基于ABAQUS的深水立管強度分析

夏日長，鄧合霞

(海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽300451)

海底管線是海上油氣的生命線，隨著海上油氣開發的不斷進展，如何保證海底管線在服役期間的可靠性成為海底管線設計的關鍵問題，而保證海底管道不發生強度破壞是海底管道可靠性的一個重要方面，因此海底管道強度分析是至關重要的。本文基于國家高技術研究發展計劃(863計劃)課題“深水立管工程設計關鍵技術研究”中南海深水的條件，用ABAQUS軟件對TLP平臺的相關立管(TTR)進行強度分析［1］。

1 ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是一套功能強大的基于有限元方法的工程模擬軟件，它可以解決從相對簡單的線性分析到極富挑戰性的非線性模擬等問題。

ABAQUS由兩個主要的分析模塊組成:ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。其中在ABAQUS/Standard中還附加了3個特殊的分析模塊:ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design和ABAQUS/Foundation。另外，ABAQUS還分別為MOLDFLOW和MSC.ADAMS提供了MOLDFLOW接口和ADAMS/Flex接口。ABAQUS/CAE是集成的ABAQUS工作環境，它包括了ABAQUS模型的建模、交互式提交作業和監控運算過程，以及結果評估(即后處理)等能力。ABAQUS/View是ABAQUS/CAE的子模塊，它包括其中的后處理功能，這些模塊之間的關系見圖1。

圖1 ABAQUS流程

ABAQUS/Auqa是一套有選擇功能，可以附加到ABAQUS/Standard的模塊。它的功能在于模擬近海結構，如海上石油鉆井平臺，其它一些功能包括模擬波浪、風載及浮力的影響等。

2 計算原理

2.1 Airy波

線性Airy波通常被用來模擬波高和水深比H/d小于0.03、水深和波長比d/λ大于20的波浪。因為Airy波是線性的，大量波序運行在不同的方向可以被定義，流體質點的速度、加速度可以線性疊加，每一個波動分量的方向余弦可以根據靜水面來定義。

ABAQUS軟件默認，Airy波由波長λN定義，當然，也可以用波浪周期TN定義，對于Airy波，每一個波動分量的波長和周期之間的關系為

式中:TN——波動分量的周期;

g——重力加速度;

λN——波長。

2.2 Stokes五階波

Stokes五階波是一深水波理論，適合于較大波長的波浪。因為Stokes五階波是一非線性波，只能定義一列波序，波長和周期的關系也比較復雜，下面列出了H、T和d之間的關系式:

以上各帶有腳標的系數B、C都僅是Kd的函數。

2.3 波浪理論的選取

根據規范API RP 2A中描述［2］，二維動態波浪理論應該根據規范中圖譜進行選取，兩個參考值分別為由于本文兩個計算工況為10年、100年的環境載荷，根據其波高H、水深d計算坐標值參見表1。

表1 波浪理論的選取

鑒于非線性波的復雜性和目前計算機的配置，采取先用Airy波試算，再用Stokes五階波計算，最后比較得出結論。

3 深水立管強度計算

分別用AIRY波、STOKES波進行了張緊立管(TTR)的強度校核。

3.1 計算模型及主要分析參數

TTR立管主要用于海底采油，結構形式相對簡單，模型為一條近似直線管道連接海面采油平臺和海底采油樹。

深水立管強度計算模擬南海采油立管的整體強度響應分析，設計水深為1 000 m;管道結構形式為雙層管，內外管管徑分別為219.1 mm和323.9 mm;設計壓力13.3 MPa，設計溫度60℃，介質密度670～990 kg/m3;內管腐蝕裕量3 mm;內外管管材分別為X80和P110，其材料屈服強度分別為551 MPa和758 MPa;平臺最大位移為81.37 m(100年一遇環境條件)，63.06 m(10年一遇環境條件)，56.60 m(1年一遇環境條件);主要環境參數見表2。

表2 主要環境參數

3.2 TTR幾何尺寸初選

為減少軟件的計算工作量，需要對雙層管道進行合理的簡化，根據總體強度分析結果，初選TTR的尺寸見表3。

表3 TTR總體尺寸初選 mm

TTR由于是雙層管結構，對此結構進行相當截面的換算，換算依據等效前后的以下關系。

式中:Ws1——雙層管結構TTR的水下重;

Ws2——TTR雙層管結構等效截面的水下重;

OD1——雙層管結構TTR外管的外徑;

OD2——TTR雙層管結構等效截面的外徑。

通過以上關系求出壁厚，并且對等效的截面屬性進行修正，最終輸入的等效管道模型為:外徑323.9 mm，壁厚21.76 mm，密度472.27 kg/m3。

3.3 有限元模型

為更好地模擬TTR立管實際情況，有限元模型在底端取泥面以下50 m剛性固定，頂端取1自由度約束一固定位移，2自由度釋放，3自由度完全約束。

用200個單元來近似模擬整條海管的形狀，在網格劃分時，兩端應力集中點需要加密網格劃分，中間段可適當稀疏。

TTR的靜態分析所受載荷為體積力(包括重力和浮力)，大小為1 048 N/m方向垂直向下;強制位移(由于TTR受頂部平臺位移而產生的強迫運動);集中力(頂部恒定的張緊力)為垂直向上的1.575×106N，TTR動態分析所受載荷為波浪力、海流力的作用，波浪、海流值取兩典型工況(10年、100年)。

根據規范API RP 2A中描述:在自然界中波浪載荷的作用大多是動態的，在很多設計中這些動態載荷都被靜態等效了，但是當水深達到一定程度時，這種動態效應作用在結構上就不能被忽略。

本文將立管的強度計算分為兩個步驟。

1)靜態步，將頂部受到的張緊力、自重和水平位移加在該立管上。

2)動態步，在第一步響應的基礎上將波浪載荷的動態效應加上，時間增量選為0.125 s，動態作用為波浪和流對立管的耦合效應。

3.4 計算結果

TTR分析按表4所列工況。

表4 TTR分析工況 mm

對TTR分別用Airy波、Stokes波進行工況1及工況2的分析。使用ABAQUS軟件進行建模、計算并提取各單元及節點受荷載作用后的響應，根據規范API RP 2RD使用如下公式進行校核［3］。

基于以上的理論，采取UC值的方法描述計算結果，UC值的計算取為

根據以上計算方法，用ABAQUS軟件計算結果見表5。

隨著水深的增加，管道校核的UC值典型分布情況見圖2和圖3。

表5 TTR強度分析主要結果 mm

4 結論

1)TTR各工況分析的應力均在許用應力的范圍內，滿足規范要求;

2)用Airy波和Stokes波理論計算的結果比較接近，因此認為兩種波浪理論均可以用來計算TTR立管強度;

3)整條管道在頂端和底端的應力比較大，建議采取一些工程方法來加強這部分結構強度(如改變結構尺寸、改變約束條件等);

4)本文僅對立管分析的一個方面(整體強度)進行了校核。深水立管長度比較大，在未發生強度破壞時，可能有屈曲、疲勞等現象發生，為保證立管的長期安全可靠性，實際工程項目中應全面校核立管，整體評估。

［1］莊 茁，張 帆，岑 送，等.ABAQUS非線性有限元分析與實例［M］.北京:科學出版社，2002.

［2］American Petroleum Institute.Design of risers for floating production systems(FPSs)and tension-leg platforms(TLPs):API RP 2RD［S］.API Publication and distribution，1998.

［3］American Petroleum Institute.Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design:API RP 2A［S］.API Publication and distribution，2000.