海底柔性管道的抗內壓分析和設計

李鵬等

摘要： 針對淺水經濟型海底柔性管道結構，建立其三維有限元數值模型，考慮金屬鎧裝層之間的連接和接觸，給出在內壓作用下的各層構件力學性能的數值模擬結果.通過結果分析和相關參數調整發現各層的最大承壓力不能進行線性疊加，其內壓承擔比例與各層結構的徑向剛度有關.因此，可以通過合理分配徑向剛度使各層結構同時達到屈服狀態，從而充分利用材料并實現最優化結構設計.

關鍵詞： 海底柔性管道； 扁鋼帶； 承壓力； 徑向剛度； 優化； 三維有限元

中圖分類號： TE53；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： A 3D finite element model is built for an economic subsea flexible pipe applied in shallow water. Considering the connection and contacts between metal armor layers， the mechanics properties of the components of each layer is numerically simulated under the internal pressure. According to the analysis results and the related parameter adjustment， it is found that the maximum bearing pressure of each layer cannot have a linear superposition. The maximum pressure bearing proportion for each layer is related to the radial stiffness. Therefore， each layer can be yielded at the same time through the reasonable distribution of radial stiffness， and the material can be fully utilized and the optimal structure design can be implemented.

Key words： subsea flexible pipe； steel tape； bearing pressure； radial stiffness； optimization； 3D finite element

引言

陸地油氣資源逐漸枯竭，越來越多的國家把眼光投向蘊含著豐富油氣資源的海洋.由于海洋柔性管道具有可設計性強，易彎曲、易鋪設、可回收，開發經濟以及更適應海洋環境等特點，各國普遍采用其作為海洋油氣資源的重要輸送工具.因此，海洋柔性管道的設計分析、鋪設和安裝等技術顯得愈發重要，已成為影響我國海洋油氣田開發的關鍵問題.

在海洋柔性管道應用過程中，需要滿足生產、儲存、安裝和在位運行等各種工況條件.根據不同的載荷工況，需要對每層結構的材料和尺寸進行具體設計，甚至可以增加或減少相應的結構層，使其滿足特定的設計準則.由于深水和淺水的載荷要求不同，因此可以采用不同結構形式的柔性管道.針對內壓控制載荷，深水海洋柔性立管通常采用比較厚的Z型鋼條抵抗內壓作用，同時實現互鎖纏繞有利于管道結構的穩定.淺水海底柔性管道穩定性要求不高，通常采用薄扁鋼帶纏繞代替Z型鋼條實現抗內壓功能，在滿足安全性的基礎上盡量實現經濟性要求.

目前國外對于互鎖Z型鋼條的抗內壓性能研究比較多.最開始的研究只考慮該鎧裝層單純承擔內壓載荷，不考慮其他層和其他載荷的作用.在理論方面，KAGOURA等[1]和FRET等[2]給出一些簡化公式，這些公式能夠滿足初步設計分析的要求.在數值方面，FERNANDO等[3]用有限元法對Z型鋼條在內壓作用下的應力和應變等進行分析.近年來對Z型鋼條的研究分析不僅僅局限在抗內壓方面， FERNANDO等[3]和SVIK等[4]對其加工制造和FAT加卸載過程中產生的殘余應力進行分析，得到殘余應力分布，指出殘余應力可能對疲勞壽命有影響.YE等[5]和SVIK等[6]在此基礎上對Z型鋼條的疲勞壽命進行理論和數值分析，指出Z型截面中疲勞效應最明顯的2個拐點，并對疲勞壽命進行評估.另外，也有學者研究Z型鋼條抗壓層對其他鎧裝層的影響，進行耦合分析.NETO等[7]研究Z型鋼條對骨架層抗壓潰能力的影響，指出其改變骨架層的1階壓潰模態，能夠提高骨架層的抗壓潰能力.

然而，對于淺水海底柔性管道結構，單層薄扁鋼帶不可能獨自承擔所有的內壓載荷，而應該是所有的金屬鎧裝層共同承擔，給分析和設計帶來困難.由于需要研究的鎧裝層數和內容要比Z型鋼條多，因此對于淺水經濟型海底柔性管道的研究尚未形成一定的理論體系.雖然扁鋼帶和抗拉鋼絲層都有可參考的理論解析公式[8]，但是理論上不能考慮接觸摩擦等連接問題；另外，理論解析公式是否可以進行簡單的線性疊加，每一層的內壓承擔比例是多少，進而怎樣實現最優化設計等，這些問題都是理論解析無法解決的，必須借助有限元數值手段進行詳細分析和校核.

