基于ABAQUS的兩種柔性管道接頭的分析研究

張大朋，王少鵬，白 勇，李園英

1.浙江大學建工學院，浙江杭州 310058

2.寧波大學海運學院，浙江寧波 315211

3.勝利油田新能源開發中心，山東東營 257000

海洋柔性管道的管壁結構復雜，無法采用傳統的焊接方式進行連接，需要為其設計專門的接頭以保證柔性管的正常使用[1-2]。海洋柔性管道接頭設計通常與管道設計同步進行。

1 深水柔性管接頭設計

典型的非黏結性金屬增強柔性管由多層結構組成，典型的黏結性復合材料增強型熱塑管由內襯層、增強層和外護層三層粘合組成[3-8]。

1.1 非黏結性柔性管接頭設計

在設計非黏結性柔性管接頭之前，首先應結合工程實際進行非黏結性金屬復合柔性管的結構設計，并依據其管道結構及相關尺寸信息為接頭設計提供依據。圖1為φ6 in（1 in=25.4 mm） 非黏結性金屬復合柔性管的軸向剖視圖，由11層結構組成，結構相當復雜。根據圖1柔性管的參數，通過結構建模與設計修改，設計了如圖2所示接頭。

圖1 φ6 in非黏結性金屬復合柔性管軸向剖面

圖2 非黏結性金屬增強復合柔性管接頭

1.2 黏結性柔性管接頭設計

黏結性纖維增強熱塑管通常是由內、外聚合層和中間復合材料增強層熱塑而成，這種管道所有結構層之間是相互黏結的，此類管道接頭設計簡單，圖3所示為φ6 in黏結性柔性管軸向剖面、圖4為其接頭。

圖3 φ6 in黏結性柔性管軸向剖面

圖4 典型φ6 in黏結性柔性管接頭

2 深水柔性管接頭有限元分析

2.1 非黏結性柔性管接頭有限元分析

非黏結性金屬復合柔性管的管道結構復雜，使用ABAQUS CAE建模難度較大，使用SolidWorks建模導入后模型會出現失真變形等問題。為有效解決上述問題而又不增加仿真計算所需設備配置和計算時間，本文將非黏結性金屬復合柔性管的螺旋卷繞結構的骨架層、S型互鎖卷繞結構的耐壓鎧裝層以及雙層反向正交纏繞的抗拉鎧裝層這三層復雜的柔性管結構層采用簡單管狀結構進行模擬替代，在不影響分析結果的前提下進行替代。

2.1.1 模型建立

圖5為非黏結性金屬復合柔性管及其接頭構成的整體有限元模型，模型的所有單元均采用實體單元，在受力集中以及需要詳細分析的區域進行網格細分。

圖5 非黏結性金屬復合柔性管接頭有限元分析模型

2.1.2 材料屬性

非黏結性柔性管接頭的金屬部件與管道各結構層均為各向同性材料制成，接頭結構均為不銹鋼或高強度低碳合金鋼，管道內襯層與外護套層為高聚乙烯（HDPE），管道的骨架層采用高強度不銹鋼S316L，耐壓鎧裝層采用高強度低碳合金鋼S355JR，抗拉鎧裝層采用高強度低碳合金鋼，其材料特性如表1所示。

表1 各向同性材料特性

2.1.3 網格劃分

對于接頭與管道，均可以視為各向同性材料，一般選擇C3D8R六邊形實體單元。

2.1.4 載荷與邊界條件

深水柔性管接頭系統受到的載荷：內部流體壓力為40 MPa；外部為海水壓力，假定該接頭布設水深為1 500 m，則外部海水壓力約為15 MPa；對于等效軸向張力，管道在動態布設時，接頭連接處需要承受較大的軸向載荷，設等效軸向載荷為1 MPa，作用于接頭法蘭蓋板上。邊界條件為管道自由端固定，無位置偏移和轉動。

