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海底复合管S型铺管状态下的应力分析
海底复合管在采用 S 型铺管法铺设时，将同时受到弯矩、轴向拉力和海水拖曳力作用，严重威胁其安全性，因此开展海底管道铺管状态下力学特性研究显得尤为重要。本文将利用ANSYS 软件，分析不同型号的双层复合管在采用S 型铺管法铺设时，静水中和动水中的变形及应力。重点分析了双层复合管中内衬管与外套钢管之间的剪切应力。计算中考虑了管道类型变化、水深变化和管道张紧力变化等多种铺设工况，获得了不同的管道类型、水深以及管道张紧力与管道变形、应力的关系曲线。研究工作和分析结果将为海底管道的S 型铺设技术提供理论依据和设计参考。

1 前言

海底管道是海洋油气资源开发的生命线，对海底石油和天然气的生产和外输起着关键性的作用。目前国际上使用最多的管道铺设方法是铺管船法，这种方法适用于长距离管段远离岸边的铺管作业，而且经济指标也较好。结合国内外的铺管实际工程经验，铺管船法主要有三种：S型铺管法、J型铺管法和卷管式铺管法。其中，S型铺管法由于工程应用最早，其技术相对成熟，成为目前海底管道铺设最为常用的方法，典型S型铺管如图1.1所示。但由于海洋环境十分恶劣，海底管道同时受到弯矩、轴向拉力和海水拖曳力的共同作用，其安全性受到很大的挑战，因此开展海底管道铺管状态下力学特性研究显得尤为重要。

本文将采用ANSYS软件分析不同的双层复合管在S型铺管状态下的力学特性，计算其在不同环境下的变形和应力，特别是内衬管与外套钢管之间的剪切应力，从而获得不同的管道类型、水深以及管道张紧力与管道变形、应力的关系曲线。

2 无海流作用下复合管应力计算

2.1 几何模型

S型铺管设计参数如表2.1所示。

2.2 材料参数

复合管外层材料为无缝钢管SMLS，内层材料为UNSN08825或316L。以上三种材料的力学性能参数如表2.2所示。

2.3 网格模型

为了模拟复合管道的变形和应力，采用具有厚度分层特点的ANSYSelbow290管单元。根据复合管的构成特点，在管道厚度方向划分为两层，划分的一段管道单元如图2.1所示。

2.4 边界条件

模型中对于托管架的上端设置为被刚体船刚固，即约束其所有自由度。管道与海底的接触点采用刚性地基接触，即约束所有自由度。初始长度的选择根据悬链线计算给出近似长度。对于边界条件，如船体，海床，托管架，没有建立其实际的模型，而是把它们的约束条件加到管道上面。S型铺管所施加的边界条件如图2.2所示。
2.5 分析结果

在静水中对所建立的S型铺管有限元模型进行分析，计算中采用几何大变形分析，为了提高计算的稳定性，将载荷以多载荷子步（最大510）的形式施加到管道上。收敛准则采用力和力矩双收敛的判据。

以管道类型为I，S型铺管的目标水深为202m，管道张紧力为50KN的工况为例，计算得到管道弯曲应力分布云图如图2.3所示。从图中可以看出管道受重力和海水浮力的作用，呈S形弯曲，最大变形为49.5m，最大弯曲应力为199MPa，出现在管道与托管架分离处。图2.4为衬管和母管间的层间剪应力云图，其中衬管与母管间最大层间剪应力为187MPa，也发生在管道与托管架分离处。

3 有海流作用下复合管应力计算

3.1 边界条件

考虑海流影响时管道应力计算过程与静水时相似，只是在边界条件的处理上增加了海流的拖曳力，载荷施加时可以将表3.1和表3.2的海流拖曳力载荷转换为管道有限元节点载荷施加在管道上，拖曳力的方向与铺管船的行驶方向一致，即与管道张紧力的方向相同。

S型铺管在考虑海流影响条件下的管道受力情况如图3.1所示。

3.2 分析结果

以管道类型为I，S型铺管的目标水深为202m，管道张紧力为50KN的工况为例，计算得到的S型铺管状态下复合管弯曲应力分布云图如图3.2所示。从图中可以看出管道受重力和海水浮力的作用，呈S形弯曲，最大变形为52.7m，，最大弯曲应力为201MPa，出现在管道与托管架分离处。图3.3为管道衬管与母管间的层间剪应力云图，最大层间剪应力为206MPa，也发生在管道与托管架分离处。

4 结论

通过分析不同工况下的计算结果，我们可以确定两种环境下复合管应力均未超过其材料的屈服强度（355MPa），并且得到如下结论：

（1）无论在静水还是动水中，管道的变形呈“S”型曲线，最大变形和最大层间剪应力随着铺设水深的增加而增大。

（2）在静水中，最大变形随着铺设张紧力的增加而增大；最大层间剪应力随着铺设张紧力的增加而减小。

（3）在动水中，最大变形基本不随着铺设张紧力的增加而变化；最大层间剪应力随着铺设张紧力的增加而减小。