復雜載荷作用下海洋非黏結柔性管道三維受力特征分析

狄勤豐++陳薇++張鶴++陳鋒++王文昌++周永其

摘要： 針對海洋柔性管道結構特征復雜、受力分析困難、復雜載荷作用下力學機理不明確的問題，考慮各功能層層內和層間的摩擦接觸行為，建立某海洋非黏結柔性管道三維非線性有限元模型，分析其在內壓、外壓、軸向力和扭矩作用下的受力特征。研究結果表明：海洋非黏結柔性管道在外載荷作用下容易產生波節性變形特征；外壓主要由外側抗壓鎧裝層承擔，內壓主要由內側抗壓鎧裝層承擔，軸向力主要由抗拉鎧裝層承擔，扭矩主要由與其旋向相反的抗拉鎧裝層承擔。參考該分析結果，可有針對性地對某特定功能層進行優化設計以提高海洋非黏結柔性管道的預期力學性能。

關鍵詞： 海洋柔性管道； 非黏結管道； 摩擦接觸； 復雜載荷； 應力特征

中圖分類號： TB124；TE53文獻標志碼： B

收稿日期： 2017[KG*9〗08[KG*9〗26修回日期： 2017[KG*9〗08[KG*9〗30

基金項目： 國家自然科學基金（U1663205，51174130）；上海市重點學科建設（S30106）；上海市部分地方院校能力建設（12160500200），上海市教育委員會（高峰學科建設項目）和上海市青年科技英才揚帆計劃（17YF1428000）

作者簡介： 狄勤豐（1963—），男，江蘇溧陽人，教授，博士，研究方向為石油工程力學問題，（Email）qinfengd@sina.com

通信作者： 陳鋒（1986—），男，浙江松陽人，講師，博士，研究方向為有限元仿真分析，（Email）chenfeng536@126.com

3D mechanical characteristics analysis of

marine unbonded flexible pipe under complex loads

DI Qinfeng1a， CHEN Wei1a， ZHANG He1a， CHEN Feng1b，

WANG Wenchang1a， ZHOU Yongqi2

（1. a. Shanghai Key Laboratory of Mechanics in Energy Engineering， Shanghai Institute of Applied Mathematics

and Mechanics； b. School of Mechatronics Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200072， China；

2. Shanghai Hilong Petroleum Tubular Goods Research Institute， Shanghai 200949， China）

Abstract： The structural characteristics of the marine unbonded flexible pipe is very complex， so it is difficult to analyze the mechanical characteristics of the pipe， and the mechanical mechanism of the flexible pipe under complex loading is not clear. A 3D nonlinear finite element model of marine unbonded flexible pipe is built considering the friction contact behavior of each layer. The stress characteristics of internal pressure， external pressure， axial force， and torque on flexible pipe is analyzed. The analysis results show that the deformation characteristics of marine unbonded flexible pipe usually appears wave shape under external pressure； the external pressure is mainly borne by outer pressure armor layer， the internal pressure is mainly borne by the inner pressure armor layer， the axial force is mainly borne by the tensile armor layer， and the torque is mainly borne by the tensile armor layer of reverse rotating direction. The results can supply pointed references for the optimum design on a specific functional layer to improve the expected mechanical properties of marine bonded flexible pipe.

Key words： marine flexible pipe； unbonded pipe； frictional contact； complex load； stress characteristics

0引言

隨著陸地油氣資源開采力度的日漸加大和油氣儲量的不斷減少，海洋石油資源已經成為人們關注的焦點和新一輪油氣勘探開發的熱點。據統計，2016年我國的原油對外依存度已突破65%[1]，加快海洋油氣開發已經成為我國實現能源可持續發展的戰略重點。海洋管道是海洋油氣勘探開采系統的重要組成部分，按材料不同一般將海洋管道分為鋼管型管道和柔性管道2類。柔性管道的整個管體以鋼材和化工材料為主，相對于鋼管型管道，其具有彎曲性能好、易鋪設、抗腐蝕性好、耐高壓等優勢，更適用于深海油氣開發。[2]endprint

柔性海洋管道又分為黏結型和非黏結型2類。非黏結型柔性管道見圖1，因其功能層層數可增減，功能層排布可根據實際情況進行選擇[3]，所以在深海和長距離海洋工程中應用廣泛。

目前，深海油氣開采所需要的柔性管道幾乎被國外幾家大公司所壟斷，我國柔性管道研究剛剛起步，海洋管道的設計使用主要依賴進口，所以對海洋柔性管道進行系統研究顯得非常重要和迫切。

