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第 3 卷第 8 期集输与加工深海卷管铺设中的管道安全性分析王立权廖洪千李怀亮刘军. 哈尔滨工程大学机电工程学院. 海洋石油工程股份有限公司王立权等. 深海卷管铺设中的管道安全性分析. 天然气工业,0,38):80-86. 摘要深海卷管铺设过程中管道发生了复杂的塑性变形, 可能造成管道的失效, 因此需要对管道的安全性进行评估为此, 首先对卷管铺设整个过程中管道的受力变形情况进行了分析, 发现管道在上卷至卷筒时最易发生失效其次对上卷时管道可能发生的失效形式进行了归纳和分析, 获得了管道在各种失效形式下的极限承载公式然后基于位移控制条件, 得到了管道的极限弯曲半径, 并结合极限承载公式, 建立了管道失效的评价指标最后以管径为 6 英寸 406.4 mm) 的管道为实例, 对管道的安全性进行评估, 并采用有限元软件对管道上卷时张力对管道椭圆度的影响进行了分析结果表明 : 较大径厚比的管道在上卷时更易于满足极限载荷承载条件, 但是对管道截面变形不利, 当径厚比达到 0 时, 不满足位移控制条件, 已不适用于卷管法铺设 ; 较高的管材等级对卷管铺设中管道安全性有利 ;3 上卷张力对管道椭圆度的影响较小, 可以忽略关键词深海卷管铺设安全性上卷极限承载能力位移控制条件张力椭圆度 DOI:0.3787/j.n.000-0976.0.08.0 Anndunnd WnLqun,LHnqn,LHun,LuJun.C Mhnnd E EnnHbn Ennn Unv,Hbn,Hnjn000,Chn;.OhOEnnnC.,Ld.,Tnjn3004,Chn) NATUR.GASIND.VOLUME3,ISSUE8,.80-86,8//0.ISSN000-0976;InChn) Ab:Pumbudmmddmndunnhd,nvuhn.F,nwndudnhdmnnhwhn.I nddhunduwhhbndnh.snd,unmuumbnwbhdvuubnznndummznhbumdunn.thd, umbndndunwbndbdnhdmnnndn.andvunndxnuwdbmbnnwhumbnḡmu.andn,wvudbdnud whdm6nh406.4mm).andhn,hnnndunnwnzdb unhnmnw.ihwnhhhdm-hkndvndmn,huhumbnndnndbddundn.and whnhdm-hkn0,dmnndndnnnbdndhmhdnb.bd,hhdvb nh.andn,hnnnnhnb. Kwd:D;R;S;Rn;Umbn;Dmnndndn;Tnn;E 基金项目 : 国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发南海深水油气开发示范工程编号 :0ZX006-003-08) 作者简介 : 王立权,97 年生, 教授, 博士生导师 ; 主要从事水下智能机械仿生机器人系统和机电一体化等方面的技术研究工作地址 :000) 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街 4 号哈尔滨工程大学机电工程学院 E-m:wnqun@hbu.du.n

