裸置海底管道在扰动力下的整体屈曲分析_宋日悬.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 005裸置海底管道在扰动力下的整体屈曲分析宋日悬，张煜杭(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆163318)摘要:为了解决裸置海底管道因为横向屈曲而受损的问题，通过建立新的带枕木的管道模型，分析先隆起后横向的屈曲模式中的管道长度和径厚比等敏感参数的影响。分析结果表明:随着管道长度的增加，临界屈曲温度达到恒定时，位移和轴力仍然变化。径厚比对管道临界温度影响较小，对轴力的影响较大。研究工作为海底管道长度和径厚比的选取提供了理论依据和设计参考。关键词:海底管道;横向屈曲;扰动力中图分类号:TE832文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0026 04随着海洋油气开采规模逐渐发展和壮大，管道的整体屈曲问题日渐严峻。一般情况下，当管道发生整体屈曲时，管道会出现较大的位移和轴向应力，甚至可能进一步出现裂痕、畸变和局部屈曲。当管道内的压力靠近或超过 10 MPa、温度大于 100时1，管道中显著增大的轴向力在两端固定的约束条件下，难以通过轴向伸长来释放，就很可能以管道整体失稳的形式缓解应力集中，即发生整体屈曲破坏。Hobbs2 研究了在高温条件下海底直管的垂向和横向屈曲行为，推导出了各自临界屈曲波长、临界屈曲轴力和屈曲位移幅值的计算公式。车小玉等3 通过定义接触对来模拟管土之间的相互作用，讨论海管上覆土厚度、初始缺陷对海管垂向屈曲的影响。刘羽霄4 通过建立一套全新的控制法，推导出不平整海床上裸铺海管横向屈曲临界荷载解析解。因为对先隆起后横向的整体屈曲模式的研究文献较少，所以本文建立了全新的带枕木的管道模型，对这种整体屈曲模式中的管道长度和径厚比进行计算，获得了管道的临界屈曲温度、位移和轴力的变化规律。1计算模型1 1模型单元由于海底管道是典型的超细长结构，因此本文选用 ELBOW290 单元。此单元适用于分析薄壁至中等壁厚的管状结构，并且考虑了横截面变形，这种变形通常可以在受载的弯曲管道结构中观察到。同时 ELBOW290 单元非常适合应用于线性、大旋转和大应变非线性等问题中。管道分6 段，中间有缺陷的 2 段每 0 5 m 划分一个单元，两端管道段每50 m 划分一个单元，其余2 段每10 m 划分一个单元，管道沿周向分为 32 等份。在海底管道安装在枕木上时，接触的区域不可避免地产生局部初始几何缺陷，因此初始几何缺陷的建立是屈曲分析中一个重要的步骤，本文建立的有限元模型通过引入几何缺陷来模拟枕木对整体屈曲的影响。以管道中点为原点，x 为相对于原点的距离，管道初始形状的半段函数描述为:Vi=W Li(Li2 x)33(Li2 x)472EI(1)式中:Vi为初始缺陷高度(相对于 x 轴的横向变形值);W 为单位长度管道有效质量;Li为缺陷长度(Li/2 x Li/2);E 为弹性模量;I 为截面惯性矩。由于这是半段函数，因此可以用镜像模拟出另一半管道几何缺陷。其中缺陷长度的计算公式为:Li=5 825 9(vomEIW)1/4(2)式中:vom为枕木高度。枕木使用 BEAM188 单元进行模拟，枕木长度为 100 m，划分 10 个单元，海底平面用刚性面模拟。管土之间采用接触模拟相互作用，摩擦作用模型采用库仑摩擦模型。管道与海床间采用 CONTA170 和 CONTA177 单元模拟线面接触，枕木与管道间采用 CONTA170 和 CON-TA176 单元模拟线线接触5，其中管道为接触单元，枕木和海底平面为接触面，同时打开大变形开收稿日期:2021 01 31作者简介:宋日悬(1993)，男，硕士研究生，主要研究方向为压力容器技术，2502007036 qq com622023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2关。对于海底高温管道，温度载荷是管道发生隆起屈曲的关键因素6，本文将升温范围设定为 0 40，并研究各个变量对管道屈曲的影响。1 2约束和载荷由于海床土体摩擦力沿轴向累积，最终形成管道锚固段，而锚固段的两端没有轴向位移，因此可将长管道设置为铰接或者全固定。