2.1.5 分析步

深水非黏結性金屬復合柔性管接頭有限元分析步分為兩步進行，第一步先在端部施加5 000 kN的等效拉力，第二步施加內外流體壓力。

2.1.6 分析結果

通過詳細的有限元分析計算獲得了非黏結性柔性管接頭的Von Mises應力、接觸位移等。

2.1.6.1 非黏結性柔性管接頭的VonMises應力分析

圖6為深水非黏結性金屬增強柔性管接頭整體的Von Mises應力分布和接頭剖面處的Von Mises應力分布示意。

圖6 深水非黏結性金屬增強柔性管Von Mises應力分布

從圖6中可以看出，非黏結性柔性管接頭在受到設計載荷作用時的等效應力極值為215.3 MPa，主要分布在非黏結性金屬增強柔性管的骨架層與接頭本體連接處附近區域，呈環狀分布。這可能是該管道端部外側去除了其他管道層而接頭本體未能提供足夠保護造成的，這可以通過在接頭內部空腔注入環氧樹脂保護體來減小此處的高應力。在考慮安全系數1.25后此處的最大等效應力為269.1 MPa，小于S355JR結構鋼的屈服強度355 MPa，因此接頭系統在設計載荷條件下不會發生屈服現象；在考慮安全系數1.65后的極限等效應力為355 MPa，與S355JR結構鋼的屈服應力相當，但一般情況下接頭不會在此工況下在位運行。說明在設計載荷條件作用下非黏結性金屬增強柔性管接頭的各個零部件均不會產生屈服現象，即該類型非黏結性金屬復合柔性管接頭設計的結構強度滿足設計規范要求。

圖7為深水非黏結性金屬增強柔性管的金屬接頭本體和本體內部在極限設計載荷作用條件下的Von Mises應力分布示意。

圖7 深水非黏結性金屬增強柔性管接頭Von Mises應力分布

圖7（a）顯示接頭本體上的Von Mises應力分布均勻，呈軸對稱狀分布。該接頭本體上的應力極值出現在其與骨架層端部連接處，大小為106.5MPa，該區域是柔性管與接頭連接的結構薄弱處，在考慮1.25的安全系數后該處最大等效應力約為133.1MPa，小于S355JR結構鋼的材料屈服應力355 MPa。這表明接頭本體的設計符合設計規范要求，滿足實際極限設計工況的工作需要。同時，由分析結果可知，骨架層端部作徑向水平切割后，應當對其端部進行焊接，增強其端部的耐壓能力，插入接頭本體的長度應盡可能大一些，最適合的插入長度應保持在DR/2～DR之間（DR為柔性管內徑）。

2.1.6.2 非黏結性柔性管接頭的位移變化分析

圖8為接頭整體在設計載荷作用下的位移變化情況。從圖8（b）中可以看出，位移變化最明顯的是骨架層和耐壓鎧裝層與接頭連接處，這表明此處承受變形能力較弱。進一步觀察發現，插入接頭本體內部的部分位移量較小，缺少外部包覆層部分的位移量增大。因此，在耐壓鎧裝層插入末端至抗拉鎧裝層自由散開根部的這一段耐壓鎧裝層外側，增加一個環狀金屬保護套與接頭本體安裝連接，在耐壓鎧裝層端部保護套與耐壓鎧裝層之間的縫隙內注入環氧樹脂，可以增強此處承受內部壓力的能力，以免此處發生連接失效。

圖8 接頭結構位移量

2.2 深水黏結性復合材料增強型熱塑管接頭有限元分析

一般情況下黏結性柔性管不直接進行增強結構層機械固定，而是通過較大的管壁擠壓接觸摩擦進行連接固定。在進行整體分析時，柔性管接頭插管外壁與柔性管內壁、接頭外殼內壁與楔塊外壁之間的接觸均認為是摩擦接觸，接頭外殼與接頭本體之間連接的螺紋定義為完全黏結。此分析模型選用直角坐標系，柔性管的軸線方向與X軸方向一致，對于柔性管的復合材料增強層作為各向異性構件在分析時選用柱狀坐標系。

2.2.1 模型建立

黏結性復合材料增強型熱塑管接頭分析模型見圖9。

圖9 黏結性復合材料增強型熱塑管接頭分析模型

本文在進行柔性管接頭有限元分析時在標準ANSI法蘭處增加了一個法蘭端蓋并預期完全連接固定，對端蓋內表面施加1 MPa等效張力來模擬接頭所受軸向拉力的影響。

2.2.2 材料屬性

2.2 藥粉拌種消毒：一般適用于干籽直播的種子處理，如十字花科的白菜、蘿卜、甘蘭、菜花、元蔥、大蔥等。藥粉用量一般為種子重量的0.1%～0.5%。用一個可以密封的罐子或瓶子，把用天平稱好種子和藥粉倒入罐或瓶中，不能裝滿，封嚴蓋后，連續搖動5分鐘以上，即可播種。

