應(yīng)力分布

圖8 三種區(qū)域管線應(yīng)變分布

4 結(jié)論

本文主要分析了裝配式管道采用漂浮輸送進行油船應(yīng)急油料卸載時的受力狀態(tài)，并對管道影響較大的力進行了計算，然后利用ANSYS軟件進行海上漂浮空管的強度分析。分析結(jié)果表明：在采用每3根管線的長度錨固時，管道最大變形值為107.64 mm，最大應(yīng)力值為203.66 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.000 97，均未超過屈服極限值。研究結(jié)果說明采用的錨固距離是比較合理的，且從各個分析值可以看出均與管道的極限值有一定的差距，留有一定的安全余量，分析結(jié)果可為確定油船應(yīng)急油料卸載時管道的錨固距離及實際工程作業(yè)提供相關(guān)理論依據(jù)。