海底不同材料的雙金屬?gòu)?fù)合管力學(xué)性能分析

王 維，余建星,2,3

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué) 天津市港口與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011）

引 言

深海油氣開(kāi)發(fā)中，油氣輸送結(jié)構(gòu)是重中之重。而由于在深海環(huán)境下，油氣輸送管道面臨著極端的環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件，在外力與自身缺陷的共同作用下會(huì)發(fā)生局部的失穩(wěn)破壞，即管道的壓潰。而管道的局部失穩(wěn)極易沿管道軸向傳播，造成管道的全線失效，帶來(lái)極大的危險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)深海油氣管道力學(xué)性能的研究對(duì)于深海油氣的開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。在深海油氣管道選材與應(yīng)用上，目前普遍采用的輸油氣管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)石油協(xié)會(huì)制定的API Spec 5L和挪威船級(jí)社制定的DNV OSF 101[1]，常見(jiàn)的深海油氣管道主要有碳鋼管、耐腐蝕雙金屬?gòu)?fù)合管兩類(lèi)[2]。在碳鋼方面，現(xiàn)今我國(guó)海底管道建設(shè)中普遍應(yīng)用的是X65鋼管，X70鋼管的應(yīng)用較少，常用于非酸性環(huán)境下[3]。而對(duì)于含有大量腐蝕介質(zhì)的石油天然氣，則需采用帶有防腐蝕內(nèi)襯的雙金屬?gòu)?fù)合管，內(nèi)襯層一般采用 316L奧氏體不銹鋼或2205雙相不銹鋼等耐腐蝕鋼材[4]。

雙金屬?gòu)?fù)合管是一種由內(nèi)抗腐蝕合金材料層和外碳鋼材料層復(fù)合而成的新型管材，其由兩種不同金屬材料構(gòu)成：在選擇外基管的時(shí)候，可以根據(jù)對(duì)輸送壓力的需求和對(duì)流量的需求選擇不同壁厚和通經(jīng)的碳鋼管材，比如可以選擇螺旋管、直縫焊管等[5]。管道的其他參數(shù)為：壁厚最少為2.5 mm，最高不超過(guò)50 mm，直徑最少為20 mm，最高不超過(guò)1 020 mm?？梢愿鶕?jù)需要選擇不同的內(nèi)襯管，比如是否需要具有耐腐蝕性等，因此可以選擇的材料為雙相不銹鋼、鎳基合金、奧氏體不銹鋼系列等?？梢愿鶕?jù)焊接工藝和內(nèi)襯管壁的使用壽命決定其厚度，一般最低為0.3 mm，最高不超過(guò)4 mm。在連接不同管層的時(shí)候是使用變形和連接技術(shù)完成的，通過(guò)使用該技術(shù)，可以結(jié)合兩種材料。所以，雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)合了外層碳鋼管的高強(qiáng)度和內(nèi)層合金材料的抗腐蝕性能，能很好地適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下的管道運(yùn)輸需求[6]。

1 靜載荷作用下不同材料管道力學(xué)性能分析

1.1 靜荷載作用下管線鋼管道模型

計(jì)算模型材料選取API X52以及API X65鋼材，長(zhǎng)度10 m，外徑325 mm，壁厚10 mm，橢圓度0.02。由于沒(méi)有偏心等缺陷，由對(duì)稱(chēng)性采取一半管長(zhǎng)（5 m）的1/4管道模型。為便于分析步的進(jìn)行，在模型下方添加一解析剛體平面。在加載與約束方面，荷載采用10 MPa均布荷載，在管道模型一端施加剛性約束，另一端對(duì)稱(chēng)面施加軸向約束，同時(shí)于各對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束。以 X65管道為例，在ABAQUS中建立實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 X65管道模型示意

模型網(wǎng)格單元采用線性減縮積分單元C3D8R，分析步采用靜態(tài)Riks分析步，運(yùn)行步數(shù)設(shè)置為100步，進(jìn)行模型的有限元分析運(yùn)算。用設(shè)定好的模型進(jìn)行有限元分析的運(yùn)算，模擬管道發(fā)生屈曲壓潰的過(guò)程。對(duì)稱(chēng)面處管道壓潰過(guò)程如圖2所示。

