深水柔性接頭有限元設(shè)計分析*

黎世龍， 候 靜， 劉保權(quán)， 馬美琴,石臣剛， 尹 婷， 孫建幫， 何 俊

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司，海南 海口 570000；2.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000；3.浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

2017年，我國石油的消費增長速度快速回升，但是國內(nèi)的原油產(chǎn)量卻已經(jīng)連續(xù)兩年下降，據(jù)估計我國全年的原油產(chǎn)量約為1.92億噸，同比下降了3.1%，而我國全年的原油表觀消費量約為6.1億噸，同比增長6%[1].隨著我國陸地的油氣資源逐漸枯竭，而新能源的開發(fā)利用短時期內(nèi)還無法有效替代化石燃料，因此我國把海上油氣資源開發(fā)作為能源戰(zhàn)略的重要支撐點[2-3].到目前為止，我國國內(nèi)還沒有成熟的關(guān)于深水柔性管接頭的研究體系，沒有可以完全自主設(shè)計、制造深水柔性管及其適配接頭的公司和機構(gòu)，國內(nèi)深水油氣資源開采項目也面臨著只能與國外廠商進行合作并承擔(dān)高昂項目支出的境遇.

在石油或天然氣等生產(chǎn)液運輸中，深水柔性接頭是運輸管道的關(guān)鍵組件，深水柔性接頭內(nèi)部彈性體是深水柔性接頭裝置的關(guān)鍵組件，深水柔性接頭內(nèi)部彈性體能夠顯著降低運輸管道之間的運動力，其可以靈活轉(zhuǎn)動，具有高抗壓性能，使石油或天然氣等生產(chǎn)液的運輸更安全，在高壓、低溫、高鹽環(huán)境等復(fù)雜工況下工作壽命至少在30年以上，并滿足300年的耐疲勞壽命[4-5].

為滿足深水柔性管接頭強度與疲勞壽命，對其進行相關(guān)的設(shè)計與有限元仿真，使其在規(guī)定的工況下滿足疲勞壽命要求.

1 有限元分析

1.1 橡膠層模型建立

1.1.1 橡膠材料選擇海洋溫度常年在-2 ℃到30 ℃，柔性接頭工作海域在20 m左右的深度，遠高于橡膠的玻璃化溫度，柔性管運輸?shù)墓ぷ饕簽槭突蛱烊粴獾壬a(chǎn)液，需要耐油性比較好的橡膠.表1為部分橡膠材料屬性，對于硅橡膠，拉伸強度和抗撕裂強度等機械性能較差，在常溫下其物理機械性能不及大多數(shù)合成橡膠；氟橡膠伸長率較低，僅有150%～300%，密度在橡膠中最大，且造價較高[6-7].相比較，丁腈橡膠耐油性極好，耐磨性較高，耐熱性好，黏結(jié)性強，對于柔性接頭的工作環(huán)境，能很好地滿足，故選用丁腈橡膠.

表1 橡膠材料屬性

1.1.2 材料參數(shù)仿真中使用的各項物理量數(shù)值單位如表2所示.

表2 物理量數(shù)值單位

仿真所選橡膠材料參數(shù)如表3所示.

表3 橡膠材料參數(shù)

橡膠的超彈性參數(shù)采用單軸拉伸、等雙軸拉伸、平面拉伸試驗數(shù)據(jù)擬合所得到的本構(gòu)模型[8]，能更加精確模擬橡膠的力學(xué)行為，如表4所示.

表4 超彈性模型

橡膠的黏彈性采用論文的Prony級數(shù)系數(shù)[9]，如表5所示.

表5 黏彈性本構(gòu)模型參數(shù)

1.1.3 橡膠層建模圖1為橡膠與加強板賦值后效果圖.在對橡膠層進行網(wǎng)格劃分時，考慮到橡膠層在軸向拉伸與旋轉(zhuǎn)時，橡膠層最外側(cè)變形最大，重點是對兩側(cè)橡膠更加精細地劃分單元體，總共劃分54個單元體，如圖2所示.再對兩側(cè)通過局部種子加密網(wǎng)格，產(chǎn)生質(zhì)量更好的網(wǎng)格，如圖3所示.指派網(wǎng)格控制屬性，上下兩側(cè)網(wǎng)格類型為六面體，采用掃掠-中性軸算法，得到圖2頂部所示的條形網(wǎng)格.中部層疊橡膠結(jié)構(gòu)比較簡單，網(wǎng)格類型為六面體，采用結(jié)構(gòu)的畫法，如圖2所示黑白相間部位.網(wǎng)格效果如圖4所示.

