深水高強厚壁海底管道抗壓潰能力評估方法研究

曹先凡，曹文冉，趙開龍，徐爽，劉振紋

(1. 中國石油集團工程技術研究院 天津300456；2. 中國石油天然氣集團海洋工程重點實驗室 天津300456)

深水高強厚壁海底管道抗壓潰能力評估方法研究

曹先凡1,2，曹文冉1,2，趙開龍1,2，徐爽1,2，劉振紋1,2

(1. 中國石油集團工程技術研究院 天津300456；2. 中國石油天然氣集團海洋工程重點實驗室 天津300456)

深水海底管道一般采用高強鋼厚壁管來克服其承受的靜水壓力，基于高壓艙評估其抗壓潰能力是一個重要的手段。由于試件兩端采用加強板固定，改變了服役環境下管道的邊界條件，因此需要分析剛性邊界對其抗壓潰能力的影響。采用數值模擬方法給出管道服役和試驗環境下的抗壓潰能力，通過兩者的比值，定量給出剛性邊界的影響。結合高壓艙測試數據，形成了一套高強厚壁管道抗壓潰能力的評估方法，可以評價管道的抗壓潰能力。

數值模擬 高壓艙 高強厚壁管道 抗壓潰能力 邊界效應

0 引 言

自從1954年Brown&Root公司在美國墨西哥灣鋪設第一條海底管線以來，世界各國鋪設的海底管線總長度已達十幾萬公里，鋪設深度已至上千米。隨著我國南海油氣開發的迅速升溫，將來對海底管道的需求量將會大增。由于南海平均水深在1,000,m以上，因此，研究深水抗高壓的高強厚壁海底管道的抗壓潰能力具有重要意義。雖然規范給出了海底管道的壓潰校核方法，但靜水壓潰受到材料屬性、建造工藝、幾何參數、載荷狀態[1-5]等多種因素的影響，采用試驗評估其抗壓潰能力是一個重要手段。文中聯合數值模擬和高壓艙試驗技術建立了一套深水高強厚壁管道抗壓潰能力的評估方法，可以用于評估海底管道的抗壓潰能力。

1 試件抗壓潰能力的高壓艙試驗檢測

以下給出了試驗所用試件、設備、流程和試驗結果。

1.1 試件參數

試件的參數如表1所示，其端部為加強板(見圖1)。

表1 試件參數Tab.1 Parameter of Specimen

圖1 試件Fig.1 Specimen

1.2 試驗設備和流程

1.2.1 高壓艙

采用了1030高壓艙，其內徑為1,000,mm，有試實驗長度為2,000,mm，最大工作壓強為30,MPa，如圖2所示。

圖2 高壓艙設備Fig.2 Hyperbaric chamber

1.2.2 圓度儀

為了考慮橢圓度的影響，采用圓度儀對模型進行測量，如圖3所示。

圖3 橢圓度測量Fig.3 Ovality measurement

1.2.3 靜態應變測試系統

利用TST3826靜態應變測試系統進行數據采集，如圖4所示。

圖4 應變采集系統Fig.4 Collection system of strain data

1.2.4 試驗流程

整個模型試驗按照圖5所示的框架進行，利用高壓水泵將水注入蓄壓器，由蓄壓器向筒內注水加壓，試驗過程中使用水下攝像系統對模型在高壓下的狀態進行監測，利用壓力傳感器和壓力表進行試驗壓力測量，通過電腦屏幕顯示，如圖6所示。

圖5 高壓艙試驗框架圖Fig.5 Process diagram of hyperbaric chamber

圖6 高壓艙視頻和壓力數據顯示Fig.6 Video and pressure data

1.3 試驗結果

試驗過程加載至30 MPa時，試件無凹陷、破損，可見試件能夠承受30 MPa壓強。

2 數值模擬分析邊界影響

以下通過數值模擬方法分析了試驗和服役環境下管道的抗壓潰能力，通過兩者的比較定量給出了邊界的影響。

2.1 試樣抗壓潰能力的數值模擬分析

圖7 數值模型Fig.7 Numerical model

根據試樣參數，采用ABAQUS軟件[6]建立數值模型(見圖7)。基于弧長法(RIKS)分析了試樣的壓潰過程和載荷的變化情況，(見圖8、9)。由圖9可以得到試樣的極限抗壓潰能力：1P=57.3 MPa。

