基于ABAQUS的S型鋪管法應力分析

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S型鋪管法應力分析

王友義
（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

目前海洋管道鋪設數值模擬大多依賴于OFFPIPE專業鋪管軟件；提出了一種新的S型鋪管法應力分析方法。該方法基于abaqus軟件，完全摒棄了懸鏈線理論；通過控制管道落地端的水平位移改變管道形態，從而獲得不同管道形態下的張緊力，找出管道鋪設的正常形態，得到相應的鋪管船允許張緊力。

海底管道；S型鋪管法；有限元

目前海洋管道鋪設數值模擬大多依賴于 OFFPIPE 專業鋪管軟件［1］；除了使用OFFPIPE軟件，懸鏈線法也是一種較常用的方法，國內外也有很多學者采用該法對J型鋪管做了較為全面的分析和計算［2］。如Gu［3］提出了用擴展的懸鏈線法模擬逼近型鋪管的垂彎段，通過算例分析證明了該法的有效性和正確性，龔等［4］分別采用自然懸鏈線和剛懸鏈線理論分別計算了海底管道型鋪設的形態，Croll［5］將修正的管道端部邊界層理論和懸鏈線理論結合起來，改善了管道端部的計算精度。懸鏈線理論將管道假設為質量按長度均勻分布的梁，但實際中的管道鋪設時質量分布并不是均勻的，從而影響了計算結果的精度。

本文提出了一種新的模擬方法，該方法完全摒棄了懸鏈線理論。鋪管過程中，船和管道整體的運動可以簡化為勻速運動，因此決定管道形態的主要因素不是鋪管船的速度，而是鋪管船施加給管道的張緊力，基于這種思想，在有限元模型中，通過改變管道落地端的位移控制鋪管船張緊力，獲得不同張緊力大小下的不同管道鋪設形態，找出管道鋪設的正常形態，得到相應的鋪管船張緊力允許范圍。

1　有限元模型

1.1幾何模型

托管架模型參照了中國海洋石油工程股份有限公司的深水鋪管船DPV7500，對 DPV7500的托管架設計而言，在深水鋪設的情況下，其脫離角度達到82.2°，需要提供的曲率半徑為73m，托管架應形成70°的圓弧。這里主要考慮的是管道的應力應變，因此在有限元模型中將托管架簡化為鋼性面，有限元模型如圖1、2所示。

圖1　管道有限元模型

1.2單元劃分及材料參數

單元采用剖面為環形的二次梁單元，管道外徑200mm，壁厚10mm。托管架和平面 A為剛性平面。管道長度為1 500m，劃分為500個單元。

1.3分析步驟

初始狀態時，管道平鋪在平面A上。

（1）第一個分析步設置管道與托管架和平面 A 的接觸屬性，并將管道的 M 端、托管架固定。

圖2　托管架模型

（2）第二個分析步給平面 A 施加-Z 方向的位移約束，使其下降到海底，下降深度為1 200m，并加載管道的濕重，該分析步完成后，有限元模型如圖3所示。

圖3　第三個分析步初始狀態

（3）第三個分析步施加管道 N 端的水平位移約束，該約束通過 40 個小步加載，逐漸調整管道垂彎段的曲率。

整個分析過程沒有考慮管道與海底間的摩擦，另一端的位移約束使管線產生了約束力，該約束力已經包含了摩擦力的效果。

2　結果分析

分析結果如圖4～圖7所示：可以看出，隨著 N 端向+X方向移動，管道垂彎段的曲率變小，管道 M 端的張緊力變大；管道彎曲曲率變小，減少了管道截面的橢圓化程度，但是隨著N端向+X 方向移動，管道開始逐漸脫離托管架，管道與托管架的接觸面積逐漸減少；這使得管道的局部應力增大，有可能導致管道上端因為應力集中而失效。而且管道的軸向應力的大小也可能超過屈服應力的水平（為了方便計算，模型中對托管架做了平滑處理，沒有反映局部應力的大小）。

圖4　管道與托管架分離臨界狀態管道整體結構

圖5　管道與托管架分離臨界狀態管道頂部結構

3　結論

管道的垂彎段的曲率是由鋪管船張緊力控制的，因此鋪管船張緊力應在一定的范圍內，使管道截面的橢圓度符合要求，而管道又不會脫離托管架。

圖3為管道最大彎曲曲率狀態，此時的張緊力為最小張緊力，管道下端曲率小于上端曲率，符合管道曲率要求。圖4、圖5為管道脫離托管架的臨界狀態，此時的張緊力為最大允許張緊力。因此鋪管船張緊力范圍為364 624～476 816N。

圖6　管道與托管架分離狀態管道整體結構

圖7　管道與托管架分離狀態管道頂部結構

［1］ 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.

［2］ 朱禮云.深水海底管道S型鋪管法安裝分析［D］.哈爾濱工程大學，2011.

［3］ Gu Yongning.Analysis of pipeline behaviors during laying operation［J］. China Ocean Engineering，1989.

［4］ 龔順風，陳源，金偉良，等.深水海底管道型鋪設形態分析［C］.//第十四屆中國海洋工程學術討論會論文集.內蒙古：2009.

［5］ Croll L A.Bending boundary layers in tensioned cables and rods［J］. Journal of Engineering for Industry，ASME，1967.

收稿日期：2016-05-12

作者簡介： 王友義（1992—），男，湖北潛江人，碩士研究生在讀，主要研究方向為工程力學和油氣儲運安全。

S-Lay Installation Analysis for Subsea Pipeline based on ABAQUS

Wang You-yi

Now，the numerical simulation of S-Lay Installation is mostly dependent on OFFPIPE.This paper proposes a new analysis method.Completely abandoned the catenary theory，the method is based on ABAQUS and gets different tension force from different pipe forms by changes the horizontal displacement on pipe fall to the ground.Then the good form of pipe is found and the tension force referring to is gotten.

subsea pipeline；S-lay pipe-laying；finite element method

TE973

A

1003-6490（2016）05-0035-02

2016-05-01

王強生（1979—），男，山西呂梁人，工程師，主要從事天氣預報工作。