海洋非黏結柔性管道的構成層較多，且各層材料結構復雜、功能不同，因此，對其整體結構進行力學性能研究異常困難。近年來，研究人員采用解析法、試驗法和有限元仿真分析法對海洋柔性管道的受力特征展開廣泛研究。解析法需基于大量假設性條件，很難真實反映復雜載荷作用下海洋柔性管道的受力特征。實物試驗雖能直觀地評價柔性管道的綜合特性，但無法有效揭示接頭內部真實的應力應變狀態，且試驗費用高、周期長。隨著數值計算方法的日益成熟，越來越多的科研工作者采用數值模擬方法研究柔性管道的受力。

BAHTUI等[46]基于Abaqus分析非黏結柔性管道在扭轉和拉伸載荷作用下的受力特征，所得結果與理論解析結果具有較好的一致性。SVIK[7]通過數值模擬的方法預測非黏結柔性管道抗拉鎧裝層之間的相對滑動，并評估鎧裝層滑動對彎曲應力的影響。ALFREDO等[89]基于Abaqus對非黏結柔性管道的骨架層屈曲進行深入研究，建立全三維的有限元模型，評價管道缺陷對屈曲載荷的影響，揭示管道壓潰行為的機理。WANG等[10]通過理論解析和數值模擬聯合的方法對非黏結柔性管道進行研究，指出骨架層的各向異性特征和復雜截面導致骨架層的剛度不斷變化，但用理論解模型進行分析時要對公式進行修正。姜豪等[11]運用梁單元和殼單元建立非黏結柔性立管的簡化模型，并通過實驗驗證該模型的可靠性。

由于非黏結柔性管道各功能層的層間、層內接觸關系非常復雜，接觸算法給有限元問題引入高階非線性而使得求解時間急劇增加，且不易收斂。因此，絕大部分研究人員都選擇忽略層間的摩擦效應，即忽略層間的相對位移。事實上，在復雜載荷作用下，非黏結柔性管道各功能層之間易出現相對滑動，其對非黏結柔性管道的力學特性有重要影響。鑒于此，本文考慮海洋非黏結柔性管道各功能層間的摩擦特征，基于Abaqus深入研究海洋非黏結柔性管道的三維非線性力學行為，以期為開發新一代海洋非黏結柔性管道提供指導。

1有限元模型

1.1網格劃分

以某海洋非黏結柔性管道為例，考慮各功能層的幾何結構特征，建立其三維全尺寸計算模型，包括內襯層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、耐磨層、保溫層、中間包覆層和外包覆層，網格劃分示意見圖2。

1.2摩擦接觸模型

采用庫侖摩擦接觸模型描述各功能層層內、層間的摩擦接觸行為，采用罰函數法求解接觸問題，根據虛位移原理[12]可得Wc|t+Δt=-δΠCP=

∫|t+Δt（-αN（uN，1-uN，2+l*|t）（δuN，1-δuN，2）-αT（uT，1-uT，2）（δuT，1-δuT，2）） |t+ΔtdS（1）

式中：uN，m和uT，m（m=1，2）為接觸點法向增量位移和切向增量位移，m=1，2分別表示2個接觸體；l*為增量步結束時刻接觸體的相對位移；αN和αT為法向罰參數和切向罰參數。

應用庫侖摩擦模型，此時接觸界面上的接觸力可表示為pN，1|t+Δt=-pN，2|t+Δt=-αN（uN，1-uN，2+l*|t）=-αNl*|t+Δt （2）

pT，1|t+Δt=-pT，2|t+Δt=-αT（uT，1-uT，2）=μsαN（uN，1-uN，2+l*|t） （3） 將式（2）和（3）代入式（1）中，可得Wc|t+Δt=-δΠCP=∫|t+Δt-αN（uN，1-uN，2+l*|t）（（δuN，1-δuN，2）-μs（δuT，1-δuT，2））|t+ΔtdS （4） 1.3材料參數

從某海洋非黏結柔性管道中截取一段，加工成各功能層材料力學試驗的標準件，分別進行材料力學試驗，結果見表1。各功能層間的摩擦因數假定為0.1。[13]

比黑色塑料（鉸鏈聚乙烯）0.71825.3727.120.38白色塑料（聚乙烯）0.70022.960.38白色金屬絲（抗拉鎧裝層）210498.7583.10.29黑色鋼帶（抗壓鎧裝層）210597.1642.50.29

