海底管道許用彎矩數(shù)值模擬分析

李 德，楊光升，李明濤，王中山，王成斌

中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

海底管道(以下簡稱“海管”)混凝土配重層為海管提供負浮力，防止海管在海底失穩(wěn)，同時對海管起起機械保護作用。海管鋪設(shè)施工過程中受海管彎曲變形影響，混凝土配重層容易出現(xiàn)環(huán)向裂紋，主要表現(xiàn)為垂直于管軸方向局部出現(xiàn)不同深度和寬度的裂紋，嚴重時裂紋延伸至整圈管壁，造成混凝土配重從鋼管上脫落，導(dǎo)致配重失效，并可能導(dǎo)致海管底拖施工時防腐層刮擦海底而受損，對海管鋪設(shè)質(zhì)量及后期運行帶來不利影響[1][2]。

本文以國外某在建海管項目為例，該項目技術(shù)文件要求對海管進行整管全尺寸軸向彎曲試驗，以確定混凝土配重層不發(fā)生斷裂破壞的許用彎矩。項目所在國沒有廠家能提供大管徑(42")、高壁厚的混凝土覆壁管進行彎曲試驗，需在全球范圍尋找合適資源進行此試驗，考慮到高昂的費用和周期，參考DNV 標準規(guī)范要求，利用有限元軟件ANSYS進行數(shù)值模擬仿真，計算該許用彎矩，并獲得業(yè)主批準，節(jié)約了時間和成本。

2.海管物理模型

2.1.海管接頭

海管直徑42"，單根長約12 m，混凝土配重層分三種不同厚度規(guī)格，分別為70 mm、80 mm、110 mm。海管接頭剖面示意圖如下圖1所示。

Figure 1.Offshore pipeline joint cross-section 圖1.海管接頭剖面圖

2.2.材料參數(shù)

海管鋼管、3PPL防腐層、混凝土配重的材料參數(shù)分別如表1、表2、表3所示。

Table 1.Steel pipe parameter 表1.鋼管參數(shù)[3][4][5]

Table 2.3PPL Anti-corrosion coating 表2.3PPL 防腐層參數(shù)[6][7]

Table 3.Concrete weight coating 表3.混凝土配重層參數(shù)[8][9]

依據(jù)標準DNVGL-RP-F105，混凝土楊氏模量與抗壓強度成以下關(guān)系：

其中：Eco為混凝土楊氏模量；σco為混凝土壓縮強度。

經(jīng)計算，混凝土配重層楊氏模量為33.274 Gpa。

3.海管許用彎矩理論計算

參考標準DNVGL-ST-F101，在不考慮其他因素的前提下，第一次發(fā)生混凝土壓裂時的平均過彎應(yīng)變?nèi)Q于管道剛度、混凝土配重層的強度和厚度、軸向力和防腐層抗剪強度。在不考慮其他因素的前提下，可假設(shè)混凝土破裂發(fā)生在混凝土中間層的應(yīng)變(在混凝土中間層受壓處)達到-0.2%時。根據(jù)線彈性理論，海管許用彎矩可由以下公式(1)計算：

其中：M為海管許用彎矩；EISTEEL為鋼的剛度值；EIACC為防腐層的剛度值；EICWC為混凝土配重層的剛度值；D為鋼管彎矩；tACC防腐層厚度；tCWC混凝土配重層厚度；εCWC混凝土中間面的許用應(yīng)變值。

根據(jù)表1、表2、表3中各參數(shù)值，分別計算三種不能壁厚混凝土配重層的許用彎矩值如下表4所示。

Table 4.Allowable bending moments based on liner elastic theory 表4.基于線彈性理論的許用彎矩計算

4.有限元建模及計算結(jié)果

4.1.有限元網(wǎng)格劃分及單元類型選取

由于海管具有軸對稱性，文中有限元分析采用軸對稱模型，取管道的1/4建模。約束對稱面的法向位移和旋轉(zhuǎn)位移。

鋼管采用二次殼單元，鋼和防腐涂層采用分層殼單元，混凝土配重層采用獨立殼單元，在90°扇形的圓周方向上布置10個節(jié)點，殼單元方向因子設(shè)置為2.0，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

Figure 2.FE mesh dividing 圖2.有限元網(wǎng)格劃分

4.2.材料物理性能參數(shù)(表5)

Table 5.Material properties表5.材料屬性

4.3.邊界條件

采用剛性單元在管接頭兩端施加彎矩，不考慮其他負載。根據(jù)DNV 標準DNVGL-ST-F101，對于混凝土配重層厚度大于40 mm 的海管，當海底管道混凝土配重中間層壓應(yīng)變達到-0.2%時混凝土配重層破裂。

3LPP防腐層與混凝土配重接觸假定為粘結(jié)，允許混凝土配重層切向脫粘，且忽略混凝土滑動對海管彎矩變化的影響。脫粘參數(shù)如下表6所示。

Table 6.Debonding properties 表6.脫粘參數(shù)

模型分析考慮材料非線性和脫粘效應(yīng)。利用ANSYS進行模擬仿真。求解參數(shù)如表7所示。

Table 7.FE solution parameter 表7.有限元求解參數(shù)

4.4.有限元模擬結(jié)果與分析

Table 8.Allowable bending momentsbased on non-linear FEsimulations表8.基于非線性有限元模擬的許用彎矩

基于非線性有限元模擬的許用彎矩計算結(jié)果如上表8所示，結(jié)合表4中線彈性理論計算的結(jié)果進行對比分析，知非線性有限元分析模擬計算的許用彎矩值低于線彈性理論計算的許用彎矩。許用彎矩應(yīng)取兩者中的小者,故海管許用彎矩如表8中所示。

5.結(jié)論及建議

結(jié)論：

本文基于混凝土配重層不發(fā)生壓裂時的最大應(yīng)變值這一邊界條件建立有限元模型，分析了三種不同壁厚的混凝土配重海管的許用彎矩，為海管施工中海管許用彎矩的參考依據(jù)。

建議：

施工中建議根據(jù)實際水深實時監(jiān)控海管鋪設(shè)張力，及時調(diào)整托管架的角度，增大鋪管的半徑，必要時增加浮筒等設(shè)施，減少鋪管的彎曲度，避免應(yīng)力集中，對海管彎曲狀態(tài)和實時彎矩值進行監(jiān)控，防止海管混凝土配重層產(chǎn)生裂紋甚至脫落。