基于ABAQUS的深水立管強(qiáng)度分析

夏日長，鄧合霞

(海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽300451)

海底管線是海上油氣的生命線，隨著海上油氣開發(fā)的不斷進(jìn)展，如何保證海底管線在服役期間的可靠性成為海底管線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，而保證海底管道不發(fā)生強(qiáng)度破壞是海底管道可靠性的一個(gè)重要方面，因此海底管道強(qiáng)度分析是至關(guān)重要的。本文基于國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題“深水立管工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”中南海深水的條件，用ABAQUS軟件對TLP平臺的相關(guān)立管(TTR)進(jìn)行強(qiáng)度分析［1］。

1 ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的基于有限元方法的工程模擬軟件，它可以解決從相對簡單的線性分析到極富挑戰(zhàn)性的非線性模擬等問題。

ABAQUS由兩個(gè)主要的分析模塊組成:ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。其中在ABAQUS/Standard中還附加了3個(gè)特殊的分析模塊:ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design和ABAQUS/Foundation。另外，ABAQUS還分別為MOLDFLOW和MSC.ADAMS提供了MOLDFLOW接口和ADAMS/Flex接口。ABAQUS/CAE是集成的ABAQUS工作環(huán)境，它包括了ABAQUS模型的建模、交互式提交作業(yè)和監(jiān)控運(yùn)算過程，以及結(jié)果評估(即后處理)等能力。ABAQUS/View是ABAQUS/CAE的子模塊，它包括其中的后處理功能，這些模塊之間的關(guān)系見圖1。

圖1 ABAQUS流程

ABAQUS/Auqa是一套有選擇功能，可以附加到ABAQUS/Standard的模塊。它的功能在于模擬近海結(jié)構(gòu)，如海上石油鉆井平臺，其它一些功能包括模擬波浪、風(fēng)載及浮力的影響等。

2 計(jì)算原理

2.1 Airy波

線性Airy波通常被用來模擬波高和水深比H/d小于0.03、水深和波長比d/λ大于20的波浪。因?yàn)锳iry波是線性的，大量波序運(yùn)行在不同的方向可以被定義，流體質(zhì)點(diǎn)的速度、加速度可以線性疊加，每一個(gè)波動分量的方向余弦可以根據(jù)靜水面來定義。

ABAQUS軟件默認(rèn)，Airy波由波長λN定義，當(dāng)然，也可以用波浪周期TN定義，對于Airy波，每一個(gè)波動分量的波長和周期之間的關(guān)系為

式中:TN——波動分量的周期;

g——重力加速度;

λN——波長。

2.2 Stokes五階波

Stokes五階波是一深水波理論，適合于較大波長的波浪。因?yàn)镾tokes五階波是一非線性波，只能定義一列波序，波長和周期的關(guān)系也比較復(fù)雜，下面列出了H、T和d之間的關(guān)系式:

以上各帶有腳標(biāo)的系數(shù)B、C都僅是Kd的函數(shù)。

2.3 波浪理論的選取

根據(jù)規(guī)范API RP 2A中描述［2］，二維動態(tài)波浪理論應(yīng)該根據(jù)規(guī)范中圖譜進(jìn)行選取，兩個(gè)參考值分別為由于本文兩個(gè)計(jì)算工況為10年、100年的環(huán)境載荷，根據(jù)其波高H、水深d計(jì)算坐標(biāo)值參見表1。

表1 波浪理論的選取

鑒于非線性波的復(fù)雜性和目前計(jì)算機(jī)的配置，采取先用Airy波試算，再用Stokes五階波計(jì)算，最后比較得出結(jié)論。

3 深水立管強(qiáng)度計(jì)算

分別用AIRY波、STOKES波進(jìn)行了張緊立管(TTR)的強(qiáng)度校核。

3.1 計(jì)算模型及主要分析參數(shù)

TTR立管主要用于海底采油，結(jié)構(gòu)形式相對簡單，模型為一條近似直線管道連接海面采油平臺和海底采油樹。

深水立管強(qiáng)度計(jì)算模擬南海采油立管的整體強(qiáng)度響應(yīng)分析，設(shè)計(jì)水深為1 000 m;管道結(jié)構(gòu)形式為雙層管，內(nèi)外管管徑分別為219.1 mm和323.9 mm;設(shè)計(jì)壓力13.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度60℃，介質(zhì)密度670～990 kg/m3;內(nèi)管腐蝕裕量3 mm;內(nèi)外管管材分別為X80和P110，其材料屈服強(qiáng)度分別為551 MPa和758 MPa;平臺最大位移為81.37 m(100年一遇環(huán)境條件)，63.06 m(10年一遇環(huán)境條件)，56.60 m(1年一遇環(huán)境條件);主要環(huán)境參數(shù)見表2。

