海底柔性復合管隆起屈曲有限元分析

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(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300450； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710065； 3.西安交通大學機械工程學院 陜西 西安 710049)

·試驗研究·

海底柔性復合管隆起屈曲有限元分析

龔海潮1，魏斌2，李兵3

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300450； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710065； 3.西安交通大學機械工程學院 陜西 西安 710049)

柔性復合管在海洋油氣輸送領域發揮著重要作用，管道隆起屈曲分析是海洋管道設計的重要技術之一。柔性復合管具有多層結構，每層材料性質差異較大，且層間應力關系復雜，使得隆起屈曲分析有別于傳統的單層剛性管道。利用有限元分析軟件ANSYS，研究了管道內流體溫度、壓力以及埋泥深度三種因素對多層柔性管道隆起屈曲程度的影響。結果表明：對于多層柔性管道，輸送流體溫度越高，管道隆起高度越高，輸送流體壓力升高將限制管道的隆起，埋泥深度增大將限制管道的隆起。研究工作和分析結果將為海底管道鋪設提供理論依據和設計參考。

海底柔性管；隆起屈曲；有限元分析；溫度；壓力；埋泥深度

0 引 言

柔性復合管是連接海底石油或天然氣井口與浮式平臺輸送油氣或注水的重要海洋裝備,一般是由聚合物阻隔層和各種金屬螺旋鎧甲層、非金屬耐磨層等結構層復合而成。柔性復合管主要優點有：良好的柔性、安裝速度快、安全可靠性高、可采用模塊化的設計方式、抗腐蝕性好、抗壓性能好、可回收重新利用等七方面。柔性管在海洋石油資源開發中具有良好的環境適應能力和經濟效益，在國內外多個海洋油氣田的開發過程中得到了廣泛的應用[1]。

近年來，海底管線輸送流體的工作溫度隨著油氣井開發深度的增大而不斷地提高，很多管線設計溫度普遍達到或者超過80 ℃，甚至出現120 ℃的高溫[2]。海底埋設管道在這種高溫高壓條件下運行時，有時會從原來位置上突然隆起，甚至拱出埋設土層，這種現象稱為海底管道隆起屈曲[3]，如圖1所示。該過程類似于梁在軸向載荷達到臨界值時發生的歐拉屈曲[4]。當管道隆起屈曲時，鋼管會產生較大的彎矩以及較大的塑性變形，甚至可能進一步出現裂紋、疲勞、局部屈曲[5]。這些問題給管道安全運行帶來巨大安全隱患，挪威船級社(DNV)規范RP4-110《Global buckling of submarine pipelines-structural design due to high temperature and high pressure pipelines》明確要求在海洋管道設計時對這種情況進行詳細分析。

圖1 管道隆起示意圖

現有的管道設計規范雖然都詳細的描述了管道溫度應力的計算方法，但都是以單層管為對象[6]。并且當存在初始缺陷情況下，解析及求解非常困難，因此通常采用數值模擬分析具有初始隆缺陷的海底管道的隆起屈曲[7]。由于多層柔性管道在結構上與傳統的單層剛性管道差別較大，然而傳統的分析單層剛性管道方法運用在多層柔性管道中有著計算精度低，計算量大等問題。

本文針對一新型七層柔性海洋管道，采用有限元軟件ANSYS，建立了七層管道的高精度有限元模型，分析了管道溫度、壓力和埋泥深度等不同因素對其隆起屈曲變形的影響，研究工作為海底管道施工提供重要的理論依據和技術參考。

1 柔性海洋管有限元建模

海洋柔性管的內徑為140 mm，外徑為250 mm，主要結構為7層，端面結構如圖2所示，有里層到外層依次為內壓屏蔽層、壓力鎧裝層、抗拉鎧裝層、中間屏蔽層、抗外壓鎧裝層和外保護層。各層材料類型和功能見表1。

圖2 多層海洋柔性管道橫截面圖

層數名稱材料功能1內壓屏蔽層聚偏氟乙烯提供內部流體完整性通道2壓力鎧裝層Q195L鋼承受內壓荷載3抗拉鎧裝層Q235B鋼4抗拉鎧裝層Q235B鋼平衡扭轉,承受軸向及部分環向荷載5中間屏蔽層耐熱聚乙烯阻止內外介質二次滲透,保護金屬結構層6抗外壓鎧裝層Q195鋼承受外壓荷載7外保護層耐熱聚乙烯阻止外部流體進入,保護柔性管內部結構

