深水SCR立管柔性連接接頭彎曲剛度研究

周慶兵 周慶濤 趙麗娟 周琳

摘 要：

鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭研制技術在國外發(fā)展已比較成熟，國內獨立開發(fā)的相關案例較少，及較少柔性接頭的設計制造能力?？紤]到立管頂端與平臺之間的連接部位要承受較大的交變彎矩和軸向拉力等復雜載荷作用，研究主要針對12-inch 鋼懸鏈線SCR立管的柔性連接接頭進行穩(wěn)態(tài)熱傳導分析以及各工況條件下的強度分析，對有限元模型進行建立并計算。結果表明，柔性接頭有限元模型幸存受損和水壓試驗過程中，螺栓應力值和主體應力值均在許用應力值以下，柔性接頭具有很強的可靠性及抗疲勞性。

關鍵詞：鋼懸鏈立管；柔性接頭；交變彎矩；軸向拉力；穩(wěn)態(tài)熱傳導分析

中圖分類號：TQ336.5

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0158-04

Research on bending stiffness of flexible joint of deep-water SCR riser

ZHOU Qingbing，ZHOU Qingtao，ZHAO Lijuan，ZHOU Lin

（Langfang Yongchun Industrial Products Co.，Ltd.，Langfang065099，Hebei China）

Abstract：The development technology of flexible joint of steel catenary riser （SCR） has been quite mature in foreign countries，but there is no independent development of relevant cases in China，and there is no ability to design and manufacture flexible joint.Considering that the connection between the top of the riser and the platform is subject to complex loads such as large alternating bending moment and axial tension，steady-state heat conduction analysis and strength analysis under various working conditions for the flexible joint of the 12-inch steel catenary SCR riser were conducted.The finite element model was established and calculated.The results show that the stress values of the bolt and the main body are below the allowable stress value in the process of surviving damage of the finite element model of the flexible joint and the hydrostatic test.The flexible joint has strong reliability and fatigue resistance.

Key words：steel catenary riser （SCR）;flexible joint;alternating bending moment;axial tension;steady-state heat conduction analysis

近年來深海開發(fā)中的油氣勘探和生產活動大大增加，與幾年前相比水深增加了一倍。鋼懸鏈立管（SCR）由于其成本低、對浮體運動有較大的適應性，而且適用高溫高壓工作環(huán)境，在深海開發(fā)中得到廣泛應用。鋼懸鏈立管最大特點是集海底管道和生產立管功能于一身，又以其良好的適用性以及低廉的價格成為立管系統(tǒng)的首選形式。鋼懸鏈立管可應用于各種類型的深水平臺（TLP-SPAR-SEMI-FPSO），其作用為連接平臺與水下設施或海管，用于生產介質的輸入、外輸或維持生產進行相關介質的注入。立管系統(tǒng)作為水上平臺和水下設備的連接通道，是平臺和海底之間介質傳輸的“咽喉”通道，是水下生產系統(tǒng)的關鍵組成部分。而鋼懸鏈立管柔性接頭更是連接鋼懸鏈立管與平臺之間不可缺少的一部分。研究依托陵水17-2項目，以柔性接頭核心技術國產化為目標，開展柔性接頭關鍵部件彈性體的相關研究工作。對增強我國深水領域石油裝備與技術，保障深水油氣開發(fā)過程中立管系統(tǒng)的安全運行都具有重要意義。

1 柔性接頭結構

圖1為柔性接頭結構圖。柔性接頭的核心部件是彈性體單元，其基本組成是金屬和彈性體的層壓式組件，是一種模壓的彈性支撐體，包含一系列球狀金屬加強層，并用特殊的彈性材料包裹。表1為載荷主要參數，包括立管受到的軸向拉力，柔性接頭在海上正常工作時的運輸介質，柔性接頭的設計溫度，立管偏轉的最大角度，試驗水壓的最大壓力與瞬時抗暴壓力［1-2］。

2 載荷分析

本研究將圍繞前7種工況下柔性接頭的結構響應進行分析，各工況的具體載荷幅值如表1所示。

操作工況的壓力是14 203.7 kPa，其端部軸力由內壓引起，采用以下公式計算：Fecl=π（Di2 ×Pi）/4。式中：Fecl是端部軸力；Di是管道內徑；Pi是內壓。

3 有限元模型建立及計算

彈性體組件是一種非剛性承壓密封連接組件，它由若干同心的環(huán)狀球形的彈性層（橡膠）和增強件（環(huán)狀球形鋼板）相互交替地粘接在一起。根據載荷分析，操作工況具體載荷為：內壓14 203.7 kPa，軸力為4 495.54 kPa+1 259.37 kPa=5 754.81 kPa。

3.1 主體/彈性體/延伸管模型

為便于分析和評估柔性接頭中關鍵部件彈性體的受力性能與結構響應，建立柔性接頭延伸件/彈性體/主體模型，具體如圖2所示，包括主體、彈性體、延伸件和螺栓等構件。為了便于網格劃分和避免應力集中，建模時對柔性接頭進行簡化，省略倒角、圓角，并將螺栓螺母作為一個整體建模［5-6］。

