深水海底管道屈曲传播试验设计

卞雪航，吴海欣，余 杨，杨 源，李智博，孙 刚

（天津大学 港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室，建筑工程学院，天津 300072）

深水海底管道屈曲传播试验设计

卞雪航，吴海欣，余 杨，杨 源，李智博，孙 刚

（天津大学 港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室，建筑工程学院，天津 300072）

针对深水海底管道屈曲传播的研究需要，文中结合国外的相关研究成果，以天津大学现有深海压力舱试验装置为基础，并以DNV规范和ANSYS有限元数值模拟计算结果为依据，设计了深水海底管道屈曲传播试验方案。该试验方案选取径厚比在25～30范围内的小直径管件进行试验，为管道屈曲传播理论研究提供指导，并可作为深水管道止屈器试验设计的参考。

深水管道；屈曲传播；屈曲试验

深水海底管道在制造误差、海水腐蚀、安装过程中弯曲造成的局部椭圆化等因素影响下，会产生局部缺陷，减弱管道的承载能力，使其在高水压作用下发生局部屈曲。由于屈曲传播压力要小于局部屈曲压力，局部屈曲会沿管道轴向传播，使得整条管道压溃，造成巨大的经济、生态危害。因此，必须对深水海底管道屈曲传播机理进行深入研究，探索止屈方法，指导深水海底管道的设计。

目前，深水海底管道屈曲传播方面的研究尚不成熟，这就需要通过试验手段来指导和验证理论研究。在管道的屈曲传播与止屈试验研究方面，国外学者做了大量的工作。如美国的Kriakides曾利用一种小型压力舱进行管道的屈曲传播及整体式止屈器试验[1-2]，该压力舱总长4 m，内径178 mm，内部以水作为压力介质,承压能力62 MPa。在该装置中进行屈曲传播试验的管道，管道材质为304不锈钢，直径44.5 mm。通常为了更好地观察管道屈曲传播与穿越止屈器，试验者都会选取相对“长”一些的管道进行试验，屈曲传播及止屈试验的管道长度为管径的30～50倍。Kriakides等人通过屈曲传播试验读取了管道屈曲传播压力。并且还在管道上焊接单个或两个整体式止屈器进行管道止屈试验，获取屈曲穿越压力，进而计算出不同止屈器的效率。另外，他们还使用了一种竖置的压力舱进行管道双扣入式止屈器试验。该舱承压能力69 MPa，舱体内径76 mm，舱长则只有1.74 m，通过双扣入式止屈器试验水压曲线，可以读取试验管道的屈曲传播压力、止屈器穿越压力、扣入式止屈器的不同穿越模式等，为扣入式止屈器效率计算和管道止屈研究提供了详实的试验数据。阿根廷工业研究中心也使用一款水压舱对API X42级钢管进行了焊接整体式止屈器试验[3]。该试验管道最长2.25 m，直径达14 cm。该试验结果也表明，焊接整体式止屈器的止屈效率会影响屈曲穿越模式。安有效率较低止屈器的管道一般发生平行式穿越，而安有效率较高止屈器的管道则易发生正交式穿越等模式。国内外学者在管道屈曲传播及止屈试验方面的探索为设计新型的深水海底管道屈曲传播试验提供了参考和指导。

1 深水管道屈曲传播试验装置

天津大学自主研制了深水油气管道专用试验装置——深海压力舱。整个深海压力舱试验平台包括主舱体机构、注水加压系统和数据采集处理系统。

主舱体机构总长11.5 m，舱体直径1.6 m，可承受43 MPa的高压。该机构前端部安有轴向油压机，可对舱内管件施加轴向拉、压力。油压机及前端盖下方则是由电动车与轨道组成的快速定位系统。主舱体结构及尺寸如图1所示。

注水加压系统包括注水、排水阀门、加压泵、净化储水箱和附属管路系统等。数据采集和处理系统包括主控台、图像、数据采集处理终端以及配套软件系统。试验时，通过该系统控制试验舱，进行注水、加压以及视频监测、数据采集处理等，实现对试验系统的远程操控。该系统如图2所示。

2 深水管道屈曲传播试验设计

屈曲传播试验用于验证现有屈曲传播理论，以规范与有限元数值模拟计算结果为依据进行深水管道屈曲传播试验方案的设计。

2.1 试验件尺寸参数确定

图1 天津大学深海压力舱

图2 主控系统

通过对国外有关管道屈曲传播及止屈试验的调研，可知目前国外绝大部分的管道屈曲传播及止屈试验采用的管件为小直径管。这是为了更有效地研究管件屈曲传播趋势，全面了解管件屈曲传播变形情况，测定屈曲传播速度，去除管件边界条件影响区域后，要使试验管件的屈曲传播区域相对“长一些”，试验管件长度一般在管件直径的30～50倍，其试验设备尺寸有限，不能进行更大尺寸管件试验。天津大学深海压力舱试验段长度为8 m，因此进行屈曲传播试验选用的试件最大直径可达15～27 cm（相当于6～10寸）。为了进一步确定管道的壁厚等参数，分别使用DNV-OS-F01规范和ANSYS有限元数值模拟软件进行计算，两者计算结果相互验证，确定试验管件的参数，计算结果还对试验管件的屈曲及屈曲传播压力和变形情况进行了预测。

DNV规范中计算管道局部塑性屈曲压力的公式如下：

式中：PP为局部塑性屈曲压力；fy为材料屈服应力；αfab为管道制作系数，对于无缝钢管，该系数一般取1，直缝电阻焊管（ERW）取0.93；t为管道壁厚；D为管道外径。

