基于有限元的海底管道凹陷評(píng)價(jià)

2024-03-07 08:29:18張金龍魏晨亮王丹丹趙可天李清超

化工管理 2024年3期

張金龍，魏晨亮，王丹丹，趙可天，李清超

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450；2.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300450)

0 引言

在海管管道中，部分海管存在凹陷，其對(duì)管道受力帶來較大威脅，管道可能會(huì)面臨承壓不足而失效的問題。但是由于海管所處環(huán)境的特殊性，無法及時(shí)驗(yàn)證和修復(fù)。通過查閱資料和文獻(xiàn)，可通過理論分析、有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)含凹陷管道的成型機(jī)理以及力學(xué)特性進(jìn)行分析，主要包括含有凹陷管道的剩余強(qiáng)度和含凹陷海底管道在各種載荷作用下的屈曲現(xiàn)象。

1 管道概況

1.1 管道結(jié)構(gòu)

本文研究的海底管道為單層管，管徑為355.6 mm，管長(zhǎng)為89.56 km，具體的海管結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 海管基本參數(shù)

1.2 凹陷概況

經(jīng)內(nèi)檢測(cè)，管道存在1個(gè)深度超過6%的凹陷，具體凹陷參數(shù)如表2所示。

表2 凹陷匯總表

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 彎矩分析

對(duì)目標(biāo)凹陷管段進(jìn)行評(píng)價(jià)前，應(yīng)綜合考慮安裝工況、服役工況、環(huán)境工況對(duì)管段彎矩的影響，同時(shí)考慮拖曳力及慣性力引起的彎矩、管道浮重引起的彎矩、管道路由半徑引起的彎矩。當(dāng)凹陷位置處于懸跨段且懸跨段位于管道側(cè)向位移區(qū)間內(nèi)時(shí)，凹陷位置的總彎矩為：

當(dāng)凹陷位置處于管道側(cè)向位移區(qū)間內(nèi)且凹陷處無懸跨情況時(shí)，凹陷位置的總彎矩為：

2.2 軸向力分析

通過熱膨脹分析和屈曲原理，計(jì)算由溫度和壓力引起的膨脹力。管道端部的膨脹長(zhǎng)度可采用應(yīng)變平衡方法來計(jì)算，此方法總結(jié)了由溫度(關(guān)鍵因素)、壓力和摩擦力引起的管道內(nèi)的總應(yīng)變，如下所示：

3 狀態(tài)評(píng)價(jià)

凹陷管段的受力情況及邊界條件確定后，本項(xiàng)目采用材料力學(xué)解析解和有限元兩種方法對(duì)凹陷的服役狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。結(jié)合凹陷及變形的材料力學(xué)分析結(jié)果，將有限元分析得出的Von Mises應(yīng)力與之對(duì)比分析，綜合識(shí)別影響管道運(yùn)行安全的風(fēng)險(xiǎn)因素及位置，并給出合理的檢維修建議。

3.1 材料力學(xué)方法

3.1.1 Von Mises應(yīng)力

Von Mises應(yīng)力(米塞斯應(yīng)力或等效應(yīng)力)由凹陷管段的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力綜合求解得到。分析時(shí)，將實(shí)際Von Mises應(yīng)力與管材的臨界應(yīng)力進(jìn)行比較，考慮服役安全系數(shù)后，判定凹陷管段的服役許用情況。

凹陷管段的Von Mises應(yīng)力為：

式中：Hσ為環(huán)向應(yīng)力；Lσ為縱向彈性應(yīng)力；cτ為側(cè)向剪應(yīng)力。

3.1.2 臨界應(yīng)力

凹陷管段局部屈曲校核過程中用到的管材臨界應(yīng)力可依據(jù)DNVGL ST F101—2017標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得。

