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结构尺寸对LNG低温螺旋波纹钢管弯曲性能的影响分析

杨志勋　阎军　卢青针　吴尚华　王刚　岳前进
摘要：
基于ANSYS三维壳模型，依据结构几何尺寸对LNG低温螺旋波纹钢管进行参数化有限元建模.考虑低温环境下材料力学性能的改变和结构几何非线性因素，对弯曲载荷作用下低温螺旋波纹钢管结构力学性能进行数值模拟；分析管体弯曲失效模式和力学行为特点.改变结构几何尺寸，分析比较波峰和波谷极值应力以及管道整体力学性能，发现尺寸参数对低温波纹钢管力学性能的影响显著，分析相应的灵敏度规律，最后给出合理的截面尺寸参数.分析结果可以为低温柔性管道的结构设计提供参考.
关键词：
LNG； 螺旋波纹管； 截面尺寸； 弯曲； 非线性； 数值模拟
TE953；TB115.1
文献标志码： B
Abstract：
based on 3D shell modeling in ANSYS， a parametrization finite element model is established for a LNG cryogenic helical corrugated steel pipe according to the geometric dimension of structure. Considering the change of material mechanics property under the cryogenic environment and the geometric nonlinearity， the structural mechanics properties of cryogenic helical corrugated steel pipe under bending load are numerically simulated. The bending failure mode and the characteristics of mechanical behavior are presented for the pipe body. Through changing the structural geometric dimension， the stresses at peak and trough points and the global mechanical property of pine are analyzed and compared. It is found that the sectional dimension would influence on the mechanical properties of cryogenic helical corrugated steel pipe significantly and the sensitivity rules of the sectional dimension parameters are presented. Finally， the rational sectional dimension is recommended， which can provide a reference for the structural design of cryogenic flexible pipe.
Key words：
LNG； helical corrugated pipe； sectional dimension； bending； nonlinearity； numerical simulation
0引言
浮式液化天然气（Floating LNG，FLNG）生产船与LNG穿梭游轮是远海天然气开采的新型经济型开发模式.连接于浮式液化天然气生产船与运输船之间用于装卸液化天然气的低温波纹柔性管道，是整个传输过程中的关键装备.[13]由于管体弯曲刚度较小，对波浪流等周期性载荷具备较好的柔顺性，可保证整个传输系统的安全运行.典型低温波纹柔性管道的结构形式见图1，主要由内外螺旋波纹钢管、双层抗拉铠装、防磨层和外护套组成.目前，国外在LNG低温传输管道的设计分析、制造和安装方面优势十分明显.如美国的Goodyear和英国的Dunlop等[4]，而我国还处在初步探索阶段.因此，探索发展低温柔性管道的设计分析和加工制造技术对我国天然气能源战略发展具有一定的参考意义.
低温波纹柔性管道运作示意见图2.在整个装卸传输过程中，管道整体呈现悬链线形式，可有效地缓解船体相对运动导致的管体结构失效.[56]由于受到自身和输送液化天然气的重力、船体运动以及低温环境所致的冰重载荷等作用，管线最底部弯曲处承受较大的弯曲载荷；同时，超低温环境会使材料力学性能发生显著变化.[7]低温柔性管道为多层次、多材料和多接触低温工作环境下的复杂结构，其热绝缘效果主要通过内外螺旋波纹钢管所形成的真空区域来实现，因此内外螺旋波纹钢管对于整个管体的力学性能扮演着重要的角色.为确保低温波纹柔性管道正常运行，在整个管体设计中，螺旋波纹钢管低温抗弯力学性能的精确分析评估尤为重要.
国外学者已针对螺旋波纹钢管结构进行大量研究.其中，BUITRAGO等[8]首先校核得到塑性成型后低温环境下波纹钢管的材料本构关系，并通过数值和实验方法分别在室温和低温环境下研究波纹钢管拉伸、压缩、弯曲等力学性能.BARDI等[9]和SRIVASTAVA等[10]研究低温波纹管在拉伸、弯曲、扭转和内压下的力学性能，并探究波纹钢管力学性能对结构尺寸的灵敏度规律.上述研究所建立的数值模型均忽略螺旋角度对结构力学性能的影响.在实际应用中，波纹钢管均存在一定的螺旋角度，因此先对结构尺寸参数进行分析，确定决定性参数和伴随参数，进而分别讨论各关键参数对螺旋结构低温波纹钢管弯曲力学行为的灵敏度影响.