圖8 試樣壓潰過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of buckling prosess

圖9 載荷-時間歷程Fig.9 Load-time history

2.2 試樣所對應管道的抗壓潰能力

為了研究剛性邊界對試樣抗壓潰能力的影響，加大了模型的長度。根據數值模擬經驗，當模型長度為管道直徑的20倍，可以忽略剛性邊界的影響。此時對應的模擬結果見圖10，試樣的極限抗壓潰能力2P= 48 MPa。

圖10 模型壓潰示意圖及載荷-時間歷程Fig.10Schematic diagram of buckling prosess and loadtime history

2.3 邊界效應評估

通過兩組的極限抗壓潰能力的比較可以看出，試樣剛性邊界使其壓潰臨界值增大，定義剛性邊界放大系數η 如下：

η＝P1/P2＝57.3/48＝1.2

3 管道抗壓潰能力評估

試驗所加壓強3P=30,MPa時，試件沒有壓潰破壞，可以推導出該管道的抗壓潰能力如下：

P0＞P3/η＝30/1.2＝25 MPa

4 結 論

本文基于數值模擬方法分析了剛性邊界對高強厚壁海底管道抗壓潰能力的影響，聯合高壓艙物理模型試驗建立了一套高強厚壁管道的抗壓潰能力評估方法，可以用于深水海底管道抗壓潰能力的評估。■

［1］ Timoshenko S P，Gere J M. Theory of Elastic Stability[M]. New York：MeGraw-Hill，1961.

［2］ Corona E， Kyriakides S. On the collapse of inelastic tubes under combined bending and pressure[J]. International Journal of Solids and Structures，1988，24(5)：505-535.

［3］ Sakakibara N，Kyriakides S，Corona E. Collapse of partially corroded or worn pipe under external pressure[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2008，50(12)：1586-1597.

［4］ Nobuhisa S，Ryuji M，Alan G，et al. Local buckling behavior of X100 linepipes[C]. ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(OMAE2003). Cancun，Mexico，2003(3)：67-76.

［5］ 陳鐵云，沈惠申. 結構的屈曲[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1993.

［6］ ABAQUA，Inc. ABAQUS Version 6.9 Documentation[Z].

Evaluation Research on Buckling of Deepwater High-strength Pipeline with Small Radius-thickness Ratio

CAO Xianfan1,2，CAO Wenran1,2，ZHAO Kailong1,2，XU Shuang1,2，LIU Zhenwen1,2
(1. Research Institute of Engineering Technology，CNPC，Tianjin 300456，China；2. Key Laboratory of Offshore Engineering，CNPC，Tianjin 300456，China)

The deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio is usually used to overcome the hydrostatic pressure and its buckling evaluation can be achieved base on the hyperbaric chamber experiment. There is a great difference between the specimen in laboratory and the pipeline in the service for the specimen is fixed by use of rigid plate. It is necessary to analyze this influence caused by the rigid boundary condition. The ratio of buckling bearing capability of the specimen in laboratory and the pipeline in the service was calculated by numerical simulation method，which can evaluate the influence of the rigid boundary condition. Based on the ratio and the buckling bearing capability obtained from specimen，the buckling bearing capability of online pipeline can be achieved. The method has been used to evaluate the buckling bearing capability of deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio.

numerical simulation；hyperbaric chamber；high-strength pipeline with small radius-thickness ratio；buckling bearing capability；affection of boundary condition

TE973

：A

：1006-8945(2016)10-0142-04

2016-09-11