圖2 靜荷載作用下管道模型壓潰過(guò)程

在ABAQUS中輸出兩個(gè)模型的LPF曲線如圖3。LPF，即荷載比例系數(shù)（Load Proportionality Factors），指分析步當(dāng)前加載與設(shè)定荷載的比值，荷載比例系數(shù)與設(shè)定荷載的乘積即為模型當(dāng)前所受荷載大小。

圖3 管道模型LPF曲線

LPF曲線最大值處即為管道的壓潰壓力，經(jīng)取值計(jì)算得到X52與X65鋼管道壓潰時(shí)所受壓潰壓力為：

X52鋼管道Pc=0.816×10=8.16MPa

X65鋼管道Pc=0.848×10=8.48MPa

同時(shí)，選取管道壓潰處點(diǎn)，由ODB場(chǎng)變量輸出選項(xiàng)輸出節(jié)點(diǎn)位移隨分析步歷程變化的數(shù)據(jù)及曲線，如圖4所示。

圖4 鋼管道壓潰處節(jié)點(diǎn)位移變化曲線

隨后，對(duì)壓潰壓力及節(jié)點(diǎn)位移隨歷程變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

位移δ0，位移無(wú)量綱化：δ=2δ0/πR；

壓潰壓力Pc，壓潰壓力無(wú)量綱化：Pc/P0，其中P0=2σ0t/πD，σ0=448MPa。

經(jīng)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理，可以直觀的體現(xiàn)出管道在靜荷載下壓潰、屈曲傳播過(guò)程中的力與位移變化關(guān)系，以便于各模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析。

圖5 兩管線鋼管道壓力比—位移變化曲線

得到兩管線鋼管道壓力比—無(wú)量綱化位移變化曲線圖如圖5所示?？梢钥吹絏52管線鋼的力學(xué)性能弱于X65鋼管道。

1.2 靜荷載作用下雙金屬?gòu)?fù)合管模型

模型采取與管線鋼管道模型相同的尺寸，在內(nèi)側(cè)增加一1～4 mm的襯管層。襯管層材料選取316L奧氏體不銹鋼以及 2205雙相不銹鋼，基管材料為X65鋼。模型加載及約束條件與管線鋼管道模型一致，為模擬襯管與基管以冶金方式結(jié)合的狀況，在襯管與基管接觸面上設(shè)置綁定約束。如圖6所示，為襯管厚度2 mm時(shí)的雙金屬?gòu)?fù)合管模型。

同樣，模型網(wǎng)格單元采用 C3D8R單元，分析步設(shè)置為100步的靜態(tài)Riks分析步。建立襯管層材料分別為 316L奧氏體不銹鋼以及 2205雙相不銹鋼，襯管厚度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，共計(jì)8個(gè)模型進(jìn)行有限元分析運(yùn)算。

用設(shè)定好的8個(gè)模型進(jìn)行有限元分析的運(yùn)算，模擬管道發(fā)生屈曲壓潰的過(guò)程。以襯管材料為316L奧氏體不銹鋼、襯管厚度2 mm模型為例，對(duì)稱(chēng)面處管道壓潰過(guò)程如圖7所示。從應(yīng)力云圖中看到，基管與襯管在同一時(shí)間上所受應(yīng)力有明顯的差別。

同管線鋼管道模型一樣，對(duì)8個(gè)雙金屬?gòu)?fù)合管模型進(jìn)行荷載比例系數(shù)曲線以及壓潰點(diǎn)位移曲線的輸出，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到可供對(duì)比的數(shù)據(jù)與圖像。