圖1 賦予材料屬性后橡膠層Fig.1 Rubber layer after giving material properties

圖2 劃分單元Fig.2 Division unit

圖3 局部種子設(shè)置 圖4 橡膠網(wǎng)格Fig.3 Partial seed setting Fig.4 Rubber grid

1.1.4 載荷與邊界條件設(shè)置為了提高計算效率，僅分析二分之一模型，分別對延伸管與橡膠層對稱平面采用沿x軸的對稱固定[9]；橡膠層上表面與延伸管接觸面采用綁定約束，橡膠層下表面與閥體采用綁定約束，閥體底部約束三個方向平動自由度與繞z軸的轉(zhuǎn)動自由度，橡膠層側(cè)面施加15 MPa的壓強模擬不可壓縮液體對橡膠的影響；對于初始溫度，考慮到橡膠傳熱較慢，故對于所有部件通過預(yù)定義場分別設(shè)置橡膠層溫度均為65 ℃，內(nèi)表面設(shè)置65 ℃溫度載荷，模擬柔性接頭在海洋環(huán)境下工作時的溫度變化以及溫度對橡膠的力學(xué)性能的影響，分別加載2 439.5 kN的軸向載荷與21.2°位移/轉(zhuǎn)角載荷于參考點上，進行強度計算.

1.2 螺栓、法蘭等模型建立

1.2.1 螺栓、法蘭等建模通過前期理論計算，螺栓需要的預(yù)緊力比較大，單個螺栓預(yù)緊力達到753 300 N，為防止出現(xiàn)壓潰法蘭的情況，同時模擬15 MPa工作壓力對密封圈的作用，故對上部分四分之一模型進行強度校核，整體三維模型如圖5所示.

圖5 上部分四分之一模型Fig.5 The upper quarter model

1.2.2 載荷與邊界條件設(shè)置因為螺栓直接擰入閥體內(nèi)的螺紋孔，無螺母與之配合，故螺栓與閥體螺紋孔采用綁定約束模擬螺栓連接.選擇載荷界面下的螺栓載荷選項，分別對每個螺栓進行加載，通過分割工具在螺栓上分割出加載界面，框選分割面，加載方法為施加力，大小為753 300 N.對于二分之一螺栓，所需要的施加力為完整螺栓的一半.

為方便施加液體壓強，密封圈簡化為矩形橫截面，分別對密封圈四個面設(shè)置接觸屬性，密封圈左側(cè)面施加15 MPa工作壓強.

1.3 壽命計算理論模型建立

對于橡膠破壞歷程，通常包含兩個清晰的過程:微裂紋形成、成核的微紋擴展直至失效.裂紋成核、生長、最后失效都可以在橡膠的斷裂機理中被明確定義，同時，有許多關(guān)于成核階段的觀點也非常值得關(guān)注.針對以上觀點，主要存在兩類預(yù)測橡膠疲勞壽命的方法：一類是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的裂紋萌生形成壽命法，另一類是基于斷裂力學(xué)理論的裂紋擴展壽命分析方法[10].前者旨在揭示橡膠元件某局部位置的應(yīng)力、應(yīng)變的變化歷程和該橡膠元件壽命的內(nèi)在聯(lián)系.后者關(guān)注于橡膠元件中某局部位置的微小裂紋的擴展過程及其對橡膠元件疲勞壽命的影響[11].

在fe-safe壽命分析軟件中，橡膠疲勞計算的核心理論為撕裂能法.撕裂能的概念，即裂紋每增長單位面積所需要的能量.這里采用該方法進行柔性接頭壽命分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠層分析結(jié)果

圖6為橡膠在垂直載荷下的應(yīng)力應(yīng)變圖，應(yīng)力集中在強化板上部分，數(shù)值遠低于強化板強度極限，屬于安全范圍，橡膠的破壞主要由應(yīng)變產(chǎn)生，而在垂向載荷下，最大處的對數(shù)應(yīng)變所對應(yīng)的伸長率也低于橡膠的斷裂伸長率，未出現(xiàn)破壞.

圖6 垂直載荷分析下結(jié)果Fig.6 Results under vertical load analysis

如圖7(a)所示，在21.2°轉(zhuǎn)角載荷下，加強板最大應(yīng)力為202.8 MPa，同理，圖7(b)為最大應(yīng)力為20 MPa時的橡膠應(yīng)力分布圖，個別位置加強板應(yīng)力超過20 MPa，橡膠整體應(yīng)力在20 MPa以下.圖8為橡膠應(yīng)變分布圖，最大應(yīng)變?yōu)?.99，均滿足安全要求.