天然气工业 0 年 8 月海底管道是海洋油气开发的重要组成部分, 在深水油气开发生产和长距离运输过程中, 扮演着重要的角色 ] 铺设是管道受力和变形最严重的时刻, 因而需要对铺设过程中管道的安全性进行分析卷管铺设相较于以前常用的 S 形铺设和 J 形铺设, 在深水管道铺设中有着非常明显的优势, 不仅铺设速度快而且成本低 -3], 逐渐成为该领域的研究重点屈曲和崩溃是管道在铺设过程中最容易发生的两种失效形式 4] 铺设过程中, 管道会承受张力静水压力和弯矩的联合作用, 实验室难以对所有情况进行模拟因此, 对卷管铺设中所使用厚壁管道的受力状态承载能力及安全 4] 性进行理论分析就显得非常的必要 Ind 等对 S 形管道铺设的受力状态进行了分析, 并分析了各 -7] 种因素对 S 形铺设的影响 B 等通过理论和数值方法研究了海底管道在多种荷载作用下的受力和屈 8] 曲性能 Gun 等对管道的极限弯曲能力进行 9] 了实验研究 DG 等对管道承受静水外压的能 0] 力进行了实验研究 Khn 等采用规范对 J 形铺设中管道的受力情况进行了分析国内学者对管道承载能力和变形的分析主要采用国外规范 -4] 由于卷管铺设中, 管道的变形和受力几乎达到了所允许的极限, 而规范对深海卷管铺设中管道安全性的评价有一定的局限因此国外铺管公司普遍都采用试验方法对卷管铺设中的管道安全性进行研究, 成本较高笔者首先分析了铺管过程中管道可能发生的失效形式, 并对管道所能承受的变形和载荷进行了归纳和理论分析, 然后将理论分析得到的公式应用到管道安全性的分析中, 并基于有限元软件讨论了张力对管道变形的影响卷管铺设过程卷管铺设作为一种新型的铺管方式, 相较于传统的 S 形铺设和 J 形铺设, 在中小管径管道的铺设中有着诸多优势管道在陆上基地预制并上卷至卷筒, 陆地预制保证了管道的焊接质量, 储管卷筒在海上可连续放出管道, 保证了管道铺设的快速性图 ) 整个卷管铺设过程中, 管道至少发生了次塑性弯曲循环, 如图所示, 实线为第次, 虚线为第次, 其中 : 段表示管道卷至卷筒上, 其由弹性区进入塑性区, 发生了塑性变形 ; 段表示管道从卷筒退卷至校准器之前, 其弯曲曲率慢慢变小, 该过程发生了反向塑性变形 ;3 段表示管道经过校准器时, 再次弯曲, 管道又一次发生塑性变形 ;4 段表示管道经过校直器, 管道曲率变小, 并且反向变形 ; 段表示管道离开校直器后回图卷管铺设示意图图卷管过程中的曲率弯矩关系图注 :k 为曲率 ;M 为弯矩弹, 曲率变为零从图可以发现, 管道最易发生失效的地方在第次塑性变形时, 即管道上卷至卷筒时管道失效. 管道失效形式厚壁管道广泛应用于深水油气运输海洋平台张力腿和近海平台立管针对深水高压环境, 海底油气管道径厚比通常在 0~40 之间卷管铺设中采用的管道主要是厚壁管, 厚壁管道的破坏与管道径厚比材 4] 料力学性能初始缺陷等因素有着重大关系根据载荷实际情况, 卷管铺设中管道上卷时的失效形式归纳起来包括以下 3 种 : 弯曲崩溃, 由于横截面和轴向屈曲联合作用导致的管道破坏, 此时承受的最大弯矩被称之为最大纯弯弯矩能力 ; 张力崩溃, 由于管道在轴向方向承受较大张力导致管道破坏失效, 此时承受最大的张力被称之为最大拉伸能力 ;3 组合崩溃, 管道在上述种载荷的联合作用下导致的管道失效, 这种情况下失效分析比较复杂. 位移控制条件根据本文参考文献 ], 管道极限弯曲应变 ε) 可由下式计算 : æ ε=0.78 ç èd -0.0 ö ø αh. α w )

第 3 卷第 8 期集输与加工 3 式中 αh=r0./rm) mx, 碳锰钢取值为 0.93, 铬钢取值为 0.9;α w 为环焊因子, 无缝钢管取值为 ; 为管道壁厚 ;D 为变形前平均外径规定 : 此外,DNV 对管道的椭圆度允许范围 Δ) 进行了 D mx -D mn Δ = <3% ) D 式中 D mx 为变形管道最大直径 ;D mn 为变形管道最小直径并且对管道弯曲椭圆度 0') 给出了计算经验公式 : æ 0'=0 +0.03+ D ö æ ç ε D ö ç è 0 ø è ø 3) 式中 0 为管道初始椭圆度, 一般不小于 0.