深水SCR立管柔性連接接頭彎曲剛度研究

周慶兵 周慶濤 趙麗娟 周琳

摘 要：

鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭研制技術(shù)在國(guó)外發(fā)展已比較成熟，國(guó)內(nèi)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的相關(guān)案例較少，及較少柔性接頭的設(shè)計(jì)制造能力。考慮到立管頂端與平臺(tái)之間的連接部位要承受較大的交變彎矩和軸向拉力等復(fù)雜載荷作用，研究主要針對(duì)12-inch 鋼懸鏈線(xiàn)SCR立管的柔性連接接頭進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析以及各工況條件下的強(qiáng)度分析，對(duì)有限元模型進(jìn)行建立并計(jì)算。結(jié)果表明，柔性接頭有限元模型幸存受損和水壓試驗(yàn)過(guò)程中，螺栓應(yīng)力值和主體應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值以下，柔性接頭具有很強(qiáng)的可靠性及抗疲勞性。

關(guān)鍵詞：鋼懸鏈立管；柔性接頭；交變彎矩；軸向拉力；穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ336.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0158-04

Research on bending stiffness of flexible joint of deep-water SCR riser

ZHOU Qingbing，ZHOU Qingtao，ZHAO Lijuan，ZHOU Lin

（Langfang Yongchun Industrial Products Co.，Ltd.，Langfang065099，Hebei China）

Abstract：The development technology of flexible joint of steel catenary riser （SCR） has been quite mature in foreign countries，but there is no independent development of relevant cases in China，and there is no ability to design and manufacture flexible joint.Considering that the connection between the top of the riser and the platform is subject to complex loads such as large alternating bending moment and axial tension，steady-state heat conduction analysis and strength analysis under various working conditions for the flexible joint of the 12-inch steel catenary SCR riser were conducted.The finite element model was established and calculated.The results show that the stress values of the bolt and the main body are below the allowable stress value in the process of surviving damage of the finite element model of the flexible joint and the hydrostatic test.The flexible joint has strong reliability and fatigue resistance.

Key words：steel catenary riser （SCR）;flexible joint;alternating bending moment;axial tension;steady-state heat conduction analysis

近年來(lái)深海開(kāi)發(fā)中的油氣勘探和生產(chǎn)活動(dòng)大大增加，與幾年前相比水深增加了一倍。鋼懸鏈立管（SCR）由于其成本低、對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)有較大的適應(yīng)性，而且適用高溫高壓工作環(huán)境，在深海開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。鋼懸鏈立管最大特點(diǎn)是集海底管道和生產(chǎn)立管功能于一身，又以其良好的適用性以及低廉的價(jià)格成為立管系統(tǒng)的首選形式。鋼懸鏈立管可應(yīng)用于各種類(lèi)型的深水平臺(tái)（TLP-SPAR-SEMI-FPSO），其作用為連接平臺(tái)與水下設(shè)施或海管，用于生產(chǎn)介質(zhì)的輸入、外輸或維持生產(chǎn)進(jìn)行相關(guān)介質(zhì)的注入。立管系統(tǒng)作為水上平臺(tái)和水下設(shè)備的連接通道，是平臺(tái)和海底之間介質(zhì)傳輸?shù)摹把屎怼蓖ǖ溃撬律a(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。而鋼懸鏈立管柔性接頭更是連接鋼懸鏈立管與平臺(tái)之間不可缺少的一部分。研究依托陵水17-2項(xiàng)目，以柔性接頭核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化為目標(biāo)，開(kāi)展柔性接頭關(guān)鍵部件彈性體的相關(guān)研究工作。對(duì)增強(qiáng)我國(guó)深水領(lǐng)域石油裝備與技術(shù)，保障深水油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中立管系統(tǒng)的安全運(yùn)行都具有重要意義。

1 柔性接頭結(jié)構(gòu)

