X70海洋管35 MPa外壓數(shù)值仿真與試驗研究*

淮 超，劉宏亮，左其川，雷廣進(jìn)，王海峰，譚 敏

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

0 引 言

海洋油氣輸送管是海底井口裝備互聯(lián)互通的主要方法，也是石油、天然氣向外輸送的重要路徑，更是油氣資源開采領(lǐng)域的主要運(yùn)輸方式，我國大部分海域均使用油氣管道輸送的方式輸送油氣資源。海底油氣輸送管的工作環(huán)境非常惡劣，承受著來自深水的外部壓力。隨著作業(yè)水深的加深，作業(yè)壓力的增大，海底油氣輸送管道承壓問題研究的必要性顯著提升，成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。隨著X70鋼管的廣泛應(yīng)用，其安裝到位后抗外壓強(qiáng)度是一個重要參數(shù)，對現(xiàn)場應(yīng)用有重要影響。

美國的 Kyriakides 等[3]對長度為 1.8 m，內(nèi)徑為510 mm的試件進(jìn)行了34.5 MPa的外壓屈曲試驗，他們將試件放入盛水的筒體內(nèi)模擬外部壓力。大連大學(xué)的周承倜等[4]也使用盛水的筒體內(nèi)模擬外部壓力，對直徑為529 mm，長度為2 m的試件進(jìn)行試件的外壓，其試驗外壓不到1 MPa，不同之處是他在試驗裝置中加入了液壓千斤頂。余建星等利用深海壓力艙進(jìn)行了直徑為325 mm、406 mm的管體外壓試驗，并用三維殼模型海洋管的壓潰試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[5]。目前，對海底油氣輸送管道外壓試驗的研究試件直徑尺寸偏小，大部分是小尺寸模型管道試驗。寶石機(jī)械研制成功的35 MPa深海高壓模擬試驗艙解決了國內(nèi)管道外壓試驗尺寸小、壓力低的瓶頸。

“深海高壓油氣輸送用高強(qiáng)厚壁管材關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013AA09A219)項目中，為了檢測直徑為915 mm，壁厚為37 mm的X70海洋管在3 500 m水深外壓環(huán)境下的受力狀況，驗證其承壓性能，筆者設(shè)計了X70海洋管試驗試件，對試件在外壓環(huán)境下強(qiáng)度進(jìn)行了計算和有限元仿真分析，得出其在35 MPa外壓下的變形屬于彈性變形階段。并基于寶石機(jī)械深海高壓模擬試驗艙設(shè)計了試驗及檢測方案，檢驗了X70海洋管在35 MPa均布外壓載荷下檢測點(diǎn)變形情況，確認(rèn)其滿足3 500 m水深的工作壓力。

1 試件設(shè)計

1.1 試件尺寸確定

然而海管兩端增加封板將會增強(qiáng)海管的抗外壓能力，特別是距離封板較近的區(qū)域。為了更真實(shí)的測試海管的抗外壓性能，應(yīng)盡量提高海管試件的長徑比，以最大限度減弱端部封板對外壓測試的影響。考慮高壓試驗艙的空間尺寸，設(shè)計海管試件的長度為3 600 mm，長徑比約為3.5:1。

1.2 封板設(shè)計

要使海洋管單純承載外壓，必須用封板以焊接的形式封堵其兩端，如圖1所示。試驗時封板及其單側(cè)環(huán)焊縫需承受35 MPa外壓，封板的厚度根據(jù)GB158-1998《鋼制壓力容器》的要求按下式確定：

式中：Dc為鋼管內(nèi)徑，mm；k為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；pc為試驗壓力，MPa；[σ]t為材料許用應(yīng)力，MPa；Φ為焊接接頭系數(shù)。

