鋼制海管運輸擺放方式與聚乙烯涂層減薄分析

姜 鍵，姜宇超

（1.深圳中海油服深水技術有限公司，廣東 深圳 518066；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

通常運輸?shù)匿撝坪９荛L度為12.192 m，需要在作業(yè)船焊接后經(jīng)托管架鋪至海底，因為作業(yè)船的空間有限，并不能存放工程的所有海管，故需要運輸駁船將鋼制海管運輸至作業(yè)船[1]。運輸駁船與作業(yè)船的鋼制海管擺放方式存在著空間優(yōu)化問題，如果能提高作業(yè)船和運輸駁船的鋼制海管擺放數(shù)量，則會減少運輸駁船到作業(yè)船的往返航次，提高吊裝作業(yè)的連貫性，從而節(jié)約時間與運輸成本，提高整個工程的作業(yè)效率。

運輸駁船上的存管區(qū)擺放方式大致分為如下幾種：①上下放置墊木、對齊排列；②直接錯位放置；③放置在框架結構上。每種放置方式都有各自的優(yōu)缺點，本文研究的是上下放置墊木、對齊排列的形式。這種形式對鋼制海管外表面磨損較小，且堆疊層數(shù)更多，存放量更大。本文根據(jù)實際管材結構，把三層聚乙烯涂層與鋼制海管管體建模，模擬三層聚乙烯涂層是否會因擺放方式造成減薄、變形或是破損等情況。

1 理論依據(jù)與本構模型

1）理論依據(jù)。金屬材料的受力變形具有彈性變形規(guī)律，金屬材質(zhì)的變形程度和質(zhì)量、邊界條件設置等力學過程相關。船舶現(xiàn)場擺放鋼制海管往往受到風、浪、流的作用以及船舶的運動形態(tài)（如橫搖、艏艉傾、升沉6 個自由度）的影響，尤其在運動狀態(tài)中，鋼制海管的局部受力過大會導致塑性變形，對于鋼制海管的外對口器對接與焊接都有巨大影響，甚至影響到鋪管進度和鋪管質(zhì)量，為以后的海上作業(yè)埋下巨大風險隱患。鋼制海管在受力過程中會發(fā)生彈性、彈塑性和塑性變形，當判定受任意外力的鋼制海管的質(zhì)點進入塑性變形階段時，遵從屈服定理。

2）本構模型。目前有限元軟件的理論和計算精度相較從前有很大提高，結合傳統(tǒng)的理論計算與有限元數(shù)值模擬仿真對比，可以提出有效的管道布置方式，大大減少影響工程進度的隱藏風險。有限元數(shù)值模擬計算以材料的本構模型為理論基礎，在數(shù)值模擬計算中展現(xiàn)材料內(nèi)在力學性能的精確度尤為關鍵。

2 物理模型

本文對鋼制海管、聚乙烯涂層、墊木進行建模。一個單節(jié)點雙層鋼制海管長12.192 m，管下有5 塊墊木，管材垂直擺放，考慮到結構對稱，對模型進行簡化，鋼制海管簡化模型示意圖見圖1。本文簡化了鋼制海管接觸墊木段，其長為整條鋼制海管的1/5；模擬最下層鋼制海管在法向方向的受力情況，上墊木以上的鋼制海管簡化成對上墊木的載荷；將雙層鋼制海管的內(nèi)管進行簡化，簡化成壓強施加在鋼制海管外管內(nèi)壁上，作用面位于下半圓柱曲面。

圖1 鋼制海管簡化模型示意圖

鋼制海管模型材料的力學性能見表1。①接觸。墊木與聚乙烯涂層采用通用接觸，法向方向為硬接觸，切向方向沒有設置摩擦。②邊界條件。下墊木采用剛性固定；上墊木開放豎直自由度，其他自由度進行約束；鋼制海管和聚乙烯涂層建立綁定約束，且在邊緣處做6個自由度的約束。③載荷。在上墊木施加垂直向下的壓強；鋼制海管下內(nèi)壁施加垂直向下的壓強。

表1 鋼制海管模型材料的力學性能

本文模擬采用靜態(tài)分析，網(wǎng)格單元采用Standard-隱式，網(wǎng)格選項設置為C3D8R 八結點線性六面體單元、線性幾何階次、沙漏控制、減縮積分。

3 鋼制海管不同管徑的模擬計算

3.1 工況1

工況1 時鋼制海管的參數(shù)：內(nèi)管外徑323.9 mm，內(nèi)管壁厚15.9 mm，外管內(nèi)徑457 mm，外管壁厚12.7 mm，聚乙烯涂層厚度3.1 mm，內(nèi)管質(zhì)量1 472.67 kg，外管下內(nèi)壁施加壓強0.007 1 MPa，動態(tài)放大系數(shù)1.6。工況1的計算結果見表2。