%;ε 为管道弯曲应变.3 极限承载能力.3. 纯拉伸纯拉伸会引起管壁变薄, 导致管道的失效甚至破裂随着拉力的逐渐增加, 管道的横截面会不断变小, 当拉力达到某一值时, 管道的横截面会迅速变小, 甚至达到材料的拉伸强度在这种情况下, 若再施加很小的一个力, 管道将被破坏管道承受拉伸载荷 T0) 的大小可根据下式计算 4] : T =0.SMYS +SMTS)A 4) 式中 A 表示的是横截面积 ;SMYS 为管道的屈服强度 ;SMTS 为管道的拉伸强度.3. 纯压缩当管道所承受的压力逐渐增加到一定阶段时, 管道会发生欧拉屈曲如果继续加载, 管道将会在屈曲的作用下, 导致管道破坏管道承受的最大压力 F), 根据本文参考文献 4] 为 :.3.3 纯弯 F =T ) 管道在纯弯矩情况下, 随着弯矩的增加, 管道的横截面将会出现扁化现象当椭圆度达到某一特定值之前, 减小横截面的惯性矩会抵消掉应变硬化产生的应力但随着弯曲的继续, 损失的惯性矩不足以补偿掉应变硬化带来的结果, 最后将导致管道的破坏对于径厚比小的管道, 发生扁化破坏之前, 管道受拉侧纤维就将达到极限值对于径厚比大于 3 的管道, 管道将会发生扁化失效 4] 根据 Ind 等研究, 管道在纯弯曲失效时受到的极限弯矩为 : M M =.3- D / 90 + æ D / ö ç è00 ø 6) M =SMYSD -) 7) 式中 M 为极限弯矩 ;M 为屈服弯矩.3.4 组合载荷管道在拉弯情况下, 应力中性层会随着张力的改变而改变取出受拉弯载荷管道的横截面进行分析, 假设管道达到极限承载时的截面应力分布如图 3 所示, 图 3 将界面分成了两部分, 上部分为受拉应力区, 下部分为受压应力区图 3 右半部分是经过理想化处理后的管道受拉和受压应力分布图 3 管道截面应力分布图当管道无几何缺陷和残余应力时, 管道截面所受的弯矩 M ) 和张力 T) 可以由下式计算 : M =-Am mσm +An nσn 8) 式中 Am 为横截面受压区面积 ; m 为受压面积中心到横截面中心的距离 ;σm 为受压区应力 ;An 为横截面受拉区面积 ; n 为受拉面积中心到横截面中心的距离 ;σn 为受拉区应力 T =v ψ σm + π-ψ ) σn] 9) 式中 v 为管道平均半径 ; ψ 为两条塑性中性轴夹角的一半 Am =ψv 0) An=π-ψ ) v ) nψ m =v ψ ) nψ n=v 3) π-ψ 通过一系列数学运算, 可得到管道在拉弯极限载荷时受到弯矩表达式 : M = - vnπσ -σn)/σm -σn)]σm + vnπσ -σn)/σm -σn)]σn 4) 将式 4) 和 ) 代入式 4), 可以得到极限强度下弯矩和张力之间的关系式图 4):

4 天然气工 0 年 8 月业 æ π T ö M =M ç ) è T ø 从图 4 可以看出,该理论计算结果相对于 DNV 规范和I nd 研究结果更加保守 3 管道安全性分析 3. 管道上卷受力分析图对管道上卷受力进行了分析管道在上卷过程中,所受的弯矩逐渐增大,在上卷至卷筒后,管道所受弯矩最大且为定值,根据 V =dm/dx=0 可以得知, 管道剪力为 0 上卷时,卷筒驱动力矩产生的张力 FT)与张紧器水平张力 FR)平衡,张紧器对管道产图 4 张力和弯矩关系图图上卷时管道受力情况图生的垂直压力 FT )与卷筒对管道施加的反作用力 FR)平衡通过分析得知,管道在和卷筒初始接触时是最易发生失效的时刻,需对其进行重点研究 3. 