圖1 海管試件結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 試件屈曲計算

根據(jù)1.1中確定的海洋管試件長度及直徑，計算得出海洋管的臨界長度。

式中：D0為管子直徑；δ為管子壁厚。

根據(jù)計算結(jié)果查閱GB158-1998《鋼制壓力容器》，確定試件屬于短圓筒，其臨界壓力按下式確定。

式中：E為材料的彈性模量；D為管子直徑；L為管子長度。

經(jīng)計算確認(rèn)試驗壓力35 MPa小于管子臨界壓力，不會發(fā)生屈曲變形。

2 有限元仿真分析

根據(jù)X70海洋管試件對稱性取試件模型的1/8進(jìn)行有限元建模，在其各對稱面施加對稱邊界條件，外表面施加35 MPa均布外壓，試件內(nèi)表面壓力為0。

ANSYS分析結(jié)果顯示試件在35 MPa外壓下的應(yīng)力如圖2所示。管壁內(nèi)側(cè)395 MPa，外壁334 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在封板內(nèi)側(cè)與管段的接縫位置，其最大應(yīng)力達(dá)到800 MPa，由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性是導(dǎo)致此處應(yīng)力急劇增大的主要原因。根據(jù)海洋管試樣材料的屈服強(qiáng)度為500 MPa，抗拉強(qiáng)度為645 MPa，而管段的最大等效應(yīng)力(除封板附近)為395 MPa，可確定其安全系數(shù)為1.26。

圖2 試件Mises等效應(yīng)力 圖3 試件最大應(yīng)力位置

結(jié)果顯示，最大等效應(yīng)力為803 MPa，出現(xiàn)在封板與試件內(nèi)部的接觸部位，是應(yīng)力集中導(dǎo)致的，如圖2、3所示。

針對引力集中部位進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，其線性化路徑沿試件厚度方向如圖4，線性化結(jié)果見圖5，其中薄膜應(yīng)力(Pm)為139.76 MPa，最大彎曲應(yīng)力(Pb)為335.96 MPa，Pm與Pb相加的最大值為469.29 MPa，峰值應(yīng)力(F)為348.32 MPa，在靜載試驗載荷條件下應(yīng)滿足ASME Ⅷ設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):

(1)Pm<0.9бs；

(2) 當(dāng)Pm<0.67бs時:Pm+Pb<1.35бs；

根據(jù)以上計算結(jié)果Pm+Pb<1.35бs，因此封板強(qiáng)度符合要求。

圖4 應(yīng)力線性化路徑 圖5 應(yīng)力線性化結(jié)果圖

圖6為試件的沿海洋管直徑方向的形變情況分布，最大變形量為0.85 mm。圖7為海洋管軸向形變情況分布，管體軸向最大變形量達(dá)到1.05 mm。

圖6 試件徑向變形 圖7 試件軸向變形

3 試驗方案設(shè)計

3.1 內(nèi)壓試驗

在外壓試驗前，首先進(jìn)行內(nèi)壓試驗，為驗證封板、焊縫及鋼管的密封性能和受力狀況，對X70海洋管試件進(jìn)行內(nèi)壓試驗試驗合格后，方可進(jìn)行外壓試驗。內(nèi)壓試驗壓力由下式確定：

式中:[pw]為最大許用工作壓力，MPa；δe海洋管有效厚度，mm；[σ]t為許用應(yīng)力，MPa；Φ為焊接接頭系數(shù)；Di為鋼管內(nèi)徑，mm。

3.2 外壓試驗方案

外壓測試在深海高壓模擬試驗艙中進(jìn)行，高壓艙有效容腔為φ2500×5000 mm，艙內(nèi)可加壓至35 MPa，并配備耐高壓水下攝像頭和耐高壓照水下明燈各4臺，并有64通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以清水為介質(zhì)，逐步向高壓艙內(nèi)加壓，最終達(dá)到對艙內(nèi)的海管試件施加35 MPa的均布外壓載荷，試驗方案如圖8所示。

圖8 試件外壓試驗方案1.主體總成 2.艙蓋開合機(jī)構(gòu) 3.增壓系統(tǒng) 4.液控系統(tǒng) 5.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 6.水下監(jiān)控裝置 7.水循環(huán)系統(tǒng) 8.X70海洋管