多層柔性管道主要受軸向載荷影響，軸向載荷的大小取決于多種因素，如鋪設過程中產生的張力、管道運行過程中內壓、溫度的變化所產生的軸向載荷、以及管道與海底的摩擦等。溫度載荷是管道發生隆起屈曲的關鍵控制因素[8-10]。假設有初始形狀的管道鋪設在海床上，兩端無軸向位移，內管受溫度載荷作用。對該問題建立溫度載荷有限元分析模型，內外管采用ANSYS中Elbow290單元[11,12]。該單元是ANSYS公司最新開發的專門針對多層管道有限元建模的多層管單元。該單元能夠適應線性大轉角情況，同時也適用于非線性大應力等非線性情況。該單元可以定義每一層的材料性質進行建模分析，適用于復合材料管道分析，其復合管道計算精確度受第一剪切應力準則控制。計算中采用的復合管各層材料性質見表2。

表2 有限元計算中應用的柔性復合管各層材料性質

由于管道隆起對于管道長度有所限制，長度過短會影響隆起部分的隆起形狀和應力分布，因此建模長度選取為200 m。初始幾何缺陷是海底管道整體屈曲分析中非常關鍵的因素，基于有限元分析軟件建立的海底管道整體屈曲分析的有限元模型必須引入幾何缺陷才能進行整體屈曲分析[13]。管道初始形狀可用式(1)表示[14]：

(1)

其中，ω0為初始缺陷高度，L0為初始缺陷長度，缺陷形狀假設關于x=0對稱，初始缺陷高度為0.3 m，初始缺陷長度為10 m。

在隆起屈曲-5 m至5 m處每0.1 m劃分一個單元，其余每1 m劃分一個單元。管道沿周向劃分40等份，建模完成共劃分290個單元，建模后效果如圖3和圖4所示。

圖3 管道建模整體示意圖

圖4 管道建模截面示意圖

2 邊界條件及載荷施加

計算過程中需要考慮兩種邊界條件，一是管道接頭兩端的固定作用，二是地面的支撐作用。柔性復合管單支長度一般為50～100 m，中間靠金屬接頭連接，因此計算過程中可將其簡化為管道兩端的六自由度完全約束。其物理意義在于接頭會限制管道的軸向的移動和轉動，垂直于地面的移動和轉動還有平行于地面方向的移動和轉動，恰好完全限制了六個自由度。對于地面支撐，沒有隆起的管道直接限制垂直于地面的移動。根據管道三種實際工況分別施加如下載荷：

1)溫度載荷：對于Elbow290單元，溫度載荷對其來說為體載荷，可直接設定每一層表面的溫度進行計算。

2)內壓載荷：對于Elbow290單元，壓力載荷對其為面載荷，可將壓力直接施加在某一層的表面上。處理時將壓力載荷直接施加在管道內層表面上，壓力載荷正方向的定義是垂直于表面向外為正方向，對于內表面來說，內壓方向為垂直于內表面向內，因此內壓載荷的設定為負。

3)埋泥載荷：對于Elbow290單元，可以將埋泥深度轉化為節點力直接施加在變形單元的節點上，其線載荷可表述為式(2)。

Rclay=γHD+D2(1/2-π/8)+2SU(H+D/2)

(2)

式中：γ為土壤浮重，γ取6 900 N/m3；H為管道上部覆蓋土體高度(海床至管道最上端)；D為管道外徑；Su為管道中心到溝槽頂部的平均不排水剪切強度。Su取2 000 N/m2。管道輸送流體溫度為80 ℃，內部壓力為20 MPa。

3 計算結果

3.1 熱應力對管道隆起屈曲的影響

由于需要對七層管道每一層施加溫度載荷，因此在管道屈曲分析之前進行傳熱分析，以確定每一層管道的每個面的溫度情況。進行建模之后，施加邊界條件，內層溫度為變量從80～30 ℃變化，外層溫度定為0 ℃，進行計算得到溫度分布云圖如圖5所示。

圖5 管道橫截面溫度分布云圖

將以上熱分析結果帶入到Elbow290單元體載荷中進行及計算，打開非線性大變形開關，將管道橫截面溫度分布數據帶入，以初始不平度高度為0.3 m，初始不平度長度為10 m，內層溫度為80 ℃為例，管道屈曲形狀如圖6和圖7所示。最大應力以及截面應力分布如圖8所示。

圖6 管道變形圖

圖7 管道變形局部變形云圖

圖8 管道屈曲界面應力分布分布云圖

改變內層溫度，經計算得到溫度與管道隆起屈曲垂直方向位移關系如圖9所示。由圖9可以看出，內層溫度直接影響了管道的隆起屈曲程度。隨著溫度的升高，隆起屈曲的位移不斷變大。產生上述結果的原因是溫度升高使材料發生了膨脹，并在軸向方向產生了壓應力，又由于初始不平度的影響導致的歐拉桿的失穩，最終導致管道發生隆起屈曲。另一方面是由于壓力鎧裝層的材料彈性模量較大，在同等變形的情況下會產生更大的應力，容易造成整個結構的塑性屈服。但是熱導率很低的最內層材料聚偏氟乙烯減小了向外的熱量傳遞，限制了壓力鎧裝層的溫度升高，進一步限制了壓力鎧裝層因為溫度的變化而造成的膨脹，最終減小了整個結構的位移變形，因此內層材料使用熱導率低的材料是十分重要的。從圖8可以看出，最大應力發生在第六層的外壓鎧裝層。由于第六層厚度比較小，會受到整個內層的擠壓而變形，并且因為其處于外層位置，所以相應的變形量和應力都較大。

