浅海海洋柔性管设计探讨.pdfVIP

54卷增刊2 中 国 造 船 V01．54 2 Special 2013年11月 SHIPBUILDINGOFCHINA Nov．2013 文章编号：1000-4882(2013)$2—0079．04 浅海海洋柔性管的设计探讨 王保计，蒋习民 (胜利油田勘察设计研究院有限公司，东营257000) 摘要 本文结合工程实例，利用有限元软件Ansys对浅海海洋软管的运行状态及施工状态进行模拟，分别计算 了柔性管在承受拉力、内压和外压等载荷工况下的受力性能，分析了柔性管每一层材料在不同工况下的受 力特点，并获得了不同工况下柔性管变形、应力等参数的变化规律。 关键 词：海洋柔性管；浅海；有限元 0引 言 海底管线是海洋石油开发的重要组成部分，传统上采用钢管外覆混凝土作为海底管线，腐蚀、 悬跨管线静力破坏和疲劳破坏是其失效的主要原因。与传统的钢制管相比，海洋柔性管有足够的强 度抵抗悬跨时所受的载荷，且柔性管具有很好的抗疲劳特性，可以抵抗悬跨段往复载荷的作用，可 以较好地适应存在沙坡、海底冲刷、海底活动性浅层气的浅海海域环境。 海洋柔性管的生产均为针对用户要求进行专门设计，管体制造工艺比较复杂。由于非粘结柔性 管设计中可以根据工程需要加减功能层，各层间允许相对位移，可以更好地满足工程的特殊要求， 并且也可以避免粘结管生产的特殊工艺对环境造成的危害，使其成为柔性管中的主流产品。 1海洋柔性管的相关计算 海洋柔性管的构成层数较多，且各层的结构比较复杂，对其整体结构力学性能的研究比较困难。 特别是在分析其层间相对滑移摩擦导致的能量耗散、滞后反应和疲劳破坏时，需要高效而精确的分 析工具。目前柔性管常用的分析方法主要为数值解析法和有限元法两种方法。数值解析法需要在大 量简化假定的基础上，采用经典力学的方法建立相应的解析方程组，通过求解该方程组得到结构的 力学性能参数；有限元分析法需要建立相应的有限元模型，通过有限元软件辅助计算来获得结构的 力学响应。 由于柔性管的结构复杂，建立的有限元模型包含单元个数较多，在实际工程计算中，一般采用 的柔性管模型长度仅为几米或者仅考虑有限的几层。常用的柔性管建模有经典模型和多层模型两种 方法。 1．1海洋柔性管的有限元模型 对于海洋柔性管的骨架层模型采用减缩积分四节点壳单元S4R，以截面中心线建模，壳单元厚 度为lmm；内压防护层模型采用减缩积分八节点实体单元；压力防护层由截面形式为槽型的内锁压 力防护层钢带和预备压力防护层钢带相扣缠绕形成，模型采用减缩积分八节点实体单元，与纵轴夹 角88．50；抗磨损层总共有三层，包括内拉伸层和预备压力防护层之间的抗磨损层、内拉伸层和外 中 国 造 船 学术论文 拉伸层之间的抗磨损层以及外拉伸层和外护套之间的抗磨损层；内拉伸层由94条矩形截面钢带缠 绕而成，与纵轴夹角30。。 图1骨架层有限元模型 图2压力防护层有限元模型 2 。U 图3组合截面剖分图 1．2柔性管有限元计算 在工程设计中结合浅海海域的海洋环境特点，考虑了柔性管的层间接触及结构层部件之间自接 触等多种接触问题，在Ansys软件中分别计算了柔性管在承受拉力、内压和外压等载荷工况下的受 力性能，并考虑了无摩擦系数和摩擦系数为0．1两种工况。计算后得到了柔性管每一层材料在不同 工况下的应力，计算结果见表1。计算结果显示，软管的各层等效应力均小于其许用应力，满足设 计要求。外拉层的最大等效应力发生位置如图4所示，骨架层的最大等效应力发生