圖7 21.2°轉(zhuǎn)角下應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution diagram at 21.2° rotation angle

圖8 21.2°轉(zhuǎn)角下應(yīng)變分布圖Fig.8 Strain distribution diagram at 21.2°rotation angle

圖9所示為21.2°時的扭矩值，因為分析模型為二分之一，故橡膠層的扭矩值為590 kN/m，根據(jù)提供的扭轉(zhuǎn)剛度曲線可得，21.2°時所需的扭矩為467 kN/m，誤差略大，為25.6 %，但較大的剛度設(shè)計能使結(jié)構(gòu)偏安全，因此橡膠體的扭轉(zhuǎn)剛度滿足工程設(shè)計需要.

圖9 21.2°轉(zhuǎn)角下扭矩圖Fig.9 Torque diagram at 21.2°angle

將Abaqus計算所得軸向載荷分析步與轉(zhuǎn)角載荷分析步的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果導(dǎo)入到fe-safe中，載入不同載荷下的應(yīng)力應(yīng)變值，按照工況中的加載次數(shù)分別設(shè)置不同的循環(huán)次數(shù)，最終所得的疲勞壽命結(jié)果如圖10(a)與圖9(b)所示.

圖10 橡膠與加強板壽命圖Fig.10 Life diagram of rubber and reinforcing plate

橡膠層最低壽命為3 998年，主要集中在上下內(nèi)側(cè)邊緣與中部局部集中區(qū)域，加強板壽命滿足使用年限，整體的疲勞壽命高于300年，達到設(shè)計要求.

2.2 螺栓、法蘭等分析結(jié)果

在螺栓預(yù)緊15 MPa工作壓強、軸向1 219 680 N(因為為四分之一模型，故軸向載荷為實際的四分之一)載荷工況下，法蘭應(yīng)力分布圖如圖11所示.

圖11 法蘭應(yīng)力分布圖Fig.11 Flange stress distribution diagram

應(yīng)力最大值為288.7 MPa，與理論計算314 MPa誤差為7.85 %，說明計算符合真實情況，且低于法蘭的屈服強度515 MPa，校核安全.

2.3 密封圈分析結(jié)果

密封圈應(yīng)變分布圖如圖12所示.

圖12 密封圈應(yīng)變圖 圖13 密封圈壽命

最大應(yīng)變?yōu)?.28，遠低于破壞所需應(yīng)變，校核安全.

2.4 整體壽命分析結(jié)果

按照Long Term Fatigue Load Histogram疲勞載荷工況進行計算，圖13為密封圈壽命為84 020年.如圖14所示，螺栓、法蘭因為在疲勞工況下應(yīng)力應(yīng)變幅值比變化很小，故壽命很長，未出現(xiàn)破壞，二者壽命均高于300年，滿足設(shè)計要求.因為外殼體結(jié)構(gòu)簡單，壁厚很厚，面與面之間過渡平滑，無結(jié)構(gòu)薄弱部分與應(yīng)力集中區(qū)域，整體偏向安全，故未將外殼體納入整體的疲勞計算.

圖14 整體疲勞壽命Fig.14 Overall fatigue life

3 結(jié)論

通過有限元仿真計算，柔性接頭整體的強度滿足設(shè)計要求，極限工況下各部件應(yīng)力、應(yīng)變均小于許用值.其中法蘭理論計算應(yīng)力為314 MPa，有限元仿真結(jié)果為287 MPa，誤差為7.85%，滿足工程設(shè)計需要.橡膠層21.2°時扭矩值為590 kN/m，與設(shè)計值467 kN/m誤差略大，為25.6%，但較大的剛度設(shè)計能使結(jié)構(gòu)偏安全，因此橡膠體的扭轉(zhuǎn)剛度滿足工程設(shè)計需要.橡膠體極限載荷下的軸向變形量仿真結(jié)果為1.267 mm，因此橡膠體的軸向剛度滿足工程設(shè)計需要.柔性接頭的整體壽命滿足設(shè)計要求，其中幾個關(guān)鍵部件壽命結(jié)果如下：(1)橡膠層最低壽命為3 998年，高于設(shè)計所需300年；(2)螺栓、法蘭應(yīng)力應(yīng)變幅值比變化很小，計算結(jié)果未出現(xiàn)破壞；(3)密封圈應(yīng)力應(yīng)變幅值比變化很小，計算結(jié)果為84 020年，不會出現(xiàn)失效.可見，柔性接頭滿足極限工況下各部件不破壞，疲勞工況下300年各部件不失效，故柔性接頭強度、剛度、壽命均滿足設(shè)計要求.