DNV规范中计算屈曲传播压力公式如下：

式中：Ppr为管道屈曲传播压力，其他各项参数与（1）式相同。

使用ANSYS有限元软件建立三维圆柱壳模型，采用solid45单元模拟管道，两端施加固支约束，有限元模型及计算结果如图3所示。

图3 ANSYS有限元模型

用DNV规范和ANSYS数值模拟软件对101.6～254 mm外径、不同壁厚的管道进行计算，可以得到结果如表1所示。

表1 不同尺寸管道屈曲及传播压力计算表

由计算结果列表可以看出，用ANSYS计算的结果与DNV规范计算结果是一致的，但是规范结果略低一些，偏于保守。经过对比验证，两者计算结果可以作为试验设计的依据。选取径厚比在25～35的管件，可以保证在现有设备承压范围内完成管道局部屈曲试验，该径厚比范围内的管道屈曲传播压力基本在1 MPa以上，同时这个范围内的局部屈曲压力、屈曲传播压力又不至于太大，避免了加载时间过长，提高了试验效率，保证屈曲传播试验顺利进行。针对试验特点应选取尽量“长”一些的管道试件，因此，选取小直径的管道。选取的尺寸参数如表2所示：

表2 屈曲传播试验管道基本尺寸参数表

2.2 试验件缺陷参数确定

为了保证在试验时管道屈曲能按指定路径传播，且尽量扩大屈曲传播研究区域，需人为在管道端部施加初始缺陷，根据国外相关经验，可以在距离管道一端4倍管径处设置一定的椭圆度缺陷，如图4所示。

图4 试验管道模型

采用DNV规范中计算含初始椭圆度管道屈曲压力公式和ANSYS有限元数值模拟来确定管道缺陷参数：

DNV规范计算含椭圆度缺陷管道屈曲压力公式如下：

式中：pel为管道弹性屈曲压力；f0是管道椭圆度。

规范与ANSYS有限元数值模拟的计算结果如表3。

由表3可以看出，ANSYS数值模拟结果与DNV规范计算结果一致，当管端初始缺陷定为1.5%时，其局部屈曲压力下降明显，又远大于预测屈曲传播压力，增加了压力曲线的对比度和区分度，可以作为试验时的缺陷。因此，屈曲传播试验设计方案如表4所示。

2.3 屈曲传播试验步骤

（1）对于相同尺寸的管件，首先将无缺陷试验管道装入压力舱体内，注水、加压，测定无缺陷管件的局部屈曲压力；

（2）将含椭圆度缺陷的管件安入压力舱内进行加压试验。屈曲传播压力测定方法是：对管道持续加压，当达到一定值时，管道含缺陷处最先发生局部屈曲，此时水压有一个瞬间下降，继续对管道加压，舱体内水压有一定上升，局部屈曲开始传播，由于管道不断被压扁，舱内水压会在某一值保持恒定，即为屈曲传播压力。

（3）将无缺陷管道试验测定的局部屈曲压力与含缺陷管道测定的屈曲传播压力进行对比，求出两者之间的关系。

表3 不同缺陷下管道屈曲计算结果表

表4 屈曲传播试验参数表

（4）以上每组试验重复进行3次，最终试验结果取3次试验的平均值，以排除偶然性因素的影响。

3 结论与展望

（1）DNV规范计算出的管道局部屈曲压力与使用ANSYS数值模拟计算结果是一致的，两者计算结果可以作为试验设计的参考依据。

（2）对于天津大学现有压力舱，可选取25～30之间的管道进行屈曲传播试验，该径厚比范围内管道局部屈曲压力与屈曲传播压力既不会超出舱体承压能力，也不会使加压时间过长，同时测量系统可以准确测定屈曲传播压力，该试验方案可以提高试验效率并保证结果的准确性。

（3）屈曲传播试验方案可以作为深海管道止屈器试验设计的参考依据，对于止屈器试验，由于试件也要历经局部屈曲与屈曲传播过程，可以选取与该方案相同参数的管道和缺陷形式。

[1]Kyriakides S,TANetto.On the dynamics ofpropagatingbuckles in pipelines[J].International Journal ofSolids and Structures.2000，37：6843-6867.

[2]TANetto,Kyriakides S.Dynamics performance ofintegral buckle arrestors for offshore pipelines.Part I：Experiments[J].International Journal of Mechanical Sciences，2000，42：1405-1423.

[3]Rita GToscano，et al.Collapse arrestors for deepwater pipelines[J].computers and structures，2008，86：728-743.

Scheme Design for Deep Water Pipeline Buckling Propagation Experiment

BIAN Xue-hang,WU Hai-xin,YU Yang,YANG Yuan,Li Zhi-bo,SUN Gang
(Key Laboratory of Harbor and Offshore Engineering,School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

To supply the demand of buckling propagation research of the deepwater pipeline,based on experimental equipment of the deep water chamber of Tianjin University and the calculation of DNV standard and ANSYS numerical simulation,the scheme for deep water pipeline buckling propagation experiment is designed,which selects small diameter pipes which radius-thickness ratios are 25～30 with 1.5%ovality defect.The local buckling pressure and buckling propagation pressure can be measured by this experiment.The results can guide the research of the pipe buckling propagation theory and the design of the pipe arrestor experiment.

deepwater pipe;buckling propagation;buckle experiment

P751

B

1003-2029（2011）04-0093-04

2011-05-20

国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目

卞雪航（1984-），男，博士研究生，研究方向为船舶与海洋工程结构动力学。Email：tjltbxh@163.com