用于PLET舷側(cè)安裝的懸掛接頭設計方法研究

張英、李旭、熊海榮、王波、任翠青

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

深水海管的終端設施PLET為海管連接其他水下設施提供接口，PLET的安裝方式一般有兩種，一種為隨海管通過作業(yè)線一同鋪設到海底，另一種方式為使用臨時拖拉封頭先將海管鋪設到海底，然后再將海管起吊并使用懸掛接頭將海管懸掛在鋪管船舷側(cè)，在懸掛過程中焊接PLET，再整體下放完成海管鋪設安裝。如果采用通過作業(yè)線整體鋪設的方式，PLET的設計和安裝要考慮其作業(yè)線的限制，PLET的尺寸和重量有相當?shù)南拗?，使PLET的設計和施工存在較大難度。所以對于深水海管（1000米水深以上）的PLET安裝，多采用舷側(cè)安裝方式。

懸掛接頭是PLET舷側(cè)安裝的關鍵部件，是將海管起吊后懸掛在鋪管船舷側(cè)的主要受力部件，承擔起吊后懸鏈線段海管的全部重量及由于環(huán)境條件和船體運動一起的運動載荷。因此懸掛接頭的工程設計是成功完成PLET舷側(cè)安裝的關鍵環(huán)節(jié)。本文以實際項目為例，研究懸掛接頭的初步形狀設計、強度分析及應力校核，可為在深水油田開發(fā)中海管設計提供一定的參考。

1 懸掛接頭初步形狀設計

典型的懸掛接頭如圖2所示：

圖1 PLET舷側(cè)安裝

圖2 懸掛接頭

其組成主要包括用于支撐的懸掛盤、加厚管段、錐形過度管段及連接管段，其中懸掛盤主要用于將提升段海管懸掛在舷側(cè)安裝設備上，承受管重引起的張力；加厚管段和錐形過度管段主要用于承受懸掛過程中的運動載荷引起彎矩。懸掛盤的尺寸主要根據(jù)懸掛設備接口確定，初步形狀設計主要是對錐形過度管段的錐形形狀進行初步設計。

懸掛接頭的抗彎強度性能主要依靠沿加厚管段和錐形過度管段長度變化的抗彎剛度，初步形狀設計實質(zhì)上是根據(jù)動態(tài)鋪設分析提供的設計載荷對接頭管段沿長度的最大抗彎剛度進行設計。首先確定用于接頭管段與海管連接位置的最大設計彎矩載荷M0，可通過數(shù)值方法在懸掛安裝動態(tài)分析中提取。如圖3的簡化分析系統(tǒng)，在彎矩M0作用下的轉(zhuǎn)角為θj，F(xiàn)0為端部剪切力：

圖3 懸掛接頭錐形過度形狀分析示意

根據(jù)不同位置最大彎曲應力保持相同的原則設計沿接頭過度段長度設計截面形狀的主要步驟推薦如下：

1）在懸掛安裝的動態(tài)分析中獲取管道和應力接頭連接位置的設計載荷，主要包括設計彎矩M0，設計剪切力F0，設計張力T0；

2）確定懸掛接頭與海管連接位置的設計轉(zhuǎn)角θj；

3）根據(jù)設計要求，設計選取應力接頭與立管連接處的曲率半徑和對應的抗彎剛度，通過式1/Rj0=M0/EIj0來估算，同時設計曲率半徑和抗彎剛度應依據(jù)最大可接受彎曲應力來設計，保證設計選定的端部彎曲應力滿足標準要求，最大彎曲應力由式σb=EDe0/2Rj0，并根據(jù)以上推導各式及設計原則，此彎曲應力沿應力接頭長度上通過不同的截面設計保持一致，其中Rj0為接頭與管道連接處的曲率半徑；

4）選定一個不同位置曲率半徑和外徑設計的固定比例值αj，滿足αj=RjL/Rj0=DeL/De0，一般由于接頭過度段為內(nèi)徑一致外徑不同的錐形形狀，外徑上的最大彎曲應力與外徑和曲率半徑的比例相關，如果沿接頭過度段長度位置上的外徑與曲率半徑比例為固定比例值，則最大的彎曲應力也保持不變。

5）根據(jù)式1，計算得到所需的應力接頭長度；

6）根據(jù)式2，計算得到沿接頭過度段設計長度各個位置所需的抗彎剛度，根據(jù)接頭過度段各個位置所需的抗彎剛度和固定比例αj得到的外徑，即得到接頭過度段和加厚段在的截面設計形狀；

式中kj0=√T0/EIj0，b=(αj-1)/Lj

以上步驟中的式2為理想的截面抗彎剛度函數(shù)，但目前實際項目中為了懸掛接頭的制造方便和通徑要求，一般會將懸掛接頭設計為內(nèi)徑與海管內(nèi)徑一致，在懸掛接頭連接段的外徑與壁厚與海管相同，單一斜率的錐形形狀。按照此設計原則不會保證在接頭過度段各個位置的彎曲應力完全一致，但兩者的差距也很小，可按照不超過最大允許彎曲應力的原則來對設計。