圖1為柔性接頭結(jié)構(gòu)圖。柔性接頭的核心部件是彈性體單元，其基本組成是金屬和彈性體的層壓式組件，是一種模壓的彈性支撐體，包含一系列球狀金屬加強(qiáng)層，并用特殊的彈性材料包裹。表1為載荷主要參數(shù)，包括立管受到的軸向拉力，柔性接頭在海上正常工作時(shí)的運(yùn)輸介質(zhì)，柔性接頭的設(shè)計(jì)溫度，立管偏轉(zhuǎn)的最大角度，試驗(yàn)水壓的最大壓力與瞬時(shí)抗暴壓力［1-2］。

2 載荷分析

本研究將圍繞前7種工況下柔性接頭的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，各工況的具體載荷幅值如表1所示。

操作工況的壓力是14 203.7 kPa，其端部軸力由內(nèi)壓引起，采用以下公式計(jì)算：Fecl=π（Di2 ×Pi）/4。式中：Fecl是端部軸力；Di是管道內(nèi)徑；Pi是內(nèi)壓。

3 有限元模型建立及計(jì)算

彈性體組件是一種非剛性承壓密封連接組件，它由若干同心的環(huán)狀球形的彈性層（橡膠）和增強(qiáng)件（環(huán)狀球形鋼板）相互交替地粘接在一起。根據(jù)載荷分析，操作工況具體載荷為：內(nèi)壓14 203.7 kPa，軸力為4 495.54 kPa+1 259.37 kPa=5 754.81 kPa。

3.1 主體/彈性體/延伸管模型

為便于分析和評(píng)估柔性接頭中關(guān)鍵部件彈性體的受力性能與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，建立柔性接頭延伸件/彈性體/主體模型，具體如圖2所示，包括主體、彈性體、延伸件和螺栓等構(gòu)件。為了便于網(wǎng)格劃分和避免應(yīng)力集中，建模時(shí)對(duì)柔性接頭進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略倒角、圓角，并將螺栓螺母作為一個(gè)整體建模［5-6］。

在對(duì)本模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，彈性體單元類(lèi)型選擇8節(jié)點(diǎn)實(shí)體線(xiàn)性hybrid單元C3D8H，其他構(gòu)件選擇8節(jié)點(diǎn)實(shí)體縮減積分單元C3D8R。

3.2 載荷和邊界條件

對(duì)于操作工況，在主體底部設(shè)置一個(gè)x、y、z方向的固定約束，在模型對(duì)稱(chēng)面設(shè)置面對(duì)稱(chēng)約束。螺栓的預(yù)緊力通過(guò)預(yù)拉伸部分施加，預(yù)緊應(yīng)力水平為50%螺栓屈服應(yīng)力（105 ksi）。在設(shè)備內(nèi)表面施加內(nèi)壓，內(nèi)壓表面如圖3所示。疊加有效軸向拉力與端部軸力后，通過(guò)端部壓力的形式施加在延伸件底部。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的初步分析，為方便獲取轉(zhuǎn)角與彎矩關(guān)系，模型增設(shè)輔助參考點(diǎn)（在延伸件上端面的橫截面中心），并將延伸件上端面與該節(jié)點(diǎn)耦合，完成了轉(zhuǎn)角施加。作為更為一般的加載設(shè)置，在延伸件底部施加側(cè)向位移亦可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)［7-8］。

構(gòu)件間的接觸作用尤為重要，在此模型中通過(guò)接觸對(duì)的面對(duì)面（Surface-to-Surface）選項(xiàng)進(jìn)行模擬。對(duì)于部分粘接或焊接界面，采用綁定Tie約束模擬。

3.3 結(jié)果評(píng)定

柔性接頭分析中使用的材料許用強(qiáng)度基于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)包括4種類(lèi)別，相關(guān)許用應(yīng)力如表2所示。

σp指沿截面厚度均勻分布的應(yīng)力成分，等于沿所考慮截面厚度的應(yīng)力平均值。對(duì)于直管，該應(yīng)力可通過(guò)下式表達(dá)：

σ= （s1-s2）2+（s2-s3）2+（s3-s1）22

式中：s1=TA+MCI；s2=PD2t；s3=內(nèi)壓，T為張力；A為管道截面面積；M為彎矩；I為慣性力矩；C為到中壁面的徑向距離；P為內(nèi)壓；D為內(nèi)徑；t為壁厚。對(duì)于不規(guī)則形狀的軸對(duì)稱(chēng)截面，該應(yīng)力按恒定應(yīng)力分布來(lái)計(jì)算。其許用應(yīng)力為2/3×Cf×σy，其中Cf為工況系數(shù)，σy為材料的最小屈服應(yīng)力［9-10］。