表2 主要環(huán)境參數(shù)

3.2 TTR幾何尺寸初選

為減少軟件的計(jì)算工作量，需要對雙層管道進(jìn)行合理的簡化，根據(jù)總體強(qiáng)度分析結(jié)果，初選TTR的尺寸見表3。

表3 TTR總體尺寸初選 mm

TTR由于是雙層管結(jié)構(gòu)，對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行相當(dāng)截面的換算，換算依據(jù)等效前后的以下關(guān)系。

式中:Ws1——雙層管結(jié)構(gòu)TTR的水下重;

Ws2——TTR雙層管結(jié)構(gòu)等效截面的水下重;

OD1——雙層管結(jié)構(gòu)TTR外管的外徑;

OD2——TTR雙層管結(jié)構(gòu)等效截面的外徑。

通過以上關(guān)系求出壁厚，并且對等效的截面屬性進(jìn)行修正，最終輸入的等效管道模型為:外徑323.9 mm，壁厚21.76 mm，密度472.27 kg/m3。

3.3 有限元模型

為更好地模擬TTR立管實(shí)際情況，有限元模型在底端取泥面以下50 m剛性固定，頂端取1自由度約束一固定位移，2自由度釋放，3自由度完全約束。

用200個(gè)單元來近似模擬整條海管的形狀，在網(wǎng)格劃分時(shí)，兩端應(yīng)力集中點(diǎn)需要加密網(wǎng)格劃分，中間段可適當(dāng)稀疏。

TTR的靜態(tài)分析所受載荷為體積力(包括重力和浮力)，大小為1 048 N/m方向垂直向下;強(qiáng)制位移(由于TTR受頂部平臺位移而產(chǎn)生的強(qiáng)迫運(yùn)動);集中力(頂部恒定的張緊力)為垂直向上的1.575×106N，TTR動態(tài)分析所受載荷為波浪力、海流力的作用，波浪、海流值取兩典型工況(10年、100年)。

根據(jù)規(guī)范API RP 2A中描述:在自然界中波浪載荷的作用大多是動態(tài)的，在很多設(shè)計(jì)中這些動態(tài)載荷都被靜態(tài)等效了，但是當(dāng)水深達(dá)到一定程度時(shí)，這種動態(tài)效應(yīng)作用在結(jié)構(gòu)上就不能被忽略。

本文將立管的強(qiáng)度計(jì)算分為兩個(gè)步驟。

1)靜態(tài)步，將頂部受到的張緊力、自重和水平位移加在該立管上。

2)動態(tài)步，在第一步響應(yīng)的基礎(chǔ)上將波浪載荷的動態(tài)效應(yīng)加上，時(shí)間增量選為0.125 s，動態(tài)作用為波浪和流對立管的耦合效應(yīng)。

3.4 計(jì)算結(jié)果

TTR分析按表4所列工況。

表4 TTR分析工況 mm

對TTR分別用Airy波、Stokes波進(jìn)行工況1及工況2的分析。使用ABAQUS軟件進(jìn)行建模、計(jì)算并提取各單元及節(jié)點(diǎn)受荷載作用后的響應(yīng)，根據(jù)規(guī)范API RP 2RD使用如下公式進(jìn)行校核［3］。

基于以上的理論，采取UC值的方法描述計(jì)算結(jié)果，UC值的計(jì)算取為

根據(jù)以上計(jì)算方法，用ABAQUS軟件計(jì)算結(jié)果見表5。

隨著水深的增加，管道校核的UC值典型分布情況見圖2和圖3。

表5 TTR強(qiáng)度分析主要結(jié)果 mm

4 結(jié)論

1)TTR各工況分析的應(yīng)力均在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求;

2)用Airy波和Stokes波理論計(jì)算的結(jié)果比較接近，因此認(rèn)為兩種波浪理論均可以用來計(jì)算TTR立管強(qiáng)度;

3)整條管道在頂端和底端的應(yīng)力比較大，建議采取一些工程方法來加強(qiáng)這部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(如改變結(jié)構(gòu)尺寸、改變約束條件等);

4)本文僅對立管分析的一個(gè)方面(整體強(qiáng)度)進(jìn)行了校核。深水立管長度比較大，在未發(fā)生強(qiáng)度破壞時(shí)，可能有屈曲、疲勞等現(xiàn)象發(fā)生，為保證立管的長期安全可靠性，實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)全面校核立管，整體評估。

［1］莊 茁，張 帆，岑 送，等.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］American Petroleum Institute.Design of risers for floating production systems(FPSs)and tension-leg platforms(TLPs):API RP 2RD［S］.API Publication and distribution，1998.

［3］American Petroleum Institute.Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design:API RP 2A［S］.API Publication and distribution，2000.