基于ABAQUS的海洋立管強度分析

王友義（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

基于ABAQUS的海洋立管強度分析

王友義
（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

立管強度校核一般要求進行組合應力校核與橢圓度校核，由于立管受力的復雜性，目前尚沒有計算立管應力、變形的通用公式，基于有限元分析軟件abaqus/aqua模塊，編制環境載荷的INP文件，分析了環境載荷對立管應力變形的影響，為工程實際中海洋立管強度校核提供了理論基礎。

海洋立管；有限元；ABAQUS

管道的應力可以分解為三個互相正交的應力——徑向應力、軸向應力、環向應力［1］。對于一般的管道環向應力最大，軸向應力其次，徑向應力最小，因此強度設計一般基于屈瑞斯卡準則，忽略了軸向應力對管道屈服的影響而采用環向應力準則。

海洋立管受到平臺上端節點的拉力，下端海底土壤的支撐力，海水的壓力、沖擊力、浮力，自身的重力［2］，其受力情況復雜，軸向應力較大，屈瑞斯卡準則可能不適用立管屈服的評估，因此需要進行組合應力強度校核。

由于立管受力的復雜性，目前尚沒有計算立管應力的通用公式，本文基于有限元分析軟件abaqus/aqua模塊，編制環境載荷的INP文件，分析了環境載荷對立管應力變形的影響，為工程實際中海洋立管強度校核提供了理論基礎。

按照DNV OS F201（2001）中的要求，應分別對立管的安裝狀態及生產狀態進行校核；組合應力強度應滿足［3］：

式中：Cf—設計因子，取1.2；σa—允許組合應力，σpr—徑向應力；σpθ—環向應力；σpz—軸向應力。

立管橢圓度校核應滿足：

式中：v—泊松比，R—管道平均半徑，δ—壁厚。

1　有限元模型

1.1環境載荷

按照中國船級社《海上移動平臺入級與建造規范》的規定波浪理論模型按圖1選擇；本文算例中的海域：

式中：F為垂直于構件軸線單位長度上的拖拽力，CD為拖拽力系數，CM為質量系數，分別取1.2，2.0。ρw為海水密度，D為立管外徑，u為波浪速度矢量。

海流力：，其波浪模型為斯托克斯模型［4］。

立管單位長度上的波浪力和海流力基于莫里森公式計算。

式中，uc為海流流速。

在海水面處的立管部分，海流力與波浪力速度疊加后計算［5］：

圖1　波浪模型圖

1.2立管長度與模型單元

立管長度按懸鏈線理論計算：

式中：y—立管頂端距海底的垂直距離；x—立管的水平長度；a—懸鏈線參數；l—立管長度。

給定參數x、y即可求得立管長度。

立管單元采用剖面為環形的二次梁單元。管道外徑為200 mm，壁厚10mm。海底簡化為剛性平面。

2　分析步驟

立管服役過程中應避免不可恢復的塑性變形，因此有限元分析為彈性分析，模型還考慮了立管大變形引起的幾何非線性和管土間的接觸非線性。

在 abaqus 中，分成 4 個分析步驟模擬立管結構：

1）設置管道海底土壤的接觸模型，管道與海底的摩擦系數設為 0.3。

2）將 A 點設為鉸結，并加載立管的濕重。

3）加載 B 點的位移約束，使 B 點向平臺移動。

4）將 B 點固定在平臺上，并加載海流、海浪載荷。

另外為防止計算過程的不收斂，將立管y方向位移、YZ、XY平面內的轉動均約束為0。有限元模型如圖2所示。

3　結論

1）從圖3、圖4可以看出，在加載海流、海浪載荷后，立管的最大軸向應力值并沒有太大的變化，但立管結構發生了改變，而最初立管的失重主要由力管頂部的張力提供，而加載海流、海浪載荷完全后立管的失重主要由底部支撐，最大軸向應力區轉移到了底部。與此相對應的，立管安裝狀態下，立管內壓為 0，此時立管底部環向應力最大；立管工作狀態下，立管頂部外壓為 0，頂部環向應力最大。因此在進行組合應力校核時，安裝狀態下應校核立管的底部、生產狀態下應校核立管頂部。

圖2　立管結構分析有限元模型

圖3　無環境載荷后立管應力分布圖

2）加載環境載荷后立管的總體變形不是很大。證明算例中的立管在海浪條件下不會有管體結構的屈曲發生。

圖4　加載環境載荷后立管應力分布圖

3）加載載荷后，立管管頂有明顯的彎曲，因此校核管道截面的橢圓度時應校核立管的底部和頂部。

［1］ 帥健著.管線力學［M］.北京：科學出版社，2010.

［2］ 董永強.深海鋼懸鏈線立管的分析與設計［D］.哈爾濱工業大學，2008.

［3］ DNV OS F201（2001）：DynamieRisers，DETNORSKEVERITAS，2001.

［4］ 石油和化工工程設計工作手冊編委會編.海上油氣田工程設計［M］.東營：中國石油大學出版社，2010.

［5］ 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南［M］.北京：石油工業出版社，2011：11-14.

Intensity Analysis of Riser based on ABAQUS

Wang You-yi

The intensity check of riser must include combined stresses and ovality.As the stress of riser is complex，there is no common formula for calculating the stress and strain of riser.This paper writes the input file of the environment load based on ABAQUS/ aqua，the impact of environment load on riser is analyzed.The result provides a theoretical basis for the intensity check of riser.

riser；finite element method；ABAQUS

P756.2

A

1003-6490（2016）05-0148-02