圖6 雙金屬?gòu)?fù)合管模型示意

圖7 靜荷載作用下雙金屬?gòu)?fù)合管模型壓潰過(guò)程

1.3 靜荷載作用下各模型計(jì)算結(jié)果匯總

經(jīng) ABAQUS有限元數(shù)值模擬，輸出各模型的LPF曲線并找到其最大值，得到各管道模型壓潰壓力數(shù)值如表1所示。

表1 各管道壓潰壓力

繪制以X65鋼為基管材料、分別以316L奧氏體不銹鋼以及 2205雙相不銹鋼為襯管材料的雙金屬?gòu)?fù)合管壓潰壓力隨襯管厚度變化的折線，如圖8所示。從圖表對(duì)比中可以看到，不同材料襯管的存在會(huì)使管道的壓潰壓力有所降低，對(duì)管道壓潰屈曲過(guò)程中的性能也會(huì)有所影響。由于 2205雙相不銹鋼性能與X65鋼相似，故2205雙相不銹鋼襯管對(duì)管道性能影響較??；而 316L奧氏體不銹鋼相對(duì)于X65鋼力學(xué)性能較差，故對(duì)管道力學(xué)性能的削減也更加明顯。

圖8 管道壓潰壓力隨襯管厚度變化折線

保持管道的尺寸及襯管材料不變，將襯管厚度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的雙金屬?gòu)?fù)合管數(shù)據(jù)對(duì)比并繪制成曲線，如圖9所示。

可以看出，在出現(xiàn)壓潰前，不同厚度的襯管對(duì)管道性能幾乎沒(méi)有影響。隨著襯管厚度的增加，316L奧氏體不銹鋼襯管顯著降低了整體管道的壓潰壓力以及屈曲傳播過(guò)程中的抗壓能力。2205雙相不銹鋼襯管由于其材料力學(xué)性質(zhì)，影響并不十分明顯；而在屈曲傳播階段，由于 2205雙相不銹鋼的屈服極限略大于X65鋼材，襯管厚度的增加反而會(huì)對(duì)整體管道抵抗屈曲傳播的性能略有增強(qiáng)。2205雙相不銹鋼厚度的增加雖然使整體管道壓潰壓力有所減小，但其性能與X65鋼相差很小。

圖9 雙金屬?gòu)?fù)合管壓力比與無(wú)量綱化位移變化曲線

2 動(dòng)載荷作用下不同材料管道力學(xué)性能分析

2.1 動(dòng)荷載作用下管線鋼管道模型

建模同上節(jié)，分析步分為靜荷載與動(dòng)荷載兩個(gè)加載步進(jìn)行。經(jīng)過(guò)之前Riks靜水壓潰壓力計(jì)算，試驗(yàn)各管件的壓潰壓力分布在6.22～8.48 MPa之間，為研究動(dòng)力載荷對(duì)管道壓潰的作用，所施加的靜荷載不能超過(guò)靜壓潰壓力，因此設(shè)定靜荷載加載大小為 6 MPa，分析步設(shè)置為通用靜力分析步 Static General。

動(dòng)荷載方面，經(jīng)反復(fù)建模試驗(yàn)，最終選取一較合適的設(shè)置方式。動(dòng)荷載設(shè)置為均布于管壁，大小為12 MPa，幅值函數(shù)為F（t）=1-cos ωt的周期荷載，其中圓頻率ω=10 rad/s。分析步類(lèi)型為隱式動(dòng)力分析步Dynamic Implicit，本文主要研究的是管道受較大動(dòng)力載荷作用下的短時(shí)壓潰屈曲，故動(dòng)力分析步時(shí)長(zhǎng)可取較短的60 s。圖10為周期動(dòng)荷載壓力隨時(shí)間變化曲線（以前10 s為例）。

圖10 周期荷載隨時(shí)間變化曲線（前10 s）

用設(shè)定好的模型進(jìn)行有限元分析的運(yùn)算，模擬管道發(fā)生屈曲壓潰的過(guò)程。從 ABAQUS中輸出壓潰處位移關(guān)于時(shí)間變化的曲線及數(shù)據(jù)，如圖11所示。