接頭的金屬零件和管道的內、外層均為各向同性構件，其中接頭本體、夾緊楔塊以及接頭外殼所選用的材料均為理想化的金屬材料，柔性管的內襯層和外護層選用聚丙烯（PP），表2給出了各向同性材料的材料力學特性。柔性管的復合材料增強層由芳綸纖維材料和HDPE復合而成，屬于各向異性構件，表3給出了其材料力學特性，其中各方向的泊松比v12=0.3，v23=0.58，v13=0.3。

表2 各向同性材料特性

表3 各向異性材料特性

2.2.3 網格劃分

在建立黏結性復合材料增強熱塑管接頭有限元分析模型時，對于模型中的各向同性零部件選用C3D8R實體單元作為基本分析單元，對各向異性復合材料構件選用SC8R連續殼單元作為基本分析單元，并在分析時進行增強沙漏控制。

2.2.4 接觸面摩擦系數

在有限元分析時，接頭的插管外壁與非黏結性復合材料增強熱塑管內襯層內壁之間、夾緊楔塊內壁與非黏結性復合材料增強熱塑管外襯層外壁之間、接頭外殼內壁與夾緊楔塊外壁之間均存在著接觸摩擦，本文在進行分析時設定的接觸摩擦系數分別為0.23、1.2和0.16。

2.2.5 載荷與邊界條件

本文在進行有限元分析時假定的工況條件為水下1 500 m在位工況。盡管在黏結性柔性管接頭的外殼裝配時引起的預緊張力并不明顯，但是在分析時依然對接頭外殼施加了一個較小預緊張力，該預緊張力在接頭外殼的末端施加沿管道中心軸向接頭法蘭方向的力，大小為1 MPa，以此來引入預緊張力。內部流體壓力載荷為極限工作內壓載荷，作用于柔性管內壁和接頭本體的內壁；外部壓力載荷施加在柔性管接頭上所有與外界海水接觸處的區域。

在柔性管的自由端的橫截面施加一個對稱邊界條件，表示柔性管無限長。同時，在法蘭邊緣沿著接頭整體的X軸和Y軸施加對稱約束。

對于黏結性柔性管接頭有限元分析，可以分為兩個分析步進行，一是通過施加預緊張力使接頭裝配體在第一步時達到初始預張緊狀態；二是施加接頭系統的設計載荷，包括內外壓和軸向張力載荷；這樣可以模擬更真實的工裝狀態，更加貼近實際。

2.2.7 分析結果

圖10為黏結性柔性管接頭整體的Von Mises應力分布示意。從圖10可以看出，接頭在設計載荷條件下Von Mises應力極值為301.3 MPa，該應力極值主要分布于接頭插管的尖端區域。在考慮安全系數1.25后，該區域的最大等效應力為376.6 MPa，較S355JR鋼的材料屈服強度355 MPa略大。這說明，除了接頭插管的尖端部分區域會發生小量屈服之外，在受到極限設計載荷作用時該型黏結性柔性管接頭其他各部分結構均不會發生材料屈服，即該新型黏結性復合材料增強熱塑管接頭的結構強度滿足設計規范要求。

圖10 接頭Von Mises應力云圖

圖11為帶標準ANSI法蘭的接頭本體在受到極限設計載荷作用時的VonMises應力分示意。

圖11 帶標準法蘭接頭插管內部Von Mises應力

從圖11中可以看出接頭插管的內外壁上的Von Mises應力分布均勻，沒有應力突變和應力集中現象出現，這表明接頭插管與柔性管之間的摩擦接觸良好，并且二者之間應力傳遞均勻。同時不難看出，該零件上的應力極值出現在接頭插管的尖端，該部分區域結構相對薄弱，并會承受較大的極限內壓載荷。在考慮1.25的安全系數后，該處的極限等效應力為376.6 MPa，較S355JR鋼的材料屈服強度355MPa略大。分析產生這種現象的原因為：由于接頭插管的尖端區域在進行有限元建模時為計算方便對尖端區域的倒角、圓角等特征進行了簡化處理，因此插管的尖角處受到較大內壓載荷作用時產生應力集中。而在實際情況下，接頭插管尖端在設計和加工時會去除這些尖角特征，因此該處出現的應力過大的情況與實際不符，可以認為不會出現此種情況。另外，即使該區域出現VonMises應力大于材料屈服應力的現象，也不意味著該區域一旦受到極限載荷影響時就會立刻失效，此時該處的材料將進入塑性應變階段。不考慮接頭插管尖端部分區域Von Mises應力過大的情況，接頭本體的主體部分以及插管的大部分區域的應力完全符合要求，遠小于材料的屈服應力。