2在復雜載荷作用下海洋非黏結柔性管道三維受力特征分析2.112.0 MPa外壓作用

對海洋非黏結柔性管道施加12.0 MPa的外壓，考察其受力特征。為更好地描述柔性管道的變形特征，在其中心位置建立局部柱坐標系，得到柱坐標系下海洋非黏結柔性管道位移分布特征見圖3。由圖3a）徑向位移可以看出，在外壓作用下柔性管道在y方向產生徑向鼓脹，x方向產生徑向收縮。由圖3b）環向位移可以看出，在外壓作用下柔性管道在環向產生一定的扭曲變形，這是由于柔性管道各功能層間接觸復雜，受力不均勻所致。由圖3c）軸向位移可以看出，在外壓作用下柔性管道整體有所伸長。由圖3d）整體位移分布特征（變形效果放大10倍）可以看出，外壓作用下柔性管道出現波節性鼓脹與收縮的變形特征，這主要是由抗壓鎧裝層的螺旋纏繞特征導致的。在外壓作用下海洋非黏結柔性管道的von Mises應力分布特征見圖4，管道各功能層示意見圖5。由此可見，在外壓作用下柔性管道的外側抗壓鎧裝層（圖5中的第2和3層）應力水平較高，即外側抗壓鎧裝層主要起承擔外壓載荷的作用。在12.0 MPa外壓作用下，抗壓鎧裝層最大von Mises應力達791.8MPa，已超過材料屈服強度597.1 MPa，應增強柔性管道外側抗壓鎧裝層設計或增加骨架層，以提高柔性管道的抗擠性能。

2.212.0 MPa外壓與14.0 MPa內壓共同作用

在12.0 MPa外壓的基礎上，繼續對模型施加14.0 MPa的內壓，得到在外壓、內壓聯合作用下海洋非黏結柔性管道的von Mises應力分布見圖6。endprint

由此可見，疊加內壓作用后，柔性管道內側抗壓鎧裝層（圖5中第7～10層）的應力水平也有所升高，即內側抗壓鎧裝層主要起抗內壓的作用。在12.0 MPa外壓和14.0 MPa內壓共同作用下，抗壓鎧裝層的最大von Mises應力達到792.5 MPa（發生在外側抗壓鎧裝層第2層），超出材料的屈服強度597.1 MPa，即抗壓鎧裝層鋼帶將產生局部塑性變形（發生在外側抗壓鎧裝層的邊緣處，見圖6c）和6d））。

force on axial direction， MPa由此可見，在軸向拉力作用下，柔性管道的抗拉鎧裝層（圖5中的第5和6層）應力水平較高，即抗拉鎧裝層主要起承擔軸向力的作用。在500 kN軸向拉力作用下，柔性管道抗拉鎧裝層上的最大von Mises應力為634.4 MPa，已超過材料屈服強度498.7 MPa，應增強抗拉鎧裝層設計以提高柔性管道的抗拉性能。圖7d）中von Mises應力分布呈波節性，主要是由內側抗壓鎧裝層的擠壓作用導致的（見圖7e）～7h））。

2.4500 kN軸向力和 30 kN·m扭矩共同作用

在軸向拉力和扭矩作用下海洋非黏結柔性管道von Mises應力分布見圖8。由此可見，扭矩的作用可大幅提高柔性管道的抗拉鎧裝層內層（圖5中的第6層）的應力水平，同時降低抗拉鎧裝層外層（圖5中的第5層）的應力水平。這主要是因為施加的扭矩是沿著z軸正向的，而內層抗拉鎧裝層繞z軸反螺旋，外層抗拉鎧裝層繞z軸正螺旋。圖8d）中von Mises應力分布的波節性，主要是由內側抗壓鎧裝層的擠壓作用導致的（見圖8e）～8h））。

3結論

（1）由于抗壓鎧裝層具有螺旋纏繞特征，海洋非黏結柔性管道在外載荷作用下容易產生波節性變形。

（2）海洋非黏結柔性管道的外側抗壓鎧裝層主要起承載外壓的作用，內側抗壓鎧裝層主要起承載內壓的作用。在12.0 MPa外壓和14.0 MPa內壓作用下抗壓鎧裝層最大應力達792.5 MPa，超出材料的屈服強度597.1 MPa，即抗壓鎧裝層鋼帶將產生局部塑性變形，位置在外側抗壓鎧裝層的邊緣處。

（3）軸向力作用主要由抗拉鎧裝層承擔。由于受內側抗壓鎧裝層的擠壓作用，在軸向拉力作用下抗拉鎧裝層的von Mises應力分布呈波節性特征。

（4）扭矩的作用主要由抗拉鎧裝層承擔，且會提高反向螺旋抗拉鎧裝層的承載能力，降低同向螺旋抗拉鎧裝層的承載能力。

a）斷面視圖b）剖面視圖

c）第5層d）第6層e）第7層f）第8層g）第9層h）第10層圖 8在軸向拉力和扭矩作用下海洋非黏結柔性管道von Mises應力分布，MPa

Fig.8von Mises stress distribution of marine unbonded flexible pipe under tensile forces on axial direction and torque， MPa

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