深水柔性管抗拉層螺旋鋼纜軸向壓載荷研究

深水柔性管抗拉層螺旋鋼纜軸向壓載荷研究

原油長(zhǎng)距離輸送和海上管道系統(tǒng)是海洋石油開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的核心，在運(yùn)輸石油、鉆孔和水井等重要任務(wù)上發(fā)揮著重要作用，被稱為“海洋石油生命線”。與其他管道產(chǎn)品相比,柔性管具有結(jié)構(gòu)布置形式靈活、順應(yīng)性強(qiáng)、與平臺(tái)耦合較弱、安裝與回收成本低等優(yōu)點(diǎn),在挪威北海、巴西以及美國(guó)墨西哥灣的深海油氣田中被廣泛運(yùn)用。我國(guó)南海油氣資源儲(chǔ)量豐富,絕大多數(shù)油藏處于深水、超深水區(qū)域?？梢灶A(yù)見(jiàn),深水柔性管在我國(guó)南海有著廣闊的發(fā)展前景。柔性管一般分為粘結(jié)(bonded)柔性管和無(wú)粘結(jié)(unbonded)柔性管兩種形式。粘結(jié)柔性管,主要指立管內(nèi)各層結(jié)構(gòu)不能相互滑移,其制造長(zhǎng)度因硫化工藝受到限制;而無(wú)粘結(jié)柔性管道則無(wú)此限制,長(zhǎng)度可達(dá)幾百米甚至幾千米,且便于依用戶要求而增減結(jié)構(gòu)層的數(shù)目是目前柔性管的主要形式,被廣泛應(yīng)用。這里所指柔性管為無(wú)粘結(jié)柔性管。無(wú)粘結(jié)柔性管是多層復(fù)合管狀結(jié)構(gòu)物,一般按從內(nèi)層到外層順序包括內(nèi)襯層(internalcarcass)、內(nèi)壓防護(hù)層(internalpressure)、內(nèi)鎖壓力層(pressurearmor)、抗磨層(anti-weartape)、抗拉層(tensilearmor)、外保護(hù)層(outersheath),此外在一些層與層之間還存在用聚酯纖維(polymer)制作的中介保護(hù)層。柔性管各層的英文名稱、材料、功能如圖1所示。內(nèi)襯層采用不銹鋼材料制作,是由截面為S型的連續(xù)長(zhǎng)鋼條經(jīng)塑性成形制成的一種內(nèi)部自鎖柔性結(jié)構(gòu)。該層是柔性管的主要支撐結(jié)構(gòu),承受內(nèi)外部的徑向載荷,防止立管因徑向變形而發(fā)生塌陷等結(jié)構(gòu)失效。內(nèi)壓防護(hù)層是由復(fù)合材料聚酯纖維制造的相對(duì)較薄的中介層,主要目的是防止內(nèi)襯層和抗壓層的移位,抵抗化學(xué)侵蝕,防止內(nèi)外層結(jié)構(gòu)互相影響。內(nèi)鎖壓力層是由兩條碳鋼鋼帶沿著與管軸近90°方向纏繞而成的互鎖結(jié)構(gòu)層。該層可增強(qiáng)柔性管的內(nèi)外壓承載能力,且能夠承受徑向載荷,但是該層對(duì)軸向載荷和彎曲載荷的承載能力較弱?？估瓕邮怯蓛蓪虞S對(duì)稱的螺旋鋼纜層制成,鋼纜與軸向夾角為30°～55°,用以抵抗軸向拉力,防止管線斷裂,不具備抵抗軸向壓應(yīng)力的能力。外保護(hù)層主要由復(fù)合材料制作,目的是防腐、防止內(nèi)層磨損等。柔性管結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,在工作和安裝過(guò)程中,會(huì)受到內(nèi)外壓、軸向拉力、彎矩、扭矩等多種載荷,存在著壓潰、屈曲、疲勞、屈服等多種失效形式,這都為柔性立管設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。目前,柔性管的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)基本被法國(guó)的Technip公司、英國(guó)Wellstream公司和丹麥NKT公司壟斷,國(guó)內(nèi)對(duì)于柔性立管的設(shè)計(jì)制造基本處于空白。深水柔性管在安裝或工作工況中,在彎曲點(diǎn)會(huì)受到彎矩和水壓的共同作用,抗拉層螺旋鋼纜會(huì)受到軸向壓應(yīng)力作用,產(chǎn)生屈曲失效。隨著工作水深的增加,抗拉伸層鋼纜屈曲成為柔性管的重要失效形式。柔性管螺旋鋼纜受壓屈曲,包括徑向屈曲或者側(cè)向屈曲兩種形式,如圖2所示。