在對本模型進行網格劃分時，彈性體單元類型選擇8節(jié)點實體線性hybrid單元C3D8H，其他構件選擇8節(jié)點實體縮減積分單元C3D8R。

3.2 載荷和邊界條件

對于操作工況，在主體底部設置一個x、y、z方向的固定約束，在模型對稱面設置面對稱約束。螺栓的預緊力通過預拉伸部分施加，預緊應力水平為50%螺栓屈服應力（105 ksi）。在設備內表面施加內壓，內壓表面如圖3所示。疊加有效軸向拉力與端部軸力后，通過端部壓力的形式施加在延伸件底部。作為結構設計研究的初步分析，為方便獲取轉角與彎矩關系，模型增設輔助參考點（在延伸件上端面的橫截面中心），并將延伸件上端面與該節(jié)點耦合，完成了轉角施加。作為更為一般的加載設置，在延伸件底部施加側向位移亦可實現(xiàn)轉動［7-8］。

構件間的接觸作用尤為重要，在此模型中通過接觸對的面對面（Surface-to-Surface）選項進行模擬。對于部分粘接或焊接界面，采用綁定Tie約束模擬。

3.3 結果評定

柔性接頭分析中使用的材料許用強度基于相關行業(yè)標準，應力評估標準包括4種類別，相關許用應力如表2所示。

σp指沿截面厚度均勻分布的應力成分，等于沿所考慮截面厚度的應力平均值。對于直管，該應力可通過下式表達：

σ= （s1-s2）2+（s2-s3）2+（s3-s1）22

式中：s1=TA+MCI；s2=PD2t；s3=內壓，T為張力；A為管道截面面積；M為彎矩；I為慣性力矩；C為到中壁面的徑向距離；P為內壓；D為內徑；t為壁厚。對于不規(guī)則形狀的軸對稱截面，該應力按恒定應力分布來計算。其許用應力為2/3×Cf×σy，其中Cf為工況系數，σy為材料的最小屈服應力［9-10］。

σp+σb指線性化薄膜Mises應力和線性化彎曲Mises應力的組合。為了得到線性化的Mises應力，應力張量的所有9個分量都被獨立地線性化，然后轉換為等效的Mises應力。API RP 2RD中規(guī)定該應力的許用應力為Cf×σy。

σp+σb+σq是由截面厚度方向上的最高應力值（峰值應力）得出的，是滿足結構連續(xù)性所必需的自平衡應力。此種應力發(fā)生在結構的不連續(xù)處，通常由機械載荷和熱載荷引起。API RP 2RD中規(guī)定該應力的許用應力為2×σy［11-12］。

4 結果與分析

4.1 剛度

對柔性接頭有限元模型進行25°轉動載荷工況的加載，計算初始轉動剛度為31.88 kN·m/（°）；載荷工況彎矩-轉角曲線如圖5所示。

4.2 強度

對柔性接頭有限元模型進行幸存受損和水壓試驗工況載荷的受力分析，并繪制Mises應力云圖。

螺栓應力。幸存受損和水壓試驗工況下螺栓的應力云圖如圖5、圖6所示。由此得到的螺栓應力值均在許用應力值以下，評定合格［13-15］。

主體應力。水壓試驗工況LC7主體的Mises應力云圖如圖7所示。幸存受損和水壓試驗工況下主體應力線性化的結果合格，可見分析得到的主體應力值均在許用應力值以下，評定合格［16-18］。

4.3 疲勞強度

在ABAQUS中對柔性接頭有限元模型進行長期、Cross Case短期、Far Case 短期和Near Case 短期等4種疲勞載荷譜的計算，將應力數據導入到Fe-Safe中，設置正應力疲勞算法和S-N曲線，求解各零件的疲勞壽命或損傷，并繪制疲勞壽命或損傷云圖［19-20］。對于長期疲勞事件，柔性接頭的疲勞壽命必須大于使用壽命的10倍（>300年）；對于短期疲勞事件，各零件的損傷必須小于0.1。

5 結語

研究針對所設計的柔性接頭進行了多種載荷工況下結構與應力響應等相關有限元仿真分析。為便于分析和評估柔性接頭中關鍵部件的受力性能與結構響應，文中對部分結構進行相應簡化處理。在假設簡化與研究框架下，結合公認的設計驗證方法，驗證柔性接頭的結構強度。結果表明，柔性接頭具有足夠的強度和可靠性，能夠在規(guī)定的要求范圍內工作。

研究針對所設計的柔性接頭進行了多種載荷工況下結構與應力響應等相關有限元仿真分析。為便于分析和評估柔性接頭中關鍵部件的受力性能與結構響應，文中對部分結構進行相應簡化處理。在假設簡化與研究框架下，結合公認的設計驗證方法，驗證柔性接頭的結構強度。結果表明，柔性接頭具有足夠的強度和可靠性，能夠在規(guī)定的要求范圍內工作。

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