1淺水海底柔性管道結構介紹

淺水經濟型海底柔性管道屬于靜態應用管道，通常用于衛星平臺的連接、J型管和膨脹彎等處，尤其是在注水作業時被大量采用，如潿洲油田和番禹油田采用此海底柔性管道.由于鋪設和維修等綜合費用比鋼管低，還有印度尼西亞等市場需求，國內已有部分企業邁入海管制造行列.由于淺水海底柔性管道受到的載荷比較簡單，因此可以在滿足安全性的基礎上進行結構簡化，盡量實現經濟性要求.

淺水海底柔性管道鋪設時承受的拉伸載荷較小，外壓壓潰也成為次要的失效模式.另外，在靜態應用時可以不考慮彎曲失效和疲勞失效模式，因此淺水海底柔性管道主要是針對內壓性能展開分析和設計.在滿足安全功能的基礎上，淺水海底柔性管道最顯著的特點就是用簡易扁鋼帶繞包代替典型的Z型鋼條以實現經濟性要求.[9]常用的淺水海底柔性管道構型見圖1.

在圖1中，內、外護套層為聚合物材料，按設計需要可以選用PE，PA和PVDF等，其作用是保證流體完整性.抗拉鎧裝層常用碳鋼類金屬材料，與管道軸向夾角呈20～60°的螺旋纏繞結構形式，主要作用是抵抗軸向拉伸力；扁鋼帶抗壓層也常用碳鋼類材料，呈大角度的螺旋纏繞結構形式，作用是抵抗徑向壓力（主要是內壓）.在進行注水作業時通常沒有內部骨架層，當油氣輸送過程中含有較多沙礫等雜質時必須使用內部骨架層.這種多層非黏結螺旋纏繞結構形式，使海洋柔性管道具有很多傳統鋼管不具備的優點，因此得到廣泛應用.

但是，對于扁鋼帶纏繞形式的柔性管道，其抗內壓性能的研究尚未深入開展，管道的抗內壓作用機理尚不明確.因此本文就每層鎧裝的內壓承擔比例、整個管道的最大允許承壓力以及如何進行優化設計等問題進行相關分析.

2有限元模型的建立

針對淺水海底柔性管道構型，考慮各層構件之間的接觸連接，基于ANSYS建立全三維參數化有限元模型.由于在位運行時扁鋼帶和抗拉鋼絲層是主要的內壓承擔構件，因此在有限元模型中忽略外護套的作用.為進一步簡化數值模型、提高運算效率，內外兩層抗拉鋼絲的根數取相同值.至此，簡化后的柔性管道只包含內護套、扁鋼帶抗壓層和鋼絲抗拉層，且結構與載荷盡量對稱.

2.1單元選取

為提高計算效率，可以在保證計算精度的前提下合理選取單元類型，每層構件的單元類型可以不同.抗拉鋼絲使用自定義梁截面BEAM188梁單元建模，根據鋼絲截面的幾何尺寸和材料參數定義梁截面，然后調用梁截面并賦以對應的幾何結構；扁鋼帶使用SHELL181單元建模，可以得到較為精細的應力和應變分析結果.

2.2連接與接觸設定

柔性管道各層構件之間存在接觸、擠壓和摩擦等相互作用，因此在有限元分析中需要設置接觸摩擦與連接單元.扁鋼帶與內護套之間采用TARGE170CONTA174實現面面接觸，與抗拉鋼絲之間采用TARGE170CONTA177實現線面接觸，并通過庫侖摩擦模擬構件之間的摩擦行為，采用罰函數法進行迭代計算.另外，內外層抗拉鋼絲的根數一致，正好可以沿管道模型的徑向建立桿單元連接.這里采用LINK10桿單元進行簡化，與接觸摩擦相比可以提高運算效率.