其中徑向屈曲指的是鋼纜遭到破壞凸出圓柱表面,因?yàn)槠茐男问叫嗡气B(niǎo)籠,又被稱為“鳥(niǎo)籠現(xiàn)象”。側(cè)向屈曲指的是鋼纜沿著圓柱表面發(fā)生橫向偏移。鳥(niǎo)籠現(xiàn)象和側(cè)向屈曲最早是20世紀(jì)90年代末期在挪威海域的一個(gè)1700m水深的柔性管道鋪設(shè)項(xiàng)目中被發(fā)現(xiàn)的。屈曲分析一般考慮兩種情況,其一為管道外側(cè)未遭到破壞,抗拉層螺旋鋼纜需承受外部水壓力,稱為干燥環(huán)境(dryannuluscondition);當(dāng)管道遭到破壞,螺旋鋼纜已經(jīng)與海水接觸,則螺旋鋼纜不再受到外部水壓影響,稱為濕環(huán)境(wetannuluscondition),其中干燥環(huán)境下更易進(jìn)入材料塑性變形階段。螺旋鋼纜屈曲失效涉及多種非線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題,具有重要的研究意義。近年來(lái)國(guó)外許多學(xué)者致力于對(duì)該問(wèn)題的研究,取得了許多成果。這里從數(shù)值模擬和試驗(yàn)兩方面介紹國(guó)外的研究現(xiàn)狀及其有待解決的主要問(wèn)題,希望可以為國(guó)內(nèi)柔性管的發(fā)展提供參考。1有限元模擬螺旋層鋼纜數(shù)值模擬的主要意義在于將數(shù)值結(jié)果與已有試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,尋找一種準(zhǔn)確成熟的方法以替代昂貴的試驗(yàn),分析影響抗拉層屈曲的主要因素,為建立柔性立管設(shè)計(jì)規(guī)范提供參考。當(dāng)前基本采用非線性有限元法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行仿真模擬。該問(wèn)題的主要難點(diǎn)在于:第一,螺旋鋼纜是特殊的結(jié)構(gòu)形式,用傳統(tǒng)的歐拉伯努利梁模型或?qū)嶓w模型難以準(zhǔn)確模擬。第二,屈曲和后屈曲問(wèn)題屬于大變形小應(yīng)變問(wèn)題,涉及到幾何非線性。第三,結(jié)構(gòu)屈曲后,結(jié)構(gòu)可能處于塑性階段,同時(shí)柔性管還存在遲滯效應(yīng),屬于材料非線性問(wèn)題。第四,需要模擬螺旋鋼纜之間的接觸和抗拉層與耐磨層及其他層之間的接觸,這屬于接觸非線性。此外,目前的計(jì)算機(jī)能力還不足以應(yīng)付如此大規(guī)模的計(jì)算,計(jì)算效率也是需要重點(diǎn)考慮的因素。針對(duì)上述問(wèn)題,一部分學(xué)者試圖在非線性有限元的基本框架下改進(jìn)已有單元類型或建立新單元類型,來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的梁?jiǎn)卧驅(qū)嶓w單元,找到一種快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的求解方法。另一部分學(xué)者則運(yùn)用經(jīng)典的非線性有限元法,以傳統(tǒng)單元模型進(jìn)行建模,分析抗拉伸層螺旋鋼絲的屈曲及后屈曲性能。對(duì)于新單元類型的研究大多處于理論探索階段,目前的研究對(duì)很多次要問(wèn)題進(jìn)行了假設(shè),取得了一定的研究成果,但還不能廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。ZhuZH等人運(yùn)用三維曲梁?jiǎn)卧M螺旋層鋼纜,該單元為三節(jié)點(diǎn)單元,應(yīng)變-位移基本方程基于Love的經(jīng)典理論,即:εz=δω(s)δs?κu(s)(1)ωx=φx(s)δs?τφy(s)+κφz(s)(2)假設(shè)εz和ωz在單元內(nèi)隨Z軸位移線性變化,以此有效避免了剪力鎖定現(xiàn)象,其坐標(biāo)系沿著螺旋線建立。作者將分析結(jié)果與ANSYS軟件結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果較為接近。Ginema等人應(yīng)用曲梁?jiǎn)卧?運(yùn)用差分平衡方程,同時(shí)將坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系,對(duì)螺旋構(gòu)件進(jìn)行了解析推導(dǎo),獲得了較好的結(jié)果。