海底單層保溫配重管道安裝分析方法研究

劉新帥，孫國民，余志兵，李 慶，馮現(xiàn)洪

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

海底單層保溫配重管道安裝分析方法研究

劉新帥，孫國民，余志兵，李 慶，馮現(xiàn)洪

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

海底單層保溫配重管道由于制造成本低、鋪設(shè)效率高，目前已在我國許多近海邊際油氣田項目中得到應(yīng)用。從力的傳遞和變形協(xié)調(diào)條件出發(fā)，對安裝狀態(tài)下的單層保溫配重管進(jìn)行了受力分析，然后采用有限元程序ABAQUS建立單層保溫配重管和托管架的三維模型，對其S型鋪設(shè)過程進(jìn)行模擬分析，獲得了單層保溫配重管鋪設(shè)期間各層的應(yīng)力分布、層間剪應(yīng)力以及彎矩沿管線的分布情況。研究工作和分析結(jié)果將為單層保溫配重管道的安裝分析方法提供設(shè)計參考，并可為其鋪設(shè)施工提供實(shí)際指導(dǎo)。

海底管道 單層保溫配重管 安裝分析 有限元

0 引 言

我國近海邊際油氣田生產(chǎn)的原油大多要求采用保溫海底管道輸送，之前常用的雙層保溫管道結(jié)構(gòu)，采用鋼管作為保護(hù)管很不經(jīng)濟(jì)，而且現(xiàn)場施工還需要內(nèi)外管焊接，這在很大程度上降低了鋪管效率，增加了安裝費(fèi)用。單層保溫配重管道即“鋼管層＋底層防腐層(FBE)＋聚氨酯保溫層＋聚乙烯夾克管(HDPE)＋混凝土配重層”的結(jié)構(gòu)形式(見圖1、圖2)，這種結(jié)構(gòu)施工工藝合理，制造成本低，鋪設(shè)效率高，目前在許多項目上已經(jīng)取代了“鋼管＋保溫層＋外套鋼管”的雙層管結(jié)構(gòu)。

圖1 單層保溫配重管節(jié)點(diǎn)設(shè)計示意圖Fig.1 Single layer insulated pipeline joint design

圖2 單層保溫配重管道橫剖面圖Fig.2 Single layer insulated pipeline section

1 單層保溫配重管道安裝狀態(tài)下受力分析

在安裝過程中，海底單層保溫配重管道主要由內(nèi)部的鋼管來承受軸向拉、壓荷載，然后通過層間剪力再傳遞到其他各層。各層之間的抗剪強(qiáng)度是安裝設(shè)計中需要考慮的重要參數(shù)，如果參數(shù)未能滿足要求，管道可能將產(chǎn)生層間滑脫，破壞管道的完整性，導(dǎo)致保溫性能下降。因此，保溫層剪應(yīng)力和層間剪應(yīng)力的計算是單層保溫管道結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。此外，由于防腐層只有很薄的一層(3,mm)，對管道本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很小，因此在研究中忽略了該層的影響。

單層保溫配重管道安裝時的各層受力情況如圖3所示。

圖3 鋪設(shè)安裝期間單層保溫配重管道各層變形及層間受力圖Fig.3 Single layer insulated pipeline distortion & stress during installation

2 單層保溫配重管道有限元安裝分析方法

有限元法是求解安裝狀態(tài)時單層保溫配重管應(yīng)力的有效方法，其原理是用相互連接的有限梁單元系統(tǒng)來模擬管道，對每一段管道單元導(dǎo)出彎曲方程式，各邊界條件與管道單元之間相適應(yīng)，然后將方程組列成矩陣算法求解。目前廣泛應(yīng)用的海底管道安裝分析程序是OFFPIPE，但由于OFFPIPE無法模擬管道各層間的相互作用，因此不適用于單層保溫配重管道的安裝分析。

本文采用通用有限元程序ABAQUS對安裝狀態(tài)下的單層保溫配重管道進(jìn)行模擬分析，采用PIPE31,H管單元分別建立了鋼管、保溫層、防護(hù)層及配重層的三維模型，各層之間采用ITT31單元相互聯(lián)接以協(xié)調(diào)整體的變形，根據(jù)某鋪管船和托管架的總體布置圖建立了托管架的結(jié)構(gòu)模型，采用集中力來模擬張緊器對管道的拉力，然后基于非線性有限元法大撓度梁理論進(jìn)行求解。單層保溫配重管道模型橫截面及安裝模擬分析步驟分別如圖4、圖5所示。

