隔水套管分節(jié)及扶正分析

中圖分類號：TE54 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0107-04

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.20.024

Abstract：Conductorsarerucialstrucuralcomponentsiofsoreilplatforconstruction，pronetobucklinginstabilityduring uprightperations.ThisstudyutilizesABAQUSfniteelementsoftwaretoconductlinearandnonlinearbucklinganalysesona32 inchconductoangetsofaeteallicss，gthndiilipefetiuclgrssldae thatwhileincreasedwallthicknessimprovesbendingresistance，italsoaddsweight;shorteninglengthsignificantlyenhances upendingstabilityandadjustingdiameterhaslimitedefects.Aditionall，sugestionsaremadetooptimizesectionlengthsby applyingexteralcounterfores.Thefindingsprovideesentialgudanceforconductorsinstalationsafetyanddesignoptiization.

Keywords： conductor; upending analysis;buckling stability; ABAQUS； structural optimization

海上采油平臺的隔水套管一般在駁船甲板上堆放，并從陸地的碼頭運輸至海上油田的施工現(xiàn)場。隔水套管安裝時，一般由浮吊船用吊鉤，從隔水套管的一端，借助內(nèi)脹式吊樁器或者卡環(huán)、鋼絲繩將隔水套管從甲板上扶正豎直后起吊。隔水套管扶正過程中，端部的吊鉤起升緩慢，可以看作一個準(zhǔn)靜態(tài)過程，受環(huán)境影響的動載荷可以采用將重量放大一定倍數(shù)的方式進(jìn)行考慮。扶正時，兩端的扶正工具相當(dāng)于給隔水套管施加鉸支約束，允許隔水套管在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，隔水套管在設(shè)計模型上可看作一個細(xì)長桿。扶正過程中，隔水套管受自身重力的作用在豎直平面內(nèi)產(chǎn)生懸垂，理論上中間截面的撓度最大，彎矩最大，應(yīng)當(dāng)作為設(shè)計重點觀察的危險截面。隔水套管的扶正除了強(qiáng)度和剛度要滿足要求外，穩(wěn)定性也對施工安全同樣重要。如果忽視了對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的觀察，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)在扶正過程中失穩(wěn)，產(chǎn)生屈曲變形，造成隔水套管無法使用，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)損失或影響平臺投產(chǎn)。因此評估隔水套管扶正時的穩(wěn)性，研究穩(wěn)性不足時的改進(jìn)方向，對保證隔水套管的施

工安全很有意義。

國內(nèi)外對隔水套管這類細(xì)長桿的穩(wěn)性研究主要集中在線性屈曲分析和非線性屈曲分析2個方面，研究內(nèi)容驗證了細(xì)長壓桿結(jié)構(gòu)在軸壓作用下的彎曲撓度及屈曲荷載，研究了鋼管樁在土體中軸心受壓下的臨界屈曲荷載，但是對于細(xì)長桿在受側(cè)向力且考慮初始缺陷時的屈曲分析研究較少，難以用來指導(dǎo)實際工程中的隔水套管扶正施工，

本文以國內(nèi)外學(xué)者研究為基礎(chǔ)，考慮隔水套管的建造初始缺陷，在ABAQUS軟件中建立隔水套管扶正的有限元分析模型，針對某32英寸隔水套管進(jìn)行線性屈曲分析和非線性屈曲分析，研究隔水套管的直徑、壁厚、長度和初始缺陷等因素對隔水套管扶正屈曲應(yīng)力的影響，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)規(guī)范的規(guī)定對最佳隔水套管的長度進(jìn)行分析研究，對隔水套管的分節(jié)和扶正作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

1計算模型

1.1 隔水套管及材料參數(shù)

某項目隔水套管及材料的基本參數(shù)見表1。

1.2 分析流程

隔水套管的扶正分析，首先需要建立有限元模型，對模型進(jìn)行線彈性分析，根據(jù)規(guī)范判斷是否需要進(jìn)行屈曲分析?？上冗M(jìn)行線性屈曲分析，得到套管屈曲的特征值，再進(jìn)行非線性屈曲分析，得到套管在特點受力情況下的響應(yīng)。隔水套管扶正屈曲分析流程如圖1所示。

1.2.1 分析模型

隔水套管兩端簡支，在自身重力作用下，在豎直平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲，需要校核套管的長度為多少，或者施加多大的輔助外力后，套管才不會發(fā)生屈曲失穩(wěn)（圖2）。

采用公式計算套管在自身重力作用下，兩端簡支時，最大應(yīng)力豎直。這部分分析不考慮結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，僅從線彈性范圍內(nèi)計算套管的最大應(yīng)力，以便與非線性屈曲分析的結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)材料力學(xué)的知識可知，兩端簡支套管在均勻力作用時，應(yīng)力最大截面為中間截面，彎曲應(yīng)力為

式中：Mmax為中間截面的最大彎矩，Mma=ql2 為截面抗彎系數(shù)， ，其中 D 為隔水套管的外徑， d 為隔水套管內(nèi)徑，計算最大彈性彎曲應(yīng)力為246.83MPa 。