RodigeroP等人在Zhu的基礎(chǔ)上,對(duì)三維曲梁進(jìn)行了改進(jìn),使其可以模擬扭轉(zhuǎn),其法向和副法向位移模式如下:u(s)=a0+a1s+a2s2|a3s3+a4s4+a5s5(3)v(s)=b0+b1s+b2s2+b3s3+b4s4+b5s5(4)該三節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)偠染仃囘_(dá)到1200行,但僅用很少量的單元(20～50個(gè))即與ANSYS軟件運(yùn)用1000個(gè)三維梁?jiǎn)卧媒Y(jié)果類似。該文沒(méi)有對(duì)單元進(jìn)行屈曲分析,但單元能夠模擬軸向壓力作用,因此可以對(duì)其進(jìn)行后續(xù)研究以獲得屈曲載荷和后屈曲性能。SaevikS等人在該方面進(jìn)行了大量研究:其對(duì)螺旋鋼纜的模擬基于非線性細(xì)長(zhǎng)桿理論,采用Green應(yīng)變和第二Kirchoff應(yīng)力進(jìn)行分析,坐標(biāo)系采用沿螺旋線布置的直角坐標(biāo)系,單元如圖3所示,坐標(biāo)系如圖4所示。將所需的參數(shù)用柔性立管截面中心點(diǎn)的位移與應(yīng)力表示,抗拉層螺旋鋼絲的Green應(yīng)變可以表示為:ε1=cos2αw1,1+sin2αu3/R+Rsinαcosαχ1,1(5)ω1=sin3αcosαRw1,1?sin3αcosαRu3+cos4αχ1,1(6)ω2=sin2αcos2αRw1,1?sin3αcos2αRu3+(2sinαcos3α+sin3αcosα)χ1,1(7)式中:下腳標(biāo)1表示對(duì)于坐標(biāo)軸1的偏導(dǎo),w1和χ1為管中心截面對(duì)應(yīng)的軸向和扭轉(zhuǎn)自由度。作者運(yùn)用軸對(duì)稱單元來(lái)模擬未受彎矩之前的柔性立管內(nèi)層結(jié)構(gòu),用接觸算法和曲梁?jiǎn)卧M抗拉層。這樣可以減少計(jì)算量。而對(duì)于受到彎曲后的結(jié)構(gòu)用夾層梁?jiǎn)卧驮黾酉嗷ソ佑|自由度的標(biāo)準(zhǔn)三維梁?jiǎn)卧?運(yùn)用兩種單元對(duì)柔性管進(jìn)行了應(yīng)力分析,分析結(jié)果得到兩者都能很好地模擬螺旋層應(yīng)力,但應(yīng)用夾層梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算效率更高。上述研究已可以較好地模擬柔性立管的各種載荷,但還沒(méi)有對(duì)屈曲問(wèn)題進(jìn)行分析,后續(xù)工作主要是對(duì)矩陣特征值進(jìn)行求解和進(jìn)行屈曲后結(jié)構(gòu)分析。ZhiminT等人運(yùn)用能量法變分原理對(duì)螺旋鋼纜屈曲進(jìn)行了解析解計(jì)算,其所用的基本方程式為:Π(α)=Utensile(a)+Utope(a)?Wp(a)(8)dΠ(a)da=0(9)式中:a為鋼纜應(yīng)變,Π為系統(tǒng)總能量,Utensile為螺旋鋼纜變形能,Utape為抗磨層產(chǎn)生的變形能,W為所做的功。通過(guò)該方程組得到了軸向壓力—應(yīng)變平衡曲線,其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。該文只給出了定性分析曲線,并沒(méi)有給出具體的結(jié)果和推導(dǎo)過(guò)程。從中可以看出干燥環(huán)境和濕環(huán)境下的臨界載荷有明顯的差異。該文還指出當(dāng)管道發(fā)生彎曲時(shí),其平衡路徑會(huì)變得相對(duì)光滑。NielsH和AndersL假設(shè)柔性管彎曲半徑不變,忽略摩擦力以及扭轉(zhuǎn)力,運(yùn)用力的平衡方程以及幾何非線性理論對(duì)抗拉層進(jìn)行模擬。他們運(yùn)用Cauchy應(yīng)力表示應(yīng)力,將一根螺旋鋼纜作為一個(gè)單元推導(dǎo)出其解析解。文章將一根柔性管作為算例進(jìn)行了側(cè)向屈曲分析,結(jié)果如圖6所示。該文采用了諸多假設(shè),同時(shí)考慮管道僅發(fā)生側(cè)向屈曲而不發(fā)生鳥(niǎo)籠響應(yīng),具有一定局限性。