海上外輸漂浮軟管結構設計研究

徐業峻，呂立功，王旭東，朱永凱

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務公司，天津 塘沽300457)

外輸漂浮軟管是FPSO上外輸系統的長線關鍵設備，是原油外輸的惟一通道。目前外輸漂浮軟管在海洋工程領域得到廣泛的應用，軟管為特種橡膠復合輸油管，粘合結構，粘合型管線變形時，各層之間不發生相對滑移;軟管主要由橡膠層、鋼筋骨架層、加強層及漂浮層組成。國內對此類管線的設計、生產、建造以及理論分析尚處于初期研究階段，且缺乏相應的設計標準及規范。石油公司國際海事論壇OCIMF規定了外輸軟管的相關性能，如臨時伸長率不大于2.5%，永久伸長率不大于0.7%;爆破力不應小于7.5 MPa等。這些關鍵性能要求遠高于國內普通橡膠管的要求，而軟管的結構布置直接決定了性能能否滿足規范要求。為此，本文就外輸漂浮軟管的結構進行研究，提出合理的結構設計［1-4］。

1 外輸軟管的性能要求及結構特點

1.1 性能要求

工作壓力 1.5 MPa

爆破壓力 ≥7.5 MPa

臨時伸長率 ≤2.5%

永久伸長率 ≤0.7%

環境溫度 -29～52℃

輸送液體溫度 -20～82℃

最大設計流速 21 m/s

芳香烴最大含量 ≤25%

彎曲半徑 6D(D為公稱直徑)

漂浮力 ≥20%

1.2 外輸漂浮軟管的典型結構

本文所研究的海上輸油漂浮軟管單根長度為L=10 m，內徑D=406 mm，壁厚為T=50 mm，兩端以剛性法蘭盤固結，管段之間依靠法蘭盤相接，可在海面上綿延數公里。

外輸漂浮軟管的典型結構見圖1，軟管由數層材料組合而成，不同層起到不同的功能，確保軟管完整性及安全性。外輸漂浮軟管的主體由內襯、簾線層(增強及拉伸簾線層)、纏繞鋼筋、漂浮層、外層復合而成。同時，在軟管兩端安裝端部構件形成完整外輸漂浮軟管。內、中、外皆為合成橡膠層，內、外層具有較強的抗腐蝕耐酸堿的能力，中膠層中嵌入了螺旋形式的鋼筋，鋼筋為單根螺旋，是軟管的骨架層。簾線層與纏繞鋼筋承共同拉伸力、彎曲力等載荷，確保軟管不受損傷。

圖1 外輸漂浮軟管典型剖面

2 結構設計

2.1 簾線層的設計

1)簾線層的材料選擇。簾線加強層是簾線與橡膠的復合材料，是纖維加強的增強橡膠制品，廣泛應用于輪胎、傳送帶等制造領域，增強纖維主要有鋼絲、芳綸、聚酯和尼龍等。

根據外輸漂浮軟管的現場服役年限統計，其使用壽命一般都能達到5年。因此，在海洋惡劣的環境下，要求軟管材料的疲勞性能好。本文針對鋼絲(wire cord)、芳綸(rayon)、聚酯(polyester)和尼龍(nylon)這4種材料做疲勞試驗，見圖2，試驗結果見圖3。

對比圖3中的曲線可以看出，鋼絲的疲勞性能最差，不宜作為簾線加強層的增強層。芳綸、聚酯及尼龍均可以作為簾線加強層的增強纖維，但尼龍的延長率相對于芳綸和聚酯較大，影響外輸漂浮軟管的伸長率，因此，需要根據管道的使用要求選擇恰當的簾線增強纖維，本文推薦使用芳綸和聚酯。

2)簾線層的纏繞角度。OCIMF規定了外輸軟管的伸長率，臨時伸長率不大于2.5%，永久伸長率不大于0.7%。加強層的簾線纏繞角度直接決定伸長率的大小。纏繞角度過大，伸長率變大，爆破力高;纏繞角度過小，伸長率變小，爆破力低。

利用ABAQUS有限元分析軟件建模來分析簾線置角度對于管道的抗拉伸性，見圖4。材質為芳綸，設置簾線纏繞角度α發生變化，見圖5，其它參數保持不變，設簾線的布置角度分別為30°、40°、50°、60°計算伸長率，結果見表1。

表1 簾線布置角度對拉伸影響分析表

可見，簾線布置角度對于拉伸特性具有顯著影響:簾線布置角度越小，伸長率越小，布置角度增大，伸長率增大，主要是因為簾線方向的彈性模量遠大于其它方向所致。因此可通過調整簾線纏繞角度來調整軟管的伸長率大小，計算結果表明，簾線纏繞角度小于50°時能夠滿足OCIMF要求，但也要綜合平衡軟管的爆破力來選擇纏繞角度。