表2 工況1的計算結果

5 層堆放的鋼制海管聚乙烯涂層受力云圖見圖2，5 層堆放的鋼制海管管體受力云圖見圖3，5 層堆放的鋼制海管聚乙烯涂層位移變化圖見圖4。由圖2 可知，聚乙烯涂層所受最大應力為227.1 MPa，由圖3 可知，鋼制海管內(nèi)管處最大應力為36.97 MPa，最大的變形量在聚乙烯涂層上，為法向-0.128 mm。因本模型關注點為聚乙烯涂層是否完好的情況，故將聚乙烯涂層與鋼制海管分開建模。雖然分開建模會導致力學傳遞受阻，但由圖3 可知，鋼制海管所承受的應力并不大，且集中在內(nèi)管下表面處與外管上表面處。由圖4可知，聚乙烯涂層有減薄情況，厚度減薄4%，作業(yè)現(xiàn)場觀察并無明顯變形。

圖2 5層堆放的鋼制海管聚乙烯涂層受力云圖

圖3 5層堆放的鋼制海管管體受力云圖

圖4 5層堆放的鋼制海管聚乙烯涂層位移變化圖

通過有限元模擬，可以發(fā)現(xiàn)層數(shù)多少對鋼制海管的影響并不大，而墊木受力也在承受范圍內(nèi)，但對聚乙烯涂層厚度影響比較大。計算得出：鋼制海管的堆放層數(shù)為4層時，聚乙烯涂層減薄3.2%；鋼制海管的堆放層數(shù)為6層時，聚乙烯涂層減薄4.9%。工況1下聚乙烯涂層變化與鋼制海管堆放層數(shù)關系見圖5，堆放層數(shù)越多，其聚乙烯涂層受損越嚴重。

圖5 工況1下聚乙烯涂層變化與鋼制海管堆放層數(shù)關系

3.2 工況2

工況2 時鋼制海管的參數(shù)：內(nèi)管外徑508 mm，內(nèi)管壁厚14.3 mm，外管內(nèi)徑610 mm，外管壁厚14.3 mm，聚乙烯涂層厚度3.1 mm，內(nèi)管質(zhì)量2 123.04 kg，外管下內(nèi)壁施加壓強0.010 23 MPa，動態(tài)放大系數(shù)1.6。工況2的計算結果見表3。

表3 工況2的計算結果

隨著鋼制海管管徑、厚度增大，質(zhì)量也隨之增大，聚乙烯涂層的減薄率也隨之增大。計算得出：鋼制海管的堆放層數(shù)為4 層時，聚乙烯涂層減薄4.7%；鋼制海管的堆放層數(shù)為5層時，聚乙烯涂層減薄6.2%；鋼制海管的堆放層數(shù)為6層時，聚乙烯涂層減薄7.4%。

3.3 工況3

工況3 時鋼制海管的參數(shù)：內(nèi)管外徑219.1 mm，內(nèi)管壁厚14.3 mm，外管內(nèi)徑323.9 mm，外管壁厚12.7 mm，聚乙烯涂層厚度3.1 mm，內(nèi)管質(zhì)量880.69 kg，外管下內(nèi)壁施加壓強0.004 2 MPa，動態(tài)放大系數(shù)1.6。工況3的計算結果見表4。

表4 工況3的計算結果

鋼制海管管徑減小，質(zhì)量減小，故聚乙烯涂層減薄率也相對降低。計算得出：鋼制海管的堆放層數(shù)為4 層時，聚乙烯涂層減薄2%；鋼制海管的堆放層數(shù)為5層時，聚乙烯涂層減薄2.5%；鋼制海管的堆放層數(shù)為6層時，聚乙烯涂層減薄3%。

4 結束語

通過簡化現(xiàn)場鋼制海管堆放模型，將聚乙烯涂層與鋼制海管分別建模，研究鋼制海管在不同層數(shù)堆放的情況下對聚乙烯涂層的影響。結果表明，鋼制海管的管徑越大、堆放層數(shù)越多，聚乙烯涂層的減薄率越大，即使是堆放4 層小管徑鋼制海管對聚乙烯涂層也有一定的影響，故提出如下解決方案：①對鋼制海管作用在墊木的地方放置一些緩沖物，保證接觸面積增大，減少應力集中造成的減薄情況；②在鋼制海管管道涂覆中考慮到不同層數(shù)堆放導致的聚乙烯涂層減薄受損情況，在涂覆中增加一些余量，保證防腐的完整性。