由于新單元類型尚不成熟,一些學(xué)者采用ABAQUS或ANSYS等成熟的有限元軟件,運(yùn)用梁?jiǎn)卧驅(qū)嶓w單元建立模型進(jìn)行分析,對(duì)柔性管屈曲問(wèn)題進(jìn)行模擬。其主要側(cè)重點(diǎn)在于接觸單元的模擬和如何選擇方法縮短計(jì)算時(shí)間同時(shí)保證計(jì)算精度。ZhangY較早進(jìn)行了這方面的研究,介紹了柔性管局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題,應(yīng)用有限元法建立了一個(gè)預(yù)測(cè)鳥(niǎo)籠效應(yīng)的螺旋鋼纜模型。該文采用了傳統(tǒng)的三維梁?jiǎn)卧?對(duì)分布在兩個(gè)抗拉層的兩條螺旋鋼纜進(jìn)行了建模,采用線性方法計(jì)算了該模型的一階屈曲載荷;由于采用線性模型,并不能進(jìn)行后屈曲性能分析。Bectarte等描述了螺旋鋼纜屈曲的機(jī)理,給出了一個(gè)計(jì)算模型。FabioP等描述了一個(gè)2500m水深9.13英寸柔性輸油管工程實(shí)例的設(shè)計(jì)過(guò)程,指出了預(yù)防鳥(niǎo)籠效應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。提出要防止鳥(niǎo)籠現(xiàn)象,一個(gè)有效的方法是提高抗拉層厚度,但這種方法對(duì)預(yù)防側(cè)向屈曲效果不大;因此要完整地考慮抗拉層螺旋鋼纜的屈曲問(wèn)題,主要設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)是螺旋鋼纜截面的幾何形狀、尺寸以及螺旋角的大小。JoseR等運(yùn)用ANSYS軟件建立了如圖7所示的柔性管有限元模型。在這個(gè)模型中,內(nèi)部的內(nèi)襯層和內(nèi)鎖壓力層被模擬為SHELL單元,螺旋鋼纜被模擬為三維直梁?jiǎn)卧?在這個(gè)模型中考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸問(wèn)題。文中以一個(gè)2.5m長(zhǎng)4英寸的柔性管作為模型,網(wǎng)格數(shù)達(dá)到了121394個(gè),自由度更達(dá)到391128個(gè);文中并未提及計(jì)算時(shí)間和效率,但是考慮到網(wǎng)格數(shù)和強(qiáng)非線性,計(jì)算效率可想而知。作者將有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,軸向位移、軸向縮短距離擬合較好,但表示側(cè)向屈曲的扭轉(zhuǎn)角有一定差距,具體對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖8。VazMA等建立了一個(gè)柔性管三維非線性有限元模型,如圖9所示。在這個(gè)模型中,運(yùn)用直梁?jiǎn)卧M抗拉層螺旋線,運(yùn)用彈性支持來(lái)模擬抗拉層內(nèi)外的各層結(jié)構(gòu),用罰函數(shù)接觸算法模擬兩螺旋線之間的接觸,在兩螺旋線間建立了一個(gè)圓柱形表面單元,用以確立接觸。運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行了有限元分析,該文只考慮了幾何非線性,并沒(méi)有考慮柔性管塑性變形。作者認(rèn)為柔性管抗拉層鋼纜的屈曲形式主要取決于接觸摩擦系數(shù)和外壓力,外壓力、摩擦系數(shù)與計(jì)算實(shí)例的臨界載荷關(guān)系如圖10所示。作者將其分為A、B、C三個(gè)區(qū)。其中A、B區(qū)為側(cè)向屈曲,C區(qū)為鳥(niǎo)籠屈曲。圖11和圖12為文中算例結(jié)果。其中圖11摩擦系數(shù)0.4,外壓力為0MPa;圖12摩擦系數(shù)為0.01,外壓力分別為6MPa和15MPa。2壓力艙dip試驗(yàn)對(duì)于鳥(niǎo)籠效應(yīng)和側(cè)向屈曲問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外對(duì)于其數(shù)值模擬的研究還不夠成熟。