精益研发助推中国制造

精益研发方法学

海底复合管S型铺管状态下的应力分析

发表时间:2012/08/17 来源:安世亚太   作者:李兵  赵海斌  段鹏  魏斌  
关键字:复合管道  应力分析  ansys  
海底复合管在采用 S 型铺管法铺设时,将同时受到弯矩、轴向拉力和海水拖曳力作用,严重威胁其安全性,因此开展海底管道铺管状态下力学特性研究显得尤为重要。本文将利用ANSYS 软件,分析不同型号的双层复合管在采用S 型铺管法铺设时,静水中和动水中的变形及应力。重点分析了双层复合管中内衬管与外套钢管之间的剪切应力。计算中考虑了管道类型变化、水深变化和管道张紧力变化等多种铺设工况,获得了不同的管道类型、水深以及管道张紧力与管道变形、应力的关系曲线。研究工作和分析结果将为海底管道的S 型铺设技术提供理论依据和设计参考。

1 前言

 

    海底管道是海洋油气资源开发的生命线,对海底石油和天然气的生产和外输起着关键性的作用。目前国际上使用最多的管道铺设方法是铺管船法,这种方法适用于长距离管段远离岸边的铺管作业,而且经济指标也较好。结合国内外的铺管实际工程经验,铺管船法主要有三种:S型铺管法、J型铺管法和卷管式铺管法。其中,S型铺管法由于工程应用最早,其技术相对成熟,成为目前海底管道铺设最为常用的方法,典型S型铺管如图1.1所示。但由于海洋环境十分恶劣,海底管道同时受到弯矩、轴向拉力和海水拖曳力的共同作用,其安全性受到很大的挑战,因此开展海底管道铺管状态下力学特性研究显得尤为重要。

 

    本文将采用ANSYS软件分析不同的双层复合管在S型铺管状态下的力学特性,计算其在不同环境下的变形和应力,特别是内衬管与外套钢管之间的剪切应力,从而获得不同的管道类型、水深以及管道张紧力与管道变形、应力的关系曲线。

 

2 无海流作用下复合管应力计算

 

2.1 几何模型

 

    S型铺管设计参数如表2.1所示。

 

2.2 材料参数

 

    复合管外层材料为无缝钢管SMLS,内层材料为UNSN08825或316L。以上三种材料的力学性能参数如表2.2所示。

 

2.3 网格模型

 

    为了模拟复合管道的变形和应力,采用具有厚度分层特点的ANSYSelbow290管单元。根据复合管的构成特点,在管道厚度方向划分为两层,划分的一段管道单元如图2.1所示。

 

2.4 边界条件

 

    模型中对于托管架的上端设置为被刚体船刚固,即约束其所有自由度。管道与海底的接触点采用刚性地基接触,即约束所有自由度。初始长度的选择根据悬链线计算给出近似长度。对于边界条件,如船体,海床,托管架,没有建立其实际的模型,而是把它们的约束条件加到管道上面。S型铺管所施加的边界条件如图2.2所示。