2.2 鋼筋層的間距研究

選用高強度鋼筋計算分析螺距對彎曲及拉伸性能的影響，直徑d=12 mm，纏繞角度α=87°。

改變螺旋鋼筋的螺距，分別為38、43、48 mm，其它參數不變，計算得到模型的拉力-延伸率曲線見圖6，彎矩-彎曲曲率曲線見圖7。

圖6 鋼筋螺距對拉伸曲線

圖7 鋼筋螺距對彎曲曲線

上述計算對比表明，鋼筋螺距對于管道整體的抗拉、抗彎剛度特性的影響顯著。在單根鋼筋小螺距纏繞情況下，其在管道中所占的體積分數主要取決于其螺距大小。隨著螺距的增大，鋼筋在管道中所占的總體積分數減小，管道整體的抗拉、抗扭、抗彎能力降低非常明顯。

2.3 簾線層與鋼筋纏繞層的優化設計

雖然簾線層與鋼筋纏繞層共同承受外界作用力，但在不同載荷下，各層承受力大小不同。在軟管拉伸情況下，受力主要由簾線層承擔;在真空情況下，主要受力由鋼筋纏繞層承擔。故簾線層與鋼筋纏繞層的結構優化能夠使得軟管受力平衡狀態最好。

目前，簾線層與鋼筋纏繞層結構設布置有3種方式。

1)鋼筋纏繞層在簾線層之下，其優點有拉伸性能好，伸長率易滿足;缺陷為爆破力不高，不容易滿足要求，見圖8。

圖8 鋼筋纏繞層在簾線層之下

2)鋼筋纏繞層在簾線之上，其設計特點正好與第一種相反，見圖9。

圖9 鋼筋纏繞層在簾線之上

3)鋼筋纏繞層在簾線層之間，其設計特點具備上述兩種方式的優點，克服了缺點，見圖10。

圖10 鋼筋纏繞層在簾線層之間

圖8 ～9中，“叉”代表簾線，“黑點”代表鋼筋。根據設計經驗，對于公稱直徑≤305 mm的軟管，因簾線層的增強纖維數量不多，考慮簾線層的整體性，推薦采用第二種結構設計。而對于公稱直徑＞305 mm的大口徑軟管，因簾線層增強纖維數量多，可分多層制造，推薦采用第三種結構設計。

3 樣品管試驗

采用上述的結構設計，試制了一根樣品管，公稱直徑為406 mm、長度為10.7 m的試驗管，鋼筋尺寸為12 mm，間距43 mm，簾線層的增強纖維為芳綸，纏繞角度為50°。分別對試驗管進行了彎曲、真空、水壓、爆破等試驗。結果見表2。

表2 試驗結果與國際OCIMF標準對比

根據彎曲、真空、水壓及爆破試驗結果表明，樣品管的關鍵性能均到達或超過OCIMF標準要求。證明外輸漂浮軟管的設計合理。

4 結論

1)通過簾線層的不同材料疲勞試驗，建議采用芳綸和聚酯。

2)簾線層的纏繞角度直接決定了外輸漂浮軟管的伸長率能否達到OICMF標準要求，計算及試驗結果表明，簾線纏繞角度為50°時性能滿足OCIMF要求。

3)鋼筋螺距對于管道整體的抗拉、抗彎剛度特性有顯著影響。螺距過大，鋼筋在管道中所占的總體積分數減小，管道整體的抗拉、抗扭、抗彎能力明顯降低。螺距過小，增加結構的冗余度，浪費了材料。如何優化螺距，是后續的研究點。

4)針對鋼筋纏繞層與簾線層的優化布置，推薦采用鋼筋層在簾線層之間的設計結構，綜合平衡軟管的拉伸、彎曲及極限爆破力性能。

［1］BAHTUI A，BAHAI H，ALFANO G.A finite element analysis for unbounded flexible risers under axial tension［C］∥OMAE.Portugal:ASME，2008:1-6.

［2］趙 偉，呂英民.海上漂浮輸油軟管的強度計算［C］∥第八屆全國工程設計年會，西安:西北工業大學，2002:424-426.

［3］寧 可，黃榮華，趙 偉.海上浮式輸油軟管的優化設計［J］.機電設備，2001(1):39-43.

［4］鄭杰馨.海洋非粘結性柔性管設計和分析的驗證實驗研究［D］.大連:大連理工大學，2010.