因此,當(dāng)前廣泛采用試驗(yàn)方法進(jìn)行螺旋鋼纜的屈曲校核,目的主要是在柔性管設(shè)計(jì)中確定其是否會(huì)屈曲失效以及失效后結(jié)構(gòu)響應(yīng)?，F(xiàn)今的試驗(yàn)方法均為全尺度試驗(yàn),主要分為三類,一是海上DIP(deepwaterimmersionperformence)試驗(yàn);二為壓力艙(pressurechamber)試驗(yàn);三是機(jī)械性能試驗(yàn)。其中,DIP試驗(yàn)與真實(shí)工況最為相近,試驗(yàn)結(jié)果也最為準(zhǔn)確,但其需要水下機(jī)器人和海上船舶,成本十分高昂;所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備也不是一般的研究機(jī)構(gòu)所擁有的。目前只有柔性管制造設(shè)計(jì)公司和大型石油公司進(jìn)行過(guò)這類試驗(yàn)。壓力艙試驗(yàn)成本大約為DIP試驗(yàn)的1/5到1/10,但需要大型密封艙等特殊實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目前國(guó)外的主要研究集中在找到一種合適的壓力艙試驗(yàn)方法,達(dá)到與昂貴的DIP試驗(yàn)相同的準(zhǔn)確性。對(duì)于一些沒(méi)有壓力艙設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室,機(jī)械性能試驗(yàn)是對(duì)柔性管研究的首選試驗(yàn),采用等效力的方法運(yùn)用機(jī)械裝置模擬海底壓力和彎矩,這樣可以大幅度減少成本,但機(jī)械性能試驗(yàn)并不能完美模擬海底工況,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)其準(zhǔn)確性還持保留態(tài)度。值得一提的是,上面三種試驗(yàn)均為全尺度試驗(yàn),目前國(guó)內(nèi)外大型研究機(jī)構(gòu)還沒(méi)有進(jìn)行柔性管縮尺比模型試驗(yàn)。這是由于柔性管結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,生產(chǎn)困難,要想制造完美模擬柔性管力學(xué)性質(zhì)的模型十分困難。ZhiminT分別對(duì)4～6英寸柔性管做了DIP試驗(yàn)和壓力艙試驗(yàn),密封艙結(jié)構(gòu)如圖13所示,試驗(yàn)結(jié)果表明柔性管局部屈曲主要與水深、彎曲半徑、管道內(nèi)徑、螺旋鋼纜尺寸和布置角度、抗磨層厚度五個(gè)因素有關(guān)。DIP試驗(yàn)被認(rèn)為是近年來(lái)柔性立管的權(quán)威性試驗(yàn),被很多學(xué)者用來(lái)與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比。RobertoR等人描述了柔性管機(jī)械性能試驗(yàn)的詳細(xì)試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)變片的貼法如圖14和圖15所示,圖16為試驗(yàn)裝置圖。該試驗(yàn)并沒(méi)有進(jìn)行柔性管壓載荷試驗(yàn),不過(guò)其試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)裝置等與柔性管受壓屈曲試驗(yàn)類似,可以提供參考。巴西的JoseR等人在COPEE/UFRJ實(shí)驗(yàn)室對(duì)4英寸柔性管進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果中法向應(yīng)力和副法向應(yīng)力都隨著軸向壓力的增大而不斷增大,并呈現(xiàn)出兩段直線型的特性。NKT公司的NielsH等對(duì)5m長(zhǎng)6寸的柔性管進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn)。Technip公司PhilippeS等詳細(xì)闡述了各種柔性管試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)和注意事項(xiàng),提供了柔性管試驗(yàn)的選擇依據(jù),并且描述了2010年初