2.3約束與載荷施加

海底柔性管道在位輸送介質時，考慮到距離較長，忽略內壓作用下引起的扭轉效應.因此，在載荷和結構對稱的情況下，約束也應該盡量滿足對稱條件.最簡單的方式是兩端完全固定，根據圣維南原理，取模型中間部分提取相關分析結果即可.內壓載荷施加于管道模型的最內側.逐步增加載荷，直至金屬鎧裝層的應力達到屈服強度為止.可以通過分析結果得到各層金屬鎧裝對抗內壓的貢獻程度和管道的最大允許承壓力等.所建立的柔性管道有限元模型見圖2，模型參數見表1.

3數值分析結果

對數值結果進行提取時，忽略端部約束效應，只取模型的中間一段進行應力分析.由于模型經過簡化，載荷和結構對稱，因此應力結果比較均勻.當對有限元模型施加19 MPa的均布內壓作用力時，扁鋼帶和抗拉鋼絲的應力分析結果見圖3和4，可知，扁鋼帶的平均應力為414 MPa左右，已達到屈服狀態；抗拉鋼絲層的平均應力為280 MPa左右，遠未達到屈服應力.

由應力分析結果可知，扁鋼帶先達到屈服狀態，抗拉鋼絲層的材料未得到充分利用，原因是扁鋼帶的纏繞角度遠大于抗拉鋼絲，導致其徑向剛度偏大.因此，常規設計中將抗拉層和抗壓層的最大承擔力進行線性疊加的方法不合理.另外，通過提取層間的接觸壓力可知抗拉層承擔總內壓的59.1%，內護套層只承擔總內壓的6%左右，可見在淺水海底柔性管道構型中，抗拉鎧裝層是非常重要的承壓構件，而內護套并非主要的承壓構件.扁鋼帶層是必須具備的功能件，可以提升管道的整體徑向剛度，從而提升拉伸性能.[10]但是，根據前述分析結果，扁鋼帶層先達到屈服狀態，而此時抗拉鋼絲的材料遠未得到充分利用.因此需要對抗內壓性能進行設計，通過改變扁鋼帶層的厚度、層數、纏繞角度或材料性能，盡量從應力分配上實現優化處理，使各層金屬鎧裝同時達到屈服狀態，其本質是徑向剛度設計.

4結構優化設計

通過調整參數化有限元模型中的相關參數，可以較快地得到分析結果，方便進行結構的優化設計，對于現實應用具有一定的參考意義.

（3）抗拉層和抗壓層采用相同的材料時，單純通過改變扁鋼帶的厚度實現最優化設計是不可取的.扁鋼帶的纏繞角度大于抗拉層，導致其徑向剛度偏大，因此需要調整纏繞角度實現最優化設計.

4.2扁鋼帶纏繞角度調整

海洋柔性管道的常規設計中，為實現互鎖功能，Z型鋼條的纏繞角度通常取80～89°.但是，對于經濟型淺水海底柔性管道構型，需要抗拉層輔助承擔部分內壓，因此纏繞角度也是需要研究和設計的參數之一.僅改變扁鋼帶的纏繞角度，其余參數不變，可以得到不同纏繞角度下模型的最大承壓力，見圖6.

（1）扁鋼帶纏繞角度越大，徑向剛度越大，承擔的內壓比例就越大，從而越容易達到屈服狀態.

（2）在扁鋼帶厚度一定的情況下，纏繞角度越小，抗拉鋼絲層的材料越能得到充分利用，因此管道的承壓能力越強.

（3）在進行抗內壓設計時，要綜合考慮扁鋼帶厚度和纏繞角度的影響.如設計載荷為20 MPa時，扁鋼帶的最優設計是厚度為1 mm，纏繞角度為70°左右，能夠在滿足安全性的基礎上實現最經濟化要求.

4.3材料屬性調整

不論是改變扁鋼帶的厚度還是纏繞角度，本質目的都是為了改變抗壓層的徑向剛度.除剛度方面的設計外，還可以考慮選擇不同的材料進行強度方面的加強設計.通過研究分析可以得到以下結論.

（1）扁鋼帶的纏繞角度越大，內壓承擔比例就越高，需要的材料等級越高.

（2）扁鋼帶的厚度越大，徑向剛度和內壓承擔比例也越大，但是扁鋼帶的橫截面積增加，因此與改變角度相比，扁鋼帶的材料等級變化不太明顯.

（3）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使多層金屬鎧裝同時達到屈服狀態.