1截面几何参数分析
螺旋波纹钢管是整个低温柔性管道功能实现的关键部件.为研究螺旋波纹钢管的弯曲力学性能，首先分析结构几何尺寸.某低温螺旋波纹钢管几何模型见图3，其宏观几何参数包括：内半径RI，外半径RO，螺旋节距P，以及螺旋角度θ.
螺旋波纹钢管沿轴向的截面几何尺寸见图4，其由标号为1，3，5的直线和标号为2，4的曲线组成，截面形状类似于正弦曲线，其主要参数包括厚度T，波高H，波长λ和倾角α.
宏观和局部剖面几何参数之间存在着内在联系.分析得：外半径RO，内半径RI，厚度T，波长λ，倾
角α为主控制参数；波纹的高度H，螺旋角度θ，直线段长度L，弧线段半径r，长度S等为伴随性参数.主控制参数和伴随性参数之间的相互关系表达式为
2.2单元选择和网格划分
选择合适的单元类型对有效模拟波纹管的力学行为至关重要.螺旋波纹钢管壁厚相对于整个管体尺寸而言远小于1/10，属于典型的薄壳结构.同时，考虑到材料的非线性以及弯曲载荷过大时变形所产生的几何非线性因素，本文选用具备塑性大应变分析能力的SHELL43单元.
网格划分的质量对模型的计算效率和精度有重要影响.考虑到管体中波峰和波谷处为几何突变点和应力集中点，因此对该区域进行精细划分.同时考虑到计算效率，对截面相对平缓的区域进行粗略划分，其轴向截面节点布置方法见图6.另外，单元的划分应尽可能均匀统一，避免奇异单元的出现影响结果精度，局部网格划分见图7，单元平均尺寸为2.475 mm，并验证模型的收敛性.
2.3边界约束与载荷施加
为研究波纹钢管的弯曲行为力学性能，在管体端部施加弯矩，见图8.考虑到波纹钢管端部施加载荷的均一性，首先在端面中心处建立MASS21质量单元，并同该端面钢管边界其他节点形成刚性面；同时，考虑到端部效应的影响，在另一端采用对称约束进行处理.通过对端部刚性面上质量单元节点施加位移转角进而求解数值有限元模型.
3截面尺寸对力学性能的影响
为准确分析管体的弯曲力学行为特点，分别取表面波峰点和波谷点作为分析研究对象.弯曲载荷下管体上侧波峰和波谷的应力分布见图9.在波峰外表面和波谷内表面应力呈现挤压状态，反之，在波峰的内表面和波谷的外表面应力呈现弯曲状态，见图10.
取该波峰波谷内外侧4个点的应力，见表2.分析比较发现，由于螺旋结构效应的影响，在弯曲载荷作用下，应力最大点发生在波谷外侧.因此，本文取该处应力和应变值与管体整体性能的弯曲刚度作为分析比较对象，研究结构几何尺寸对波纹钢管的弯曲力学行为的影响.
3.1波高影响分析
波纹钢管中轴向剖面参数波高表征管体内外径之间的相对距离，同时反映波纹的皱褶程度.在装卸液化天然气的过程中，波纹起伏越小，压降损失越小，其通流率越好，可节约装卸时间；反之亦然.同时，波高也对管体弯曲行为有显著影响.为研究和探索弯曲性能对截面参数波高的灵敏度，对模型施加逐渐增大的弯曲位移转角，在控制其他参数不变的情况下，分别对波高为0.017，0.019和0.021 m的模型进行弯曲力学行为分析.在不同高度下，弯曲载荷随位移的变化趋势见图11.
由此可知：当曲率小于0.3时，弯矩与曲率关系呈现线性变化趋势；之后，随着曲率的逐渐增大，弯矩增加缓慢，表征管体进入塑性强化阶段.在控制其他参数不变的情况下，只改变模型波纹截面高度H，在相同的弯曲曲率下，波高越大，管体所承受的弯曲载荷越小，同时，其进入塑性强化阶段较低波高截面滞后.考虑管体整体力学性能弯曲刚度时，发现随着波高的增大，管体弯曲刚度减小，因此增大波高可以有效降低管体的抗弯曲能力，以便适应低温柔顺性管道的顺应性设计.