圖9 隆起屈曲高度與輸送流體溫度關系圖

圖10 隆起屈曲高度與管道內壓關系圖

3.2 內壓載荷對管道隆起屈曲的影響

使用SFE面載荷命令將壓力加載到內層管道中，管道內部壓力從0 MPa至20 MPa每隔2 MPa進行一次計算，以輸送流體壓力為20 MPa，初始不平度高度為0.3 m，初始不平度長度為10 m，內層液體溫度為80 ℃。改變輸送流體壓力，計算后得到內部液體壓力與管道隆起屈曲的關系如圖10所示。由圖10可以看出，隆起高度隨管道內壓的升高而降低，提高壓力能夠減小管道隆起屈曲的程度。分析原因是因為管道內部壓力越大，管道會因為壓力的作用有一定的體積膨脹，此時層與層之間的正壓力就會增加，正壓力的增加就會間接地增加最大靜摩擦力以及滑動摩擦力。而摩擦力的增加會阻礙管道的層間滑動。因此增大內部液體壓力會限制管道的隆起屈曲。

3.3 埋泥深度對管道隆起屈曲的影響

根據式(2)能夠計算出在不同埋泥深度下，管道隆起需要克服的垂直方向作用力。經過計算埋泥深度和垂直方向作用力的關系，改變不同的埋泥深度，計算后得到埋泥深度與管道隆起高度之間的關系如圖11所示。在管道上方埋泥不僅有重力的作用，并且還有管道突破土層需要克服排水剪切壓力，因此埋泥是最能夠限制管道隆起屈曲的因素。但是考慮到生產成本和管道鋪設難度的問題，埋泥深度不宜過大。計算結果表明埋泥深度在0.3 m左右，管道隆起現象已經被極大地抑制。

圖11 隆起屈曲高度與埋泥深度關系圖

4 結 論

采用有限元軟件ANSYS，建立了七層柔性復合管的隆起屈曲有限元模型，分析了管內溫度、壓力和埋泥深度三種主要因素對管道隆起屈曲變形的影響，得到如下結論：

1)管內溫度越高，管道隆起高度越高；

2)提高輸送流體壓力能夠減小管道隆起屈曲的程度，內壓在14～20 MPa之間對管道隆起屈曲有較好抑制效果；

3)埋泥也能夠限制管道的隆起屈曲，埋泥深度超過0.3 m，管道隆起已被明顯抑制。

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FiniteElementAnalysisandCalculationofUpheavalBucklingofSubmarineFlexibleCompositePipe

GONGHaichao1,WEIBin2,LIBing3

(1.ChinaNationalOffshoreOil(China)Co.Ltd.,TianjinBranch,Tianjin300450,China； 2.StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China; 3.SchoolofMechanicalEngineering,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an,Shaanxi710049,China)

Submarine pipes are gradually widely used in ocean engineering. However, when the seabed has a prop for the pipeline that used in high temperature, the buckling behavior will easily occur. The safety of pipeline is heavily affected by the buckling behavior. More multilayered flexible pipelines are used because of complex situation in ocean and engineering demand. And the upheaval buckling more easily occurs in multilayered flexible pipelines compared to traditional pipes. However, because of the many numbers of layers, the difference among different layers and the complexity of stress between two different layers, the analyzing of multilayer flexible pipeline is different from traditional single inflexible pipeline and more difficult. According to the problems above all, the buckling behavior affected by different factors is analyzed by software ANSYS. Finite element model is established. Three different factors are discussed. Temperature pressure and the depth which the pipeline is buried in are analyzed in this paper. The results show three conclusion. First, the higher temperature will cause the heavier buckling behavior. Second, the more depth will limit the buckling behavior. Third, the higher pressure will also limit the buckling behavior. The result will provide theory and reference with constructing submarine pipeline.

submarine flexible pipeline; upheaval buckling; FEM analysis; temperature; pressure; depth of embedded mud

龔海潮，男，1983年生，工程師，2006年畢業于河北工業大學工程管理專業，現從事海上油氣田開發工程項目管理工作。E-mail:gonghch@cnooc.com.cn

TE832.2

A

2096-0077(2017)06-0029-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.008

2017-07-24

葛明君)