2 強度校核

根據(jù)第2章中的初步形狀設計方法，確定懸掛接頭的初步尺寸形狀，由于有限元分析方法，基于ASMEBPVCVIII.2中彈性應力分析方法進行應力分析和校核。

2.1 分析模型

可以使用ABAQUS或ANSYS建立有限元模型，由于懸掛接頭為對稱結(jié)構，可以建立一般模型并采用對稱邊界條件以提高計算效率。模型使用實體單元，并分段進行網(wǎng)格劃分，沿管段壁厚方向至少4個單元，在懸掛盤與支撐結(jié)構之間建立表面接觸，并將支持結(jié)構進行完全邊界約束。在懸掛接頭與海管連接處施加設計彎矩和軸向力。

2.2 強度校核標準

懸掛接頭的強度校核依據(jù)規(guī)范ASMEBPVCVIII.2，首先應確定懸掛接頭的關鍵應力路徑，并對每條關鍵應力路徑進行應力線性化，通過應力線性化獲得關鍵位置的膜應力和彎曲應力，一般膜應力是實體截面上的平均主應力，不包括幾何不連續(xù)性。局部膜應力是包括不連續(xù)性在內(nèi)的實體截面上的平均主應力。彎曲應力是主應力的一個分量，與到實體截面中心的距離成正比。得到一般膜應力、局部膜應力和彎曲應力后，根據(jù)表1進行的標準進行校核。

表1 應力校核標準

3 設計算例

3.1 算例參數(shù)

以一條1500米水深的12寸海管PLET舷側(cè)安裝為例，設計懸掛接接頭并進行強度校核。海管外徑為311.1mm，壁厚為20.6mm。首先基于鋪管船通過動態(tài)懸掛分析得到懸掛接頭與海管連接處的彎矩和軸向力，見表2：

表2 設計載荷

3.2 初步形狀設計結(jié)果

基于式1和式2，得到懸掛接頭的初步設計形狀見表3和圖4

表3 懸掛接頭形狀設計結(jié)果

懸掛盤寬度Collar Width mm 120圓角_1Fillet_1 mm 20x40圓角_2Fillet_1 mm 30x60與懸掛支撐結(jié)構間隙Clearance mm 5

圖4 懸掛接頭形狀示意

3.3 有限元模型

使用ABAQUS軟件，根據(jù)初步設計形狀建立實體模型，實體單元選擇C3D8R單元，同時在模型中建立支撐設備模型，用于建立懸掛盤與支撐設備接觸模擬，在支撐邊界施加完全固定邊界條件。有限元模型及坐標系統(tǒng)見圖5。將表2中的設計載荷施加在接頭底部，即與海管的連接處。其中彎矩方向為沿圖5中坐標系X軸順時針方向。

圖5 懸掛接頭有限元分析模型

3.4 有限元分析結(jié)果

通過有限元準靜態(tài)接觸分析模擬，懸掛接頭的峰值應力關鍵區(qū)域發(fā)生在接頭圓角過度和與懸掛設備發(fā)生接觸的區(qū)域。對峰值應力區(qū)域進行應力線性化后，獲得臨界區(qū)路徑中的局部膜應力和彎曲應力。關鍵區(qū)域及線性化路徑見圖6、圖7和圖8。

圖6 關鍵區(qū)域線性化路徑1

圖7 關鍵區(qū)域線性化路徑2

圖8 關鍵區(qū)域線性化路徑3

根據(jù)圖中的關鍵區(qū)域應力路徑進行應力線性化，線性化結(jié)果及校核標準見表4，需說明的是懸掛接頭一般采用整體鍛造的制造手段，最常選用材料等級為F65，其屈服應力為450MPa。

表4 懸掛接頭形狀設計結(jié)果

4 結(jié)論

本文著重研究了用于PLET舷側(cè)安裝的懸掛接頭的初步形狀設計、強度分析及應力校核方法。以實際1500米水深PLET舷側(cè)安裝項目為例，對懸掛接頭的形狀及強度進行設計，并得到如下結(jié)論：

(1) 懸掛接頭主要包括用于支撐的懸掛盤、加厚管段、錐形過度管段及連接管段，其中加厚管段、錐形過度管段承受動態(tài)彎矩的主要部分，初步形狀設計主要是對錐形過度管段的形狀進行初步設計；

(2) 懸掛接頭的初步形狀設計基于沿接頭長度不同位置最大彎曲應力保持相同的原則進行設計，且一般設計為內(nèi)徑與海管內(nèi)徑一致，在懸掛接頭連接段的外徑與壁厚與海管相同，單一斜率的錐形形狀；

(3) 懸掛接頭的峰值應力關鍵區(qū)域多發(fā)生在接頭圓角過度和與懸掛設備發(fā)生接觸的區(qū)域，強度校核應對關鍵區(qū)域應力路徑進行應力線性化后，針對膜應力和組合應力（膜應力+彎曲應力）分別進行校核。