位移控制条件上卷过程中,管道承受着较大的弯曲载荷,管道受拉一侧最外层产生了较大的应变根据式 ),可以得到管道极限弯曲应变在实际铺管作业过程中,由于一些未知风险因素的影响,管道设计弯曲应变小于极限弯曲应变: εd ε/ γε 式中εd为设计应变; γε 为应变阻力因子 6) 图 6 低安全等级下的允许弯曲半径图管道在弯曲过程中,弯曲半径和最大应变之间的关系如下式: ε =R/ ρ 7) 式中ε 为管道弯曲最大应变; R 为管道半径; ρ 为管道弯曲半径,等于卷筒半径和管道半径之和图 6~8 显示了在不同安全等级下,不同径厚比不同管径的海底管道允许弯曲半径根据本文参考文献 6]和实际情况,为降低铺管船的重心,卷筒直径通常在限制在 0 m 以内因此,径厚比大于 0 的 6 n n=. 4 mm,下同)管道已不适用于卷管铺设方式根据式 3)可以对管道椭圆度进行预测,结果图 7 中等安全等级下的允许弯曲半径图

第 3 卷第 8 期集输与加工不同曲率条件下的载荷组合如图 3 所示,结合图 9 和表 3 可以看出,当管道不满足位移控制条件时,可能会满足极限承载条件;管道弯曲半径变小会恶化管道的受力,对管道安全性不利,此时,需要更高的钢材等级;径厚比较大的管道上卷时更易于满足极限承载条件,但对横截面椭圆度变形不利因此,为确保卷管铺设中管道的安全,需要同时满足位移控制条件和极限承载条件表 ρ=0m 的载荷组合表图 8 高安全等级下的允许弯曲半径图见图 9 从图 9 可以看出,卷筒半径为 8 m 时,径厚比为 0 的管道已不适用于卷管铺设法编号 M/ m) M/ m) T/ 64 63 300 8 3 4 4 3 66 6 883 6 6 88 463 46 T/ 是失效 4 394 8 338 9 88 8 0 T/ 是失效 30 是 49 74 430 496 430 表 3 ρ=8m 的载荷组合表编号 3 图 9 不同弯曲半径下的管道椭圆度图 3. 3 极限承载能力根据位移控制条件分析结果,弯曲半径分别采用 0 m 和 8 m,对 6 n 管道载荷承载能力进行分析管道具体参数见表 7] 根据弹塑性理论,得到了管道在不同曲率下的弯矩;根据理论计算得到式 ),得到了在该弯矩条件下的设计张力;由于管道上卷时拉力 T. M/R,可计算出管道上卷时的实际张力材料参数/MP D/ STMS=7 SYMS=44 3 E =. 07 0 STMS=6 4 6 SYMS=483 E =. 07 0 6 M/ m) T/ 64 63 300 8 4 66 883 463 7 3 63 88 46 4 43 是 9 3 33 是 744 30 304 4 上卷张力对椭圆度的影响在 ANSYS 中建立如图 0 所示的有限元模型,管道单元选择为 3D8,在管道末端施加向位移,使管道卷至卷筒,产生相应的弯曲曲率对管道的横截面和轴向截面采用对称约束,横截面与卷筒接触处施加向约束对管道先施加张力载荷,然后施加弯曲载荷图表管道参数表编号 4 M/ m) 分别显示了管道在有无张力情况下的位移云图 0 0 0 0 图 0 网格划分及约束图

6 天然气工 0 年 8 月业论了张力对管道变形的影响研究结果对卷管铺设中卷筒的研制以及管道的选择有重要指导意义,并从中得出以下结论: )上卷过程中管道与卷筒初始接触时,是最易发生失效的时刻 )径厚比达到 0 的 6 n 管道,已不适用于卷管图不考虑张力的管道弯曲位移云图法铺设法 3)较高等级的管材,对上卷安全性有利;径厚比较大的管道,上卷时更易于满足极限承载条件,但对管道横截面变形不利 4)上卷时,张力对管道横截面变形的影响可以忽略参考文献海底管道铺 ]党学博,龚顺风,金伟良,李志刚,赵冬岩,何宁. 