圖4 單層保溫配重管道模型橫截面示意圖Fig.4 Cross section of single layer insulated pipeline model

圖5 單層保溫配重管道安裝模擬示意圖Fig.5 Simulation of single insulated pipeline installation

3 工程算例

3.1 材料參數(shù)

本工程計算實(shí)例采用的材料設(shè)計參數(shù)基于渤海某油田項目擬使用的單層保溫配重管道結(jié)構(gòu)(見表1)。

表1 單層保溫配重管道各層特性參數(shù)Tab.1 Single insulated pipeline characteristic parameters

3.2 有限元計算結(jié)果與分析

本工程采用S型鋪管方法鋪設(shè)，目標(biāo)水深為24,m，管道張緊力為50,kN，計算得到管道Mises應(yīng)力分布云圖如圖6～9所示。

從圖中可以看出，管道在重力和張緊力的作用下呈S形彎曲，最大應(yīng)力發(fā)生的位置為管道與托管架分離處。

圖6 鋼管層Mises應(yīng)力分布云圖Fig.6 Mises stress distributing of steel layer

圖7 防護(hù)層Mises應(yīng)力分布云圖Fig.7 Mises stress distributing of HDPE layer

圖8 保溫層Mises應(yīng)力分布云圖Fig.8 Mises stress distributing of insulated layer

圖9 混凝土層Mises應(yīng)力分布云圖Fig.9 Mises stress distributing of concrete layer

圖10 各層剪應(yīng)力沿管線分布曲線Fig.10 Shearing strength curve distributing along pipeline

圖11 各層彎矩沿管線分布曲線圖Fig.11 Moment curve distributing along pipeline

圖10 為單層保溫配重管各層所承受的剪應(yīng)力沿管線分布曲線圖，圖11為單層保溫配重管各層所彎矩沿管線分布曲線圖。從圖中可知，鋼管層承受了最大的應(yīng)力與彎矩，其次是混凝土層，而防護(hù)層與保溫層則相對小了很多；且在鋪設(shè)分析過程中，管道各層保持了很好的變形協(xié)調(diào)性與完整性，沒有出現(xiàn)層間滑脫現(xiàn)象，所受剪應(yīng)力也未超出層間抗剪力指標(biāo)，說明該項目使用的單層保溫配重管道結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足安裝施工的要求。

4 結(jié) 論

通過對單層保溫配重管的S型鋪設(shè)過程進(jìn)行分析，計算其在目標(biāo)水深下的變形和應(yīng)力分布，從而獲得單層保溫配重管各層所受剪應(yīng)力和彎矩沿管線的分布曲線。得到如下結(jié)論：

① 海底土壤對管道最外層的摩擦阻力不得大于管道各層間接觸面的剪應(yīng)力。因此，需保證管道各層接觸面保有足夠的抗剪切能力，避免發(fā)生層間滑脫現(xiàn)象。

② 鋪設(shè)過程中，管道橫截面上鋼管層與混凝土配重層承受了絕大部分的軸力與彎矩，夾克防護(hù)層、聚氨酯保溫層部分則相對小了很多。

③ 管道應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在管線與托管架分離處，可以通過調(diào)整托管架的角度或滾輪的高度來優(yōu)化管道的受力情況。

④ 在鋪設(shè)分析過程中，管道各層保持了很好的變形協(xié)調(diào)性與完整性，沒有出現(xiàn)層間滑脫現(xiàn)象，所受剪應(yīng)力也未超出層間抗剪力指標(biāo)，說明工程計算實(shí)例中使用的單層保溫配重管道結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足安裝施工的要求?！?/p>

［1］ 曹靜，王章領(lǐng)，閆澍旺，等. 海底單重保溫管道層間軸向剪應(yīng)力計算方法研究[J]. 中國海上油氣，2005(2)：62-63.

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Analysis of Installation Status of Submarine Single Insulated Pipeline

LIU Xinshuai，SUN Guomin，YU Zhibing，LI Qing，F(xiàn)ENG Xianhong
(Offshore Oil Engineering Co., Ltd.，Tianjin 300451，China)

Due to the low manufacturing cost and high laying efficiency，submarine single insulated pipeline has been used in many offshore marginal oil field projects in China．In this paper，considering the load transfer and deformation coordination condition，the installation state of the single insulated pipe stress was analyzed，and then a three-dimensional model of pipe and the stinger was established with finite element program ABAQUS，calculation and analysis were carried out on the S-lay process of pipeline. The Mises stress，shear stress distribution and bending moment along the pipeline were obtained．The research will provide design references for single insulated pipeline installation method，and can provide guidance for pipelaying in practice.

submarine pipeline；single insulated pipeline；installation analysis；finite element

U175

A

1006-8945(2016)06-0047-04

2016-05-12