5結論

基于理論解析公式和ANSYS有限元模型，對經濟型淺水海底柔性管道的抗內壓性能進行分析.通過對扁鋼帶和抗拉鋼絲的耦合分析，得到整個管道的最大允許承壓力以及每層金屬鎧裝的內壓承擔比例.分析結果指出管道結構的不合理性，可以對徑向剛度進行優化設計，從而實現應力的合理分配.通過調整自編理論程序和有限元參數化模型中的相關參數，得到以下結論.

（1）內護套層幾乎不承擔內壓作用，而抗拉鋼絲層是重要的承壓構件.

（2）扁鋼帶采用大角度纏繞時，將首先達到屈服狀態，而此時抗拉鋼絲層的材料尚未得到充分利用.

（3）扁鋼帶采用大角度纏繞時，雖然增加厚度能使管道的承壓能力提高，但是其還是首先達到屈服狀態，因此需要調整其纏繞角度.

（4）扁鋼帶纏繞角度增大，徑向剛度增加，內壓承擔比例隨之增加，越容易達到屈服狀態.因此，在進行管道結構設計時，并非角度越大越好，需要綜合考慮厚度和角度的影響，實現最優化設計.

（5）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使各金屬鎧裝層同時達到屈服狀態.

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[10]盧青針， 岳前進， 湯明剛， 等. 海洋柔性管的抗拉性能及加強設計[C]// 第十四屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集： 上冊. 呼和浩特， 2009： 100104.（編輯武曉英）

（3）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使多層金屬鎧裝同時達到屈服狀態.

5結論

基于理論解析公式和ANSYS有限元模型，對經濟型淺水海底柔性管道的抗內壓性能進行分析.通過對扁鋼帶和抗拉鋼絲的耦合分析，得到整個管道的最大允許承壓力以及每層金屬鎧裝的內壓承擔比例.分析結果指出管道結構的不合理性，可以對徑向剛度進行優化設計，從而實現應力的合理分配.通過調整自編理論程序和有限元參數化模型中的相關參數，得到以下結論.

（1）內護套層幾乎不承擔內壓作用，而抗拉鋼絲層是重要的承壓構件.

（2）扁鋼帶采用大角度纏繞時，將首先達到屈服狀態，而此時抗拉鋼絲層的材料尚未得到充分利用.

（3）扁鋼帶采用大角度纏繞時，雖然增加厚度能使管道的承壓能力提高，但是其還是首先達到屈服狀態，因此需要調整其纏繞角度.

（4）扁鋼帶纏繞角度增大，徑向剛度增加，內壓承擔比例隨之增加，越容易達到屈服狀態.因此，在進行管道結構設計時，并非角度越大越好，需要綜合考慮厚度和角度的影響，實現最優化設計.

（5）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使各金屬鎧裝層同時達到屈服狀態.

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（3）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使多層金屬鎧裝同時達到屈服狀態.

5結論

基于理論解析公式和ANSYS有限元模型，對經濟型淺水海底柔性管道的抗內壓性能進行分析.通過對扁鋼帶和抗拉鋼絲的耦合分析，得到整個管道的最大允許承壓力以及每層金屬鎧裝的內壓承擔比例.分析結果指出管道結構的不合理性，可以對徑向剛度進行優化設計，從而實現應力的合理分配.通過調整自編理論程序和有限元參數化模型中的相關參數，得到以下結論.

（1）內護套層幾乎不承擔內壓作用，而抗拉鋼絲層是重要的承壓構件.

（2）扁鋼帶采用大角度纏繞時，將首先達到屈服狀態，而此時抗拉鋼絲層的材料尚未得到充分利用.

（3）扁鋼帶采用大角度纏繞時，雖然增加厚度能使管道的承壓能力提高，但是其還是首先達到屈服狀態，因此需要調整其纏繞角度.

（4）扁鋼帶纏繞角度增大，徑向剛度增加，內壓承擔比例隨之增加，越容易達到屈服狀態.因此，在進行管道結構設計時，并非角度越大越好，需要綜合考慮厚度和角度的影響，實現最優化設計.

（5）一般情況下，扁鋼帶與抗拉鋼絲的材料屈服強度的比值范圍為1.3～1.6，能夠使各金屬鎧裝層同時達到屈服狀態.

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