采用ABAQUS軟件的Risk方法進(jìn)行隔水套管扶正非線性屈曲分析，繪制位移和屈曲荷載曲線。非線性屈曲分析被稱為不穩(wěn)定倒塌和后屈曲分析，其分析結(jié)果可以得到結(jié)構(gòu)釋放應(yīng)變能的轉(zhuǎn)折點及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的后屈曲響應(yīng)，針對本例模型有很好的模擬作用。

從套管屈曲過程的受力云圖（圖3一圖5）可以看出，套管從平躺狀態(tài)進(jìn)行扶正，從動作開始到結(jié)束，套管的中間截面一直是受力和變形最大的截面，如果發(fā)生屈曲，也是首先從中間截面開始蔓延。從圖6曲線可以看出，套管在受力約為 32t 的時候發(fā)生屈曲，而此套管的自重為 34.53t ，因此在套管達(dá)到最大彈性應(yīng)力之前就已經(jīng)發(fā)生屈曲。此結(jié)果說明，在對套管扶正進(jìn)行分析時，不能僅以彈性結(jié)果作為依據(jù)進(jìn)行評估，還應(yīng)對穩(wěn)性結(jié)果進(jìn)行評估，

1.2.2 分析方法

根據(jù)GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，鋼管鋼材牌號為Q345的鋼材，壁厚在 16～30mm 之間時，抗彎強(qiáng)度設(shè)計值 f=335MPa ，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性判斷的公式為

式中： φ 為穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)套管的長細(xì)比和材料特性從

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中查表可知 φ= 0.706，據(jù)此判斷上述公式的左邊等于 349MPa ，右邊為 335MPa ，因此不滿足規(guī)范要求，需要采用其他方法降低套管的彎曲應(yīng)力。

2 敏感性分析

分析得到套管扶正的分析方法和結(jié)果后，針對各個參與因素進(jìn)行敏感性分析，以得到套管扶正的屈曲關(guān)鍵影響因子，為優(yōu)化設(shè)計和預(yù)防風(fēng)險提供目標(biāo)和方向。采用控制變量的方法，研究壁厚、長度、直徑等因素對隔水套管扶正最大彎曲應(yīng)力的影響

2.1隔水套管壁厚對彎曲應(yīng)力的影響

隔水套管壁厚對彎曲應(yīng)力的影響如表2和圖7所示。由圖7可知，壁厚不同的隔水套管，產(chǎn)生屈曲變形的受力拐點幾乎相同，說明調(diào)整壁厚對改變隔水套管的柔度沒有太大的幫助，但是降低壁厚可以降低隔水套管的自重，減小隔水套管在考慮穩(wěn)性時的彎曲應(yīng)力。

2.2隔水套管長度對最大彎曲應(yīng)力的影響

隔水套管長度對中間節(jié)點集中力和位移的影響顯著變大，如表3和圖8所示，考慮到縮短長度后，隔水套管的自重顯著下降，雖然發(fā)生屈曲時的受力上限沒有多大的減小，但是對比其他因素，減小長度對受力的改變最為明顯。

2.3隔水套管直徑對最大彎曲應(yīng)力的影響

隔水套管直徑對套管受力性能的改變主要是改變了截面的抗彎系數(shù)W，其效果與改變壁厚類似，雖然增加直徑對提高抗彎性能有幫助，但是同時也增加了重量，增加隔水套管的受力，對中間節(jié)點應(yīng)力的改善被抵消了一部分（表4）。

2.4套管合理分節(jié)分析

在敏感性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)前面計算模型的校核對隔水套管分節(jié)和扶正進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果可知： ① 隔水套管的壁厚越厚，抗彎性能越好，但是壁厚增加，將會增加隔水套管的自重，使隔水套管在中間截面的彎曲應(yīng)力增加； ② 縮短隔水套管的長度能有效提升隔水套管的抗彎性能，提高隔水套管扶正的穩(wěn)定性，并且縮短套管能減小自重。按前述的計算結(jié)果，直徑為32英寸，壁厚為1英寸的隔水套管，合理分節(jié)的長度約為 60～65m 。

3結(jié)論

1）隔水套管扶正的計算分析應(yīng)考慮套管的長細(xì)比帶來的失穩(wěn)風(fēng)險，不能僅從彈性受力的角度檢查危險截面的彎曲應(yīng)力，根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，考慮穩(wěn)性之后，許用應(yīng)力約為不考慮穩(wěn)性時許用應(yīng)力的 70% 。

2）隔水套管的分節(jié)還應(yīng)從施工船舶的能力入手，在滿足扶正分析的前提下，盡可能最大發(fā)揮施工船舶吊高能力，減少隔水套管的分節(jié)，提高海上施工效率。

3）如果為了發(fā)揮施工船舶的能力，優(yōu)化隔水套管分節(jié)，調(diào)整直徑和壁厚不是有效的手段。

4可以考慮從隔水套管中間截面施加與重力反方向的外力，減少中間截面的受力，這樣可以增加隔水套管的長度，發(fā)揮施工船舶能力。

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