σp+σb指線(xiàn)性化薄膜Mises應(yīng)力和線(xiàn)性化彎曲Mises應(yīng)力的組合。為了得到線(xiàn)性化的Mises應(yīng)力，應(yīng)力張量的所有9個(gè)分量都被獨(dú)立地線(xiàn)性化，然后轉(zhuǎn)換為等效的Mises應(yīng)力。API RP 2RD中規(guī)定該應(yīng)力的許用應(yīng)力為Cf×σy。

σp+σb+σq是由截面厚度方向上的最高應(yīng)力值（峰值應(yīng)力）得出的，是滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)連續(xù)性所必需的自平衡應(yīng)力。此種應(yīng)力發(fā)生在結(jié)構(gòu)的不連續(xù)處，通常由機(jī)械載荷和熱載荷引起。API RP 2RD中規(guī)定該應(yīng)力的許用應(yīng)力為2×σy［11-12］。

4 結(jié)果與分析

4.1 剛度

對(duì)柔性接頭有限元模型進(jìn)行25°轉(zhuǎn)動(dòng)載荷工況的加載，計(jì)算初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為31.88 kN·m/（°）；載荷工況彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)如圖5所示。

4.2 強(qiáng)度

對(duì)柔性接頭有限元模型進(jìn)行幸存受損和水壓試驗(yàn)工況載荷的受力分析，并繪制Mises應(yīng)力云圖。

螺栓應(yīng)力。幸存受損和水壓試驗(yàn)工況下螺栓的應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。由此得到的螺栓應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值以下，評(píng)定合格［13-15］。

主體應(yīng)力。水壓試驗(yàn)工況LC7主體的Mises應(yīng)力云圖如圖7所示。幸存受損和水壓試驗(yàn)工況下主體應(yīng)力線(xiàn)性化的結(jié)果合格，可見(jiàn)分析得到的主體應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值以下，評(píng)定合格［16-18］。

4.3 疲勞強(qiáng)度

在ABAQUS中對(duì)柔性接頭有限元模型進(jìn)行長(zhǎng)期、Cross Case短期、Far Case 短期和Near Case 短期等4種疲勞載荷譜的計(jì)算，將應(yīng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Fe-Safe中，設(shè)置正應(yīng)力疲勞算法和S-N曲線(xiàn)，求解各零件的疲勞壽命或損傷，并繪制疲勞壽命或損傷云圖［19-20］。對(duì)于長(zhǎng)期疲勞事件，柔性接頭的疲勞壽命必須大于使用壽命的10倍（>300年）；對(duì)于短期疲勞事件，各零件的損傷必須小于0.1。

5 結(jié)語(yǔ)

研究針對(duì)所設(shè)計(jì)的柔性接頭進(jìn)行了多種載荷工況下結(jié)構(gòu)與應(yīng)力響應(yīng)等相關(guān)有限元仿真分析。為便于分析和評(píng)估柔性接頭中關(guān)鍵部件的受力性能與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，文中對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化處理。在假設(shè)簡(jiǎn)化與研究框架下，結(jié)合公認(rèn)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法，驗(yàn)證柔性接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)果表明，柔性接頭具有足夠的強(qiáng)度和可靠性，能夠在規(guī)定的要求范圍內(nèi)工作。

研究針對(duì)所設(shè)計(jì)的柔性接頭進(jìn)行了多種載荷工況下結(jié)構(gòu)與應(yīng)力響應(yīng)等相關(guān)有限元仿真分析。為便于分析和評(píng)估柔性接頭中關(guān)鍵部件的受力性能與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，文中對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化處理。在假設(shè)簡(jiǎn)化與研究框架下，結(jié)合公認(rèn)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法，驗(yàn)證柔性接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)果表明，柔性接頭具有足夠的強(qiáng)度和可靠性，能夠在規(guī)定的要求范圍內(nèi)工作。

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