圖12所示為均布對稱夾緊楔塊在設計載荷條件下的Von Mises應力分布。

圖12 楔塊的Von Mises應力分布

從圖12（a） 可以看出夾緊楔塊上各部分的Von Mises應力分布大致相同，無明顯差異；在夾緊楔塊的尖端區域的Von Mises應力較楔塊中后段區域的稍大，這是由于接頭外殼與夾緊楔塊在接觸擠壓時前端受力較大引起的，符合面-面接觸時的Von Mises應力分布規律。從圖12（b）可以看出在夾緊楔塊的尖端部分區域和楔塊外壁上的凹槽邊緣區域的Von Mises應力較大，該區域的應力極值為51.5 MPa，由于夾緊楔塊是接頭裝配體中的關鍵零部件，在考慮1.65的安全系數后該處的極限等效應力為85.0 MPa，遠遠小于S355JR鋼的材料屈服應力355 MPa。由此可知，夾緊楔塊在受極限設計載荷作用下不會產生屈服現象。

圖13為黏結性纖維增強熱塑管接頭整體在受到極限設計載荷作用時接頭外殼的VonMises應力分布。

從圖13中可以看出，接頭外殼的尖端區域內表面的Von Mises應力較大，應力極值出現在接頭外殼與夾緊楔塊尖端接觸的區域，夾緊楔塊前端區域同樣也是Von Mises應力最大的區域，因此可以認為夾緊楔塊與接頭外殼之間的應力傳遞正確。接頭外殼上的應力極值為112.3 MPa，考慮1.25的安全系數后該處的最大等效應力為140.2 MPa，小于S355JR鋼的材料屈服強度。由Von Mises準則可知，接頭外殼滿足設計規范的結構強度要求。

圖13 接頭外殼的Von Mises應力分布

3 結論

（1）非黏結性柔性管接頭在受到設計載荷作用時的等效應力主要分布在非黏結性金屬增強柔性管的骨架層與接頭本體連接處的附近區域，呈環狀分布。

（2）非黏結性柔性管接頭本體上的應力極值出現在其與骨架層端部連接處，該區域是柔性管與接頭連接的結構薄弱處；骨架層端部在徑向水平切割后，應當對其端部進行焊接，增強其端部的耐壓能力，插入接頭本體的長度應盡可能大一些，最適合的插入長度應當保持在DR/2～DR之間（DR為柔性管內徑）。

（3）對于非黏性柔性管接頭而言，在耐壓鎧裝層插入末端至抗拉鎧裝層自由散開根部的這一段耐壓鎧裝層外側，增加一個環狀金屬保護套與接頭本體安裝連接，在耐壓鎧裝層端部保護套與耐壓鎧裝層之間的縫隙內注入環氧樹脂，可以增強此處承受內部壓力的能力。

（4）黏結性柔性管接頭的應力極值主要分布于接頭插管的尖端區域，除接頭插管的尖端部分區域有可能會發生小量屈服。

（5）對于黏結性柔性管接頭而言，在加工工藝上，金屬部件的邊角、表面粗糙度應充分考慮，必要之處須進行倒角處理，銳角倒鈍處理。以便減輕因夾緊楔塊有小量滑移時而使其零件上的尖角對接頭外殼內表面造成劃傷進而影響裝配以及聚合物層的結構強度。

（6）在黏結性柔性管接頭設計原理改進方面，夾緊楔塊的楔角設計是該型黏結性纖維增強柔性管接頭設計過程中的關鍵。因此，為夾緊楔塊選取合適的楔角是非常重要的。黏結性柔性管接頭的夾緊楔塊內表面上的夾緊齒應保持結構一致性且均勻分布，銳角倒鈍，盡可能避免對管道外層聚合物造成結構性損傷。接頭外殼內壁的表面粗糙度應小于等于0.8，使其在與夾緊楔塊接觸時保證滑動順暢且受力均勻。