下面验证管道长度为6 m 的有限元模型，由于短管道锚固点一般在中心位置，因此可将管道两端端点 6 个自由度进行全约束。海床采用刚性平面模拟，对四角端点的6 个自由度进行全面约束，以保证海床被完全束缚，仅仅向管道提供竖直的支撑力和水平的摩擦力。计算方法为将完整的牛顿 拉弗森与存在非对称选项的元素的不对称矩阵一起使用。管道整体上施加垂直于海床向下的自重重力，同时可将管道淹没质量转化为材料密度进行等效施加。1 3分析步骤在采用瞬态分析法对模型进行处理时，分四步对管道施加载荷:第一步施加重力，在工程实例中，对管道施加的重力分为 8 个载荷步。第二步对管道施加内压，ELBOW290 单元对管道施加的压力载荷为面载荷，压力直接作用于内表面上。第三步施加温度载荷，参考温度为 24。第四步不施加任何载荷，进行时间延迟获得充分响应。横向屈曲所对应的温度和轴力就是临界温度 Pcr和临界轴力Tcr，临界轴力和临界温度的计算公式分别为式(3)和式(4):Pcr=2 496(EIw0W)1/2(3)Tcr=0 122 46WL20AEw0(4)式中:w0为初始几何缺陷幅值;L0为初始几何缺陷段长度;A 为管道净截面面积;为线膨胀系数。管道模型如图 1 所示。图 1管道模型图2有限元模型验证1996 年，Taylor 和 Tran7 针对铺设枕木的管道开展了相关研究，通过实验研究了一根低合金无缝不锈钢管在热载荷下的屈曲变形。实验中，钢管两端固定，通过循环水进行预热，将管道环境温度设定为 25 左右。实验研究了初始缺陷为 2 mm 的海底管道突然性的屈曲过程，本节通过海床 枕木 管道的数值模型对实验进行验证，管道数据见表 1。表 1实验参数参数数值管长 L/m6外径 D/mm953壁厚 t/mm16弹性模量 E/(Nmm2)19 500单位长度有效重力 q/(Nmm1)0003 41屈服强度/(Nmm2)113热膨胀系数 /11 1E 05轴向摩擦系数 A02泊松比 03图 2 为 Taylor 解析解与模型计算出的结果数据对比图，从图中可以看出有限元模型计算出的结果与 Taylor 解析解吻合较好。有限元计算得到的临界屈曲温度为 7 5，解析解为 7 67。在海管后屈曲阶段，解析解与有限元计算结果拟合后误差在 5%左右，并且两者曲线趋势一致。出现误差的主要原因是 Taylor 实验中缺陷段采用的是点支撑模式，而本文的枕木使用圆柱来模拟，支撑管道的面更广，会给管道提供更大的支撑力，诱导管道提前发生屈曲，并增大位移。但这种误差并不会影响最终的结果判定，运用本模型运算后的结论仍然可靠，即本文提出的有限元模型可以用于开展海底管道的屈曲研究。图 2有限元结果和解析解对比图3工程实例下面应用本文建立的有限元模型，结合工程实例，对考虑初始缺陷的管道进行屈曲特性分析。选722023 年第 2 期宋日悬:裸置海底管道在扰动力下的整体屈曲分析取的管道长度过长会加大计算难度，浪费计算资源;长度过短会影响变形部分的屈曲形状和应力分布8。通过研究不同管道长度的屈曲规律，最终选取建模长度为 900 m。3 1工程实例模型本文依据表 29 的数据建立模型，其中枕木高度为0 4 m，内压为5 MPa。在实际情况中，管道初始缺陷的构造和热载荷所导致的轴向力综合决定最后的屈曲状态10。因为变形是对称的，所以截取 900 m 管道一侧的屈曲后变形，如图 3 所示。表 2模型参数参数取值管线长度/km62海管外径/mm273 1海管壁厚/mm159设计压强/MPa310安装温度/240介质密度/(kgm3)44 2 195 9图 3管道局部屈曲图侧向曲线模型主要有 4 种类似于正弦曲线的模态形式11，幅度沿顶点逐步衰减，本文屈曲结果属于对称屈曲。因此本文针对这种研究较少的先隆起后横向的整体屈曲管道12，采用施加扰动力的方法让其仅发生横向屈曲并在之后撤销，研究其屈曲情况。3 2计算结果分析计算初始，由于重力逐渐施加在管道上，因此管道的缺陷轮廓会呈现收缩压扁的趋势，在重力完全施加后，缺陷长度由 230 m 减小至 90 m 左右。对管道施加温度载荷后，未屈曲时，管道轴力绝对值持续增大。当达到临界温度时，管道的轴力和位移会发生突变，此时出现横向屈曲，应力方向随之改变。