圖11 X65管道模型壓潰點(diǎn)位移-時(shí)間曲線

為便于對(duì)比動(dòng)荷載對(duì)管道的影響，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。去除靜荷載加載步的加載時(shí)間及產(chǎn)生的微小形變，并對(duì)之后動(dòng)荷載作用下的位移進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到兩管道模型在動(dòng)荷載作用下60 s內(nèi)的無(wú)量綱化位移隨時(shí)間變化曲線，如圖12所示。

由圖可知X52鋼管道比X65管道更早出現(xiàn)壓潰，且最后的形變明顯大于X65鋼管道。

圖12 無(wú)量綱化位移隨時(shí)間變化曲線

2.2 動(dòng)荷載作用下管線鋼管道模型

建模同上節(jié)，分析步仍分為靜力分析步與隱式動(dòng)力分析步兩個(gè)加載步進(jìn)行，荷載大小、幅值曲線、圓頻率、加載時(shí)長(zhǎng)等具體設(shè)置同之前管線鋼管道模型一致。用設(shè)定好的模型進(jìn)行有限元分析的運(yùn)算，模擬管道發(fā)生屈曲壓潰的過(guò)程。以襯管厚度為2 mm的雙金屬?gòu)?fù)合管模型為例，管道壓潰過(guò)程如圖13所示。

同之前管線鋼管道模型一樣，對(duì)8個(gè)雙金屬?gòu)?fù)合管模型壓潰點(diǎn)處進(jìn)行位移-時(shí)間曲線的輸出，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到可供對(duì)比的數(shù)據(jù)與圖像。

圖13 動(dòng)荷載作用下管道壓潰過(guò)程（襯管厚度2 mm）

2.3 海底環(huán)境下各模型計(jì)算結(jié)果匯總

1）不同材料對(duì)管道力學(xué)性能的影響

對(duì)各襯管厚度下 316L奧氏體不銹鋼襯管與2205雙相不銹鋼襯管的雙金屬?gòu)?fù)合管，以及 X65鋼管道的無(wú)量綱化位移-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，如圖14所示。

圖14 不同厚度襯管的復(fù)合管位移隨時(shí)間變化曲線

通過(guò)與X65勻質(zhì)鋼管的對(duì)比中可以看出，襯管的存在會(huì)使管道力學(xué)性能有所減弱，壓潰的速率更快。而在同等的襯管厚度下，316L奧氏體不銹鋼材料襯管的管道壓潰相對(duì)于 2205雙相不銹鋼材料襯管的管道壓潰更快，其對(duì)管道整體力學(xué)性能的影響更大。

2）動(dòng)荷載下襯管厚度敏感性分析

在管道的尺寸及襯管材料保持不變的基礎(chǔ)上，將襯管厚度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的雙金屬?gòu)?fù)合管模型位移隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)對(duì)比并繪制成曲線，如圖15所示。

從圖中可以看到，316L奧氏體不銹鋼襯管層越厚，對(duì)管道性能的削減越明顯，管道壓潰越快；而2205雙相不銹鋼襯管層的存在雖然會(huì)對(duì)管道整體力學(xué)性能有所影響，但對(duì)襯管層厚度這一因素并不十分敏感，各曲線基本重合，差別極小。

圖15 襯管的雙金屬?gòu)?fù)合管位移隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié) 論

1）對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合管，一般襯管層材料采用不銹鋼材，強(qiáng)度要弱于基管層的碳素鋼材，故襯管層的存在會(huì)一定程度上削弱管道的強(qiáng)度。襯管層材料的性能與基管層材料差別越大，對(duì)管道整體力學(xué)性能的削弱也就越明顯。

2）在壁厚一定的基礎(chǔ)上，雙金屬?gòu)?fù)合管中襯管層厚度越大，使得襯管材料所占比重越大，管道強(qiáng)度也就越弱。對(duì)于與基管材料屬性差別較大的襯管材料，襯管厚度變化帶來(lái)的影響較為明顯；而對(duì)于與基管材料屬性差別較小的襯管材料，對(duì)襯管厚度的敏感性則較小。