3.3 加壓方式

本試驗采用分級加壓方式進(jìn)行，分為6級，分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa，每級之間保壓時間為3 min，加壓到最高壓力35 MPa后，保壓15 min，要求在穩(wěn)壓期內(nèi),壓降不超過3%。

3.4 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過有限元仿真分析，海洋管受外部壓力載荷時，管壁的周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力較大，為應(yīng)力主要分量，因此在試驗中將采集海管外壁特定位置的軸向應(yīng)變和周向應(yīng)變，以監(jiān)測海管在外壓作用下的力學(xué)響應(yīng)情況，海管外壁上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)變片布置方案如圖9所示。本次試驗介質(zhì)為水，為保證應(yīng)變測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選用了120 Ω耐壓防水帶引線應(yīng)變片，并選用了703硅橡膠對應(yīng)變片及導(dǎo)線進(jìn)行了密封防護(hù)處理[6]。

圖9 應(yīng)變片分布圖(海管展開)

4 試驗結(jié)果

4.1 外壓測試數(shù)據(jù)

海管試件的外壓加載曲線如圖10所示，現(xiàn)場試驗過程中在加壓到5 MPa后，保壓了約200 min，在保壓期間，最大壓降為0.05 MPa，僅有1%，充分證明了加壓的準(zhǔn)確性。隨后按照要求 進(jìn)行分級加壓，加載到35 MPa后，保壓15 min，保壓期壓降約0.34 MPa。

圖10 外壓采集數(shù)據(jù)曲線

4.2 應(yīng)變測試數(shù)據(jù)

應(yīng)變片的編號如圖7所示，其中1-01～1-04號檢測點(diǎn)應(yīng)變采集數(shù)據(jù)隨加壓時間的變化見圖11所示，從圖中可以看出，試驗過程中1-04測點(diǎn)數(shù)據(jù)僅在泄壓過程中發(fā)生異常，不影響加壓過程中的數(shù)據(jù)采集。同時，在加壓過程中的各級保壓期間，對各測點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行了記錄，見表1、2所列。

圖11 1-01號～1-04號測點(diǎn)周向應(yīng)變歷程

表1 各壓力分級下的周向應(yīng)變檢測 /με

表2 各壓力分級下的軸向應(yīng)變檢測 /με

由于海管受的是均布外壓，為了進(jìn)一步降低測試誤差，可將海管同一橫截面的測試值進(jìn)行數(shù)學(xué)平均處理，由次可得出海管在承受35 MPa均布外壓時，中部橫截面周向應(yīng)變?yōu)?1772微應(yīng)變，對應(yīng)應(yīng)力為-365 MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?588微應(yīng)變，對應(yīng)應(yīng)力為-121 MPa，負(fù)號表明測試值為壓應(yīng)力。另外，在高壓艙泄壓后，除了異常測點(diǎn)，其它實(shí)時應(yīng)變數(shù)據(jù)基本都恢復(fù)到了初始值，表明海管在加壓期間的變形量在彈性范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

通過設(shè)計X70海洋管外壓試驗試件，對試件的受力狀況進(jìn)行計算和仿真分析，并設(shè)計了試驗及檢測方案，在寶石機(jī)械深海高壓模擬試驗艙進(jìn)行試驗驗證，得出以下結(jié)論：

(1) 在外壓試驗期間，X70海管試件管體及端部封板均未出現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象，表明試件的密封性和焊

縫強(qiáng)度滿足試驗要求。

(2) X70海管試件在不承受內(nèi)壓的條件下，最大外壓加載至35 MPa，并保壓15 min，試件無失穩(wěn)、凹陷或壓潰現(xiàn)象，管體測點(diǎn)處的變形均屬于彈性變形，結(jié)果表明其強(qiáng)度滿足3 500 m水深的工作需求。

(3) 驗證了試驗設(shè)計方法、計算結(jié)果的正確性，對以后海洋管試驗方案的設(shè)計及計算具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。