海底復(fù)合管S型鋪管狀態(tài)下的應(yīng)力分析

海底復(fù)合管S型鋪管狀態(tài)下的應(yīng)力分析海底復(fù)合管在采用S型鋪管法鋪設(shè)時(shí)，將同時(shí)受到彎矩、軸向拉力和海水拖曳力作用，嚴(yán)重威脅其安全性，因此開(kāi)展海底管道鋪管狀態(tài)下力學(xué)特性研究顯得尤為重要。本文將利用ANSYS軟件，分析不同型號(hào)的雙層復(fù)合管在采用S型鋪管法鋪設(shè)時(shí)，靜水中和動(dòng)水中的變形及應(yīng)力。重點(diǎn)分析了雙層復(fù)合管中內(nèi)襯管與外套鋼管之間的剪切應(yīng)力。計(jì)算中考慮了管道類型變化、水深變化和管道張緊力變化等多種鋪設(shè)工況，獲得了不同的管道類型、水深以及管道張緊力與管道變形、應(yīng)力的關(guān)系曲線。研究工作和分析結(jié)果將為海底管道的S型鋪設(shè)技術(shù)提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。1前言海底管道是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的生命線，對(duì)海底石油和天然氣的生產(chǎn)和外輸起著關(guān)鍵性的作用。目前國(guó)際上使用最多的管道鋪設(shè)方法是鋪管船法，這種方法適用于長(zhǎng)距離管段遠(yuǎn)離岸邊的鋪管作業(yè)，而且經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也較好。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的鋪管實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，鋪管船法主要有三種：S型鋪管法、J型鋪管法和卷管式鋪管法。其中，S型鋪管法由于工程應(yīng)用最早，其技術(shù)相對(duì)成熟，成為目前海底管道鋪設(shè)最為常用的方法，典型S型鋪管如圖1.1所示。但由于海洋環(huán)境十分惡劣，海底管道同時(shí)受到彎矩、軸向拉力和海水拖曳力的共同作用，其安全性受到很大的挑戰(zhàn)，因此開(kāi)展海底管道鋪管狀態(tài)下力學(xué)特性研究顯得尤為重要。本文將采用ANSYS軟件分析不同的雙層復(fù)合管在S型鋪管狀態(tài)下的力學(xué)特性，計(jì)算其在不同環(huán)境下的變形和應(yīng)力，特別是內(nèi)襯管與外套鋼管之間的剪切應(yīng)力，從而獲得不同的管道類型、水深以及管道張緊力與管道變形、應(yīng)力的關(guān)系曲線。2無(wú)海流作用下復(fù)合管應(yīng)力計(jì)算2.1幾何模型S型鋪管設(shè)計(jì)參數(shù)如表2.1所示。2.2材料參數(shù)復(fù)合管外層材料為無(wú)縫鋼管SMLS，內(nèi)層材料為UNSN08825或316L。以上三種材料的力學(xué)性能參數(shù)如表2.2所示。2.3網(wǎng)格模型為了模擬復(fù)合管道的變形和應(yīng)力，采用具有厚度分層特點(diǎn)的ANSYSelbow290管單元。根據(jù)復(fù)合管的構(gòu)成特點(diǎn)，在管道厚度方向劃分為兩層，劃分的一段管道單元如圖2.1所示。2.4邊界條件模型中對(duì)于托管架的上端設(shè)置為被剛體船剛固，即約束其所有自由度。管道與海底的接觸點(diǎn)采用剛性地基接觸，即約束所有自由度。初始長(zhǎng)度的選擇根據(jù)懸鏈線計(jì)算給出近似長(zhǎng)度。對(duì)于邊界條件，如船體，海床，托管架，沒(méi)有建立其實(shí)際的模型，而是把它們的約束條件加到管道上面。S型鋪管所施加的邊界條件如圖2.2所示。2.5分析結(jié)果在靜水中對(duì)所建立的S型鋪管有限元模型進(jìn)行分析，計(jì)算中采用幾何大變形分析，為了提高計(jì)算的穩(wěn)定性，將載荷以多載荷子步（最大510）的形式施加到管道上。收斂準(zhǔn)則采用力和力矩雙收斂的判據(jù)。以管道類型為I，S型鋪管的目標(biāo)水深為202m，管道張緊力為50KN的工況為例，計(jì)算得到管道彎曲應(yīng)力分布云圖如圖2.3所示。從圖中可以看出管道受重力和海水浮力的作用，呈S形彎曲，最大變形為49.5m，最大彎曲應(yīng)力為199MPa，出現(xiàn)在管道與托管架分離處。圖2.4為襯管和母管間的層間剪應(yīng)力云圖，其中襯管與母管間最大層間剪應(yīng)力為187MPa，也發(fā)生在管道與托管架分離處。3有海流作用下復(fù)合管應(yīng)力計(jì)算3.1邊界條件考慮海流影響時(shí)管道應(yīng)力計(jì)算過(guò)程與靜水時(shí)相似，只是在.huisheliren邊界條件的處理上增加了海流的拖曳力，載荷施加時(shí)可以將表3.1和表3.2的海流拖曳力載荷轉(zhuǎn)換為管道有限元節(jié)點(diǎn)載荷施加在管道上，拖曳力的方向與鋪管船的行駛方向一致，即與管道張緊力的方向相同。S型鋪管在考慮海流影響條件下的管道受力情況如圖3.1所示。3.2分析結(jié)果以管道類型為I，S型鋪管的目標(biāo)水深為202m，管道張緊力為50KN的工況為例，計(jì)算得到的S型鋪管狀態(tài)下復(fù)合管彎曲應(yīng)力分布云圖如圖3.2所示。從圖中可以看出管道受重力和海水浮力的作用，呈S形彎曲，最大變形為52.7m，，最大彎曲應(yīng)力為201MPa，出現(xiàn)在管道與托管架分離處。圖3.3為管道襯管與母管間的層間剪應(yīng)力云圖，最大層間剪應(yīng)力為206MPa，也發(fā)生在管道與托管架分離處。4結(jié)論通過(guò)分析不同工況下的計(jì)算結(jié)果，我們可以確定兩種環(huán)境下復(fù)合管應(yīng)力均未超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度（355MPa），并且得到如下結(jié)論：（1）無(wú)論在靜水還是動(dòng)水中，管道的變形呈“S”型曲線，最大變形和最大層間剪應(yīng)力隨著鋪設(shè)水深的增加而增大。（2）在