随着管道长度的增加，临界屈曲温度逐渐变小，当管道长度达到 600 m 之后，临界屈曲温度值趋于稳定。在管道后屈曲阶段，横向位移的幅度与轴力成正比。综合图 4 和图 5 可知，未屈曲时，轴力绝对值增大;屈曲后，随着位移幅度迅速增大，不断释放管道内轴力。随着温度的持续施加，因为横向位移幅度的递增也在不断缓解轴力的积聚，最终使得轴力值达到一个相对平稳的状态。管道越长，管道间的轴力曲线越接近，1 200 m 和 1 500 m 管道的轴力曲线几乎一致。图 4不同长度管道轴力图图 5不同长度管道横向位移图通过参阅多篇文献，发现工程实例中的径厚比(直径与厚度比值)大多在 15 35，所以本文中管道直径取 0 27 m，用 15，20，25，30，35 等不同径厚比来研究其对管道屈曲的影响，如图 6 和图 7 所示。图 6不同径厚比管道轴力图822023 年第 52 卷机械设计与制造工程图 7不同径厚比管道位移图由图 6 可知，轴力与径厚比成正比。由图 7 可知，径厚比越大，管道横向位移幅度越大，轴力值曲线越接近，临界屈曲温度缓慢变小，但不同径厚比之间位移差距较小。因此可以确定径厚比对管道轴力影响较大，对位移和临界屈曲温度影响较小。4结论1)通过研究管道先隆起屈曲后横向屈曲的模式可知，自重会让管道产生初始应力，从而间接影响屈曲情况。屈曲时，管道内压力方向改变，轴力曲线会向上陡升，轴力值变大。2)当管道长度达到 600 m 后，临界屈曲温度趋于恒定，随着管道长度的递增，不同长度管道间的轴力差距相对位移差距更小，而且临界温度先达到一致，而后轴力趋向一致，但位移仍有差别。3)径厚比对管道临界温度和横向位移的影响较小，径厚比越大，临界温度越小，位移越大。径厚比对于轴力的影响较大。参考文献:1魏斌，李明航，李兵 多层柔性海底管道隆起屈曲有限元分析 J 中国科技论文，2017，12(16):1862 1865，1906 2HOBBS E In service buckling of heated pipelinesJ Jour-nal of Transportation Engineering，1984，110(2):175 189 3车小玉，段梦兰，曾霞光，等 海底埋设高温管道隆起屈曲数值模拟研究 J 海洋工程，2013，31(5):103 111 4刘羽霄 高温/高压海底管道横向热屈曲机理及控制措施研究D 大连:大连理工大学，2010 5杨建国，陈志华，张泽超，等 高温高压管道悬跨段竖向屈曲数值模拟研究J 天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2018，51(增刊 1):73 77 6ZHANG Qiqi，BAI Hua，ZHANG Qing，et al MoS2yolk shellmicrospheres with a hierarchical porous structure for efficient hy-drogen evolutionJ Nano esearch，2016，9(10):3038 3047 7 TAYLO N，TAN VExperimental and theoretical studies in 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diameter to thickness ratio has less influence on the critical tem-perature of the pipeline than the mouth，and has a greater influence on the axial force The research work pro-vides a theoretical basis and design reference for the selection of length and diameter-thickness ratio of submarinepipelinesKey words:subsea pipelines;lateral flexion;disturb power922023 年第 2 期宋日悬:裸置海底管道在扰动力下的整体屈曲分析