不同高度下波谷外侧点的应力、应变随曲率的变化曲线见图12和13.在弯曲载荷的作用下，应力的时间历程与材料本构关系几乎相当.由于螺旋结构形式的缘故，在材料屈服应力之前，波谷外侧点应力并未完全表现出线性变化趋势.曲线走向大致可以分为2个阶段：当曲率小于0.3时，随着弯曲转角的增大，应力增幅较快；当曲率越过0.3时，随着弯矩的增加，结构应力随着载荷的增大增加缓慢.在相同弯曲转角作用下，只改变模型截面高度H，波高越大结构响应的应力值越小；同时，波高的等差变化并未表明应力的等差变化，反之，波高迅速增大会导致应力明显减小.
综上所述，当控制其他参数不变只改变波高时，波高同时影响结构的应力、应变和弯曲刚度等力学性能，并且在相同曲率作用下，波高越大所得到的相同点的应力、应变值越小，弯曲刚度相应较小.因此，轴向截面参数波高的增大可以有效降低管体的抗弯性能，增强低温柔性管道应用中的安全因数.
3.2螺距影响分析
波纹钢管宏观参数螺旋角θ与截面几何参数波长λ存在一定的相互关系，因此参数波长同样表征管体截面的皱褶程度，同时也影响着管内液体的流向轨迹.在装卸液化天然气的过程中，流体的流向与管体轴线的夹角越小，压降损失越小，其通流率越好，可明显节约装卸时间.同理，截面参数波长也对管体弯曲性能有显著影响.为研究和探索弯曲性能对结构参数螺距的灵敏度，同样对模型施加递增弯曲载荷，在控制其他参数不改变的情况下，对波长分别为0.030，0.035和0.040 m的模型进行弯曲力学行为分析.
不同螺距下弯矩随曲率的变化曲线见图14.各曲线趋势几乎相同；曲率相同的情况下，螺距越大其承受的弯曲载荷越大.弯曲刚度分析发现螺距越小，其弯曲刚度越小，柔顺性愈好.应力、应变随曲率的变化趋势见图15和16.
在相同曲率作用下，随着螺距增大，应力热点处所产生的
等效应力呈现单调变化的趋势，螺距越大其应力越大.应力、应变随弯曲转角的变化明显分为2个阶段：当曲率从0到变化到0.3附近时，等效应力随曲率的增加呈现线性增长趋势；当曲率继续增大时，应力增加较为平缓.通过与材料本构关系塑性增强区域相比较，应力变化平缓区域起始于300～400 MPa，其由于螺旋结构形式的影响小于材料的初始屈服应力530.89 MPa.
综上可知，在控制其他参数不变的情况下，螺距及截面尺寸波长的变化对低温波纹钢管结构的整体和局部弯曲力学性能有显著影响.螺距越大，弯曲刚度越大.欲使低温柔性管道具备较好的柔性，应尽可能减小螺距.
4结论
本文基于三维壳模型，对某螺旋低温波纹管进行参数化有限元建模.考虑低温材料和结构几何非线性因素，给出弯曲载荷下改变结构高度和螺距尺寸时低温波纹钢管结构力学性能的数值模拟结果.分析比较管体整体力学性能弯曲刚度和波谷应力、应变，得到以下结论.
（1）波高影响螺旋波纹管结构应力、应变和弯曲刚度等力学性能，并且在相同曲率载荷作用下，波高越大所得到的波谷外侧点的应力、应变值越小，弯曲刚度较小，可保证管体足够的顺应性.
（2）螺距及截面尺寸波长的变化对低温波纹钢管结构的整体和局部弯曲力学性能有显著影响.在相同弯曲转角下，螺距越大，弯曲刚度越大，应力越大.
（3）通过与材料本构关系塑性增强区域相比较，弯曲性能变化随曲率变化曲线与低温下材料本构关系相似.
（4）应力进入平缓区域开始于300～500 MPa，其低于材料屈服应力，原因是受螺旋波纹结构形式的影响.
结构尺寸对低温螺旋波纹钢弯曲力学性能的影响显著，分析相应的灵敏度规律，为低温柔性管道的结构设计提供有益的参考.
参考文献：
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[10]SRIVASTAVA V， BUITRAGO J， SLOCUM S T. Stress analysis of a cryogenic corrugated pipe[C]// Proceedings of ASME 2011 30th International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering. Rotterdam， 2011： 411421. DOI： 10.1115/OMAE201149852.
（编辑武晓英）

-全文完-