图考虑张力的管道位移云图图 3 表示的是管道 3在有无张力情况下椭圆度的变化可以看出,相对于弯曲对管道椭圆度的影响,在上卷过程中张力可以忽略因此,管道上卷过程中,在对管道变形进行评估时,可以忽略上卷张力对管道的影响,同时验证了前面的假设但是张力不能超过管道所能承受的极限载荷,防止管道发生载荷失效设技术研究进展中国海洋平台, 00, ): 0. DnXub,GnShun J n W L Zh ZhDnn,H N n. R h nubm n n n hn Ch n O h P m, 00, ): 0. ]L Zh ZhDnn. An WnCHN v v w d w n n hn Ch n O nen n 008, 3): 3. 国外深水铺管方法与铺管船研究现 3]黄维平,曹静,张恩勇. 状及发展趋势海洋工程, 0, 9 ): 3 4. Hu n W C J Zh nen n. S h nd d v n nd d n nd nv w b d Th O nen n 0, 9 ): 3 4. 4]I ndrt,mnt. R b n du n n n d nu m n hund mb nd d J u n O h M hn nda En n 999, ): 40 46. ]B Y,I ndrt,mnt. Tub und mb nd x n u, n nnd bnd n M ns u - u, 997, 0 ): 389 40. 6]B Y,I nd R,Mn T. C h k ub und 图 3 有无上卷张力时管道椭圆度对比图结论分析了铺管过程中管道可能发生的失效形式,对管道所能承受的变形和载荷进行了理论分析,并将理论分析得到的结果应用到了管道安全性的分析中,讨 mb nd n nndbnd n J u n Cn u n S R h, 99, 3 3): 33 7. 7]HuhSR,B Y. Bnd n mmn J u n O h M hn nd A En n 000, 4): 43. 8]Gu nf,f d M,G dn A. An n m hd n m d A d O n nr h, 008, 30 4): 97 304.

第 3 卷第 8 期集输与加工 7 9]DGD,MwkU,Hnbnd HG,Cwd M. CnhmdnudwnC] 3 d InnnCnn nohmhnndaenn0-jun 004,Vnuv,BhCumb,Cnd.Vnuv:AmnSMhnEnn,004. 0]KhnM,YunR.Inndndnnu-dwJunTnnEnn 00,38):63-639. ] 刘冰, 刘学杰, 张宏. 基于应变的管道设计准则天然气工业,008,8):9-3. LuBLu Xuj,Zhn Hn.Pndnd bdn mhnnugindu, 008,8):9-3. ] 李璞, 陶燕丽, 周建. 基于应变设计管道局部屈曲应变极限值的计算天然气工业,03,337):0-07. LPu,TYn,ZhuJn.Audhummvnbuknnn-bddn nnugindu,03,337):0-07. 3] 赵东岩, 罗超. 深水 S 型海底管道铺设可接受标准研究中国造船,00, 增刊 ):9-00. ZhDnn,LuCh.Invnnhb dws-nnnsh- BudnChn,00,S):9-00. 4]LuBLu Xuj,Zhn Hn.Sn-bddn njun L Pvnnn PIndu,009,6):884-888. ]D Nk V.Ohndd DNV-OS-F0: ubmnnms].o:dnv,0. 6]KkdS,Cn E.Mhnhn M].Oxd:Ev,007:34-0. 7]AmnPumInu.APISnLSnnS].Whnn DC:APIPubhn Sv,000. 修改回稿日期 0-0-0 编辑何明 )