管材的特征屈服強(qiáng)度為：

其中：

管材的特征抗拉強(qiáng)度為：

其中：

對(duì)凹陷管段進(jìn)行局部屈曲校核時(shí)，按照DNG OS F101—2013標(biāo)準(zhǔn)要求，采用特征屈服強(qiáng)度和特征抗拉強(qiáng)度代替材料的最小屈服強(qiáng)度SMYS和最小抗拉強(qiáng)度SMTS進(jìn)行臨界應(yīng)力校核，并考慮安全系數(shù)η。

3.2 有限元法

凹陷管段的有限元建模及分析的主要內(nèi)容包括：對(duì)凹陷處的管段進(jìn)行有限元建模、網(wǎng)格劃分、定義單元類型和材料屬性。

3.3 整體屈曲校核

凹陷管段的整體結(jié)構(gòu)校核的目的是確保運(yùn)行工況下的管道強(qiáng)度符合繼續(xù)使用的要求。

在服役條件下，管道極限狀態(tài)類別為ULS(ultimate limit state)。基于凹陷管段的受力分析，在組合載荷校核中采用其對(duì)應(yīng)的彎矩和軸向力。外壓為海水壓力，內(nèi)壓為管道的最大許用工作壓力。

3.4 屈曲擴(kuò)展校核

管道凹陷(尤其是彎折凹陷)可能會(huì)導(dǎo)致屈曲擴(kuò)展[5]。如果屈曲發(fā)生，觸發(fā)擴(kuò)展屈曲機(jī)制的最小壓力差即為擴(kuò)展壓力。根據(jù)DNVGL ST F101—2017，只有當(dāng)局部屈曲發(fā)生時(shí)，屈曲才會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。抵抗局部屈曲的條件為：

3.5 剩余強(qiáng)度分析

3.5.1 局部屈曲剩余強(qiáng)度

采用DNVGL RP F101 Part B方法—許用應(yīng)力法進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析。根據(jù)凹陷管段的幾何尺寸和應(yīng)力集中情況，計(jì)算出缺陷管道的失效壓力(即剩余強(qiáng)度)，然后再將該失效壓力乘以基于初始設(shè)計(jì)參數(shù)的安全系數(shù)，得到最終的安全工作壓力[7]。

3.5.2 整體屈曲剩余強(qiáng)度

根據(jù)管道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用DNV許用應(yīng)力法中關(guān)于腐蝕管道剩余強(qiáng)度的校核公式，對(duì)管道局部腐蝕強(qiáng)度進(jìn)行校核分析。計(jì)算海管的彎矩和熱應(yīng)力，為強(qiáng)度校核提供數(shù)據(jù)輸入支持。DNVGL ST F101—2017針對(duì)承受彎矩、軸向力和內(nèi)外壓差的管道應(yīng)該滿足以下方程：

以管道內(nèi)壓pi為變量，當(dāng)內(nèi)壓pi升高到某一壓力時(shí)，達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)pi的取值為抵抗整體屈曲的剩余強(qiáng)度。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 受力分析

彎矩計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 彎矩受力計(jì)算結(jié)果

4.2 狀態(tài)評(píng)價(jià)

4.2.1 彎矩計(jì)算結(jié)果

采用有限單元法獲取待測(cè)凹坑管道的應(yīng)力集中系數(shù)。建立無凹陷管道模型后，對(duì)該模型分別施加內(nèi)壓、軸向力和彎矩，得到無凹陷管道的名義應(yīng)力。其應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 無凹陷管道模型的應(yīng)力分布

然后，建立帶凹陷的管道模型，對(duì)該模型分別施加內(nèi)壓、軸向力，得到帶凹陷管道的最大名義應(yīng)力，用帶凹坑管道僅受內(nèi)壓時(shí)的最大名義應(yīng)力除以無凹坑管道僅受內(nèi)壓時(shí)的名義應(yīng)力即可得到當(dāng)前帶凹坑管道的環(huán)向應(yīng)力集中系數(shù)。軸向應(yīng)力集中系數(shù)以此類推。故屈曲管道模型的應(yīng)力分布如圖2所示。