基于ABAQUS的深水立管强度分析

夏日长，邓合霞

(海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽300451)

海底管线是海上油气的生命线，随着海上油气开发的不断进展，如何保证海底管线在服役期间的可靠性成为海底管线设计的关键问题，而保证海底管道不发生强度破坏是海底管道可靠性的一个重要方面，因此海底管道强度分析是至关重要的。本文基于国家高技术研究发展计划(863计划)课题“深水立管工程设计关键技术研究”中南海深水的条件，用ABAQUS软件对TLP平台的相关立管(TTR)进行强度分析［1］。

1 ABAQUS软件介绍

ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件，它可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等问题。

ABAQUS由两个主要的分析模块组成:ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。其中在ABAQUS/Standard中还附加了3个特殊的分析模块:ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design和ABAQUS/Foundation。另外，ABAQUS还分别为MOLDFLOW和MSC.ADAMS提供了MOLDFLOW接口和ADAMS/Flex接口。ABAQUS/CAE是集成的ABAQUS工作环境，它包括了ABAQUS模型的建模、交互式提交作业和监控运算过程，以及结果评估(即后处理)等能力。ABAQUS/View是ABAQUS/CAE的子模块，它包括其中的后处理功能，这些模块之间的关系见图1。

图1 ABAQUS流程

ABAQUS/Auqa是一套有选择功能，可以附加到ABAQUS/Standard的模块。它的功能在于模拟近海结构，如海上石油钻井平台，其它一些功能包括模拟波浪、风载及浮力的影响等。

2 计算原理

2.1 Airy波

线性Airy波通常被用来模拟波高和水深比H/d小于0.03、水深和波长比d/λ大于20的波浪。因为Airy波是线性的，大量波序运行在不同的方向可以被定义，流体质点的速度、加速度可以线性叠加，每一个波动分量的方向余弦可以根据静水面来定义。

ABAQUS软件默认，Airy波由波长λN定义，当然，也可以用波浪周期TN定义，对于Airy波，每一个波动分量的波长和周期之间的关系为

式中:TN——波动分量的周期;

g——重力加速度;

λN——波长。

2.2 Stokes五阶波

Stokes五阶波是一深水波理论，适合于较大波长的波浪。因为Stokes五阶波是一非线性波，只能定义一列波序，波长和周期的关系也比较复杂，下面列出了H、T和d之间的关系式:

以上各带有脚标的系数B、C都仅是Kd的函数。

2.3 波浪理论的选取

根据规范API RP 2A中描述［2］，二维动态波浪理论应该根据规范中图谱进行选取，两个参考值分别为由于本文两个计算工况为10年、100年的环境载荷，根据其波高H、水深d计算坐标值参见表1。

表1 波浪理论的选取

鉴于非线性波的复杂性和目前计算机的配置，采取先用Airy波试算，再用Stokes五阶波计算，最后比较得出结论。

3 深水立管强度计算

分别用AIRY波、STOKES波进行了张紧立管(TTR)的强度校核。

3.1 计算模型及主要分析参数

TTR立管主要用于海底采油，结构形式相对简单，模型为一条近似直线管道连接海面采油平台和海底采油树。

深水立管强度计算模拟南海采油立管的整体强度响应分析，设计水深为1 000 m;管道结构形式为双层管，内外管管径分别为219.1 mm和323.9 mm;设计压力13.3 MPa，设计温度60℃，介质密度670～990 kg/m3;内管腐蚀裕量3 mm;内外管管材分别为X80和P110，其材料屈服强度分别为551 MPa和758 MPa;平台最大位移为81.37 m(100年一遇环境条件)，63.06 m(10年一遇环境条件)，56.60 m(1年一遇环境条件);主要环境参数见表2。

表2 主要环境参数

3.2 TTR几何尺寸初选

为减少软件的计算工作量，需要对双层管道进行合理的简化，根据总体强度分析结果，初选TTR的尺寸见表3。

表3 TTR总体尺寸初选 mm

TTR由于是双层管结构，对此结构进行相当截面的换算，换算依据等效前后的以下关系。

式中:Ws1——双层管结构TTR的水下重;

Ws2——TTR双层管结构等效截面的水下重;

OD1——双层管结构TTR外管的外径;

OD2——TTR双层管结构等效截面的外径。

通过以上关系求出壁厚，并且对等效的截面属性进行修正，最终输入的等效管道模型为:外径323.9 mm，壁厚21.76 mm，密度472.27 kg/m3。

3.3 有限元模型

为更好地模拟TTR立管实际情况，有限元模型在底端取泥面以下50 m刚性固定，顶端取1自由度约束一固定位移，2自由度释放，3自由度完全约束。

用200个单元来近似模拟整条海管的形状，在网格划分时，两端应力集中点需要加密网格划分，中间段可适当稀疏。

TTR的静态分析所受载荷为体积力(包括重力和浮力)，大小为1 048 N/m方向垂直向下;强制位移(由于TTR受顶部平台位移而产生的强迫运动);集中力(顶部恒定的张紧力)为垂直向上的1.575×106N，TTR动态分析所受载荷为波浪力、海流力的作用，波浪、海流值取两典型工况(10年、100年)。

根据规范API RP 2A中描述:在自然界中波浪载荷的作用大多是动态的，在很多设计中这些动态载荷都被静态等效了，但是当水深达到一定程度时，这种动态效应作用在结构上就不能被忽略。

本文将立管的强度计算分为两个步骤。

1)静态步，将顶部受到的张紧力、自重和水平位移加在该立管上。

2)动态步，在第一步响应的基础上将波浪载荷的动态效应加上，时间增量选为0.125 s，动态作用为波浪和流对立管的耦合效应。

3.4 计算结果

TTR分析按表4所列工况。

表4 TTR分析工况 mm

对TTR分别用Airy波、Stokes波进行工况1及工况2的分析。使用ABAQUS软件进行建模、计算并提取各单元及节点受荷载作用后的响应，根据规范API RP 2RD使用如下公式进行校核［3］。

基于以上的理论，采取UC值的方法描述计算结果，UC值的计算取为

根据以上计算方法，用ABAQUS软件计算结果见表5。

随着水深的增加，管道校核的UC值典型分布情况见图2和图3。

表5 TTR强度分析主要结果 mm

4 结论

1)TTR各工况分析的应力均在许用应力的范围内，满足规范要求;

2)用Airy波和Stokes波理论计算的结果比较接近，因此认为两种波浪理论均可以用来计算TTR立管强度;

3)整条管道在顶端和底端的应力比较大，建议采取一些工程方法来加强这部分结构强度(如改变结构尺寸、改变约束条件等);

4)本文仅对立管分析的一个方面(整体强度)进行了校核。深水立管长度比较大，在未发生强度破坏时，可能有屈曲、疲劳等现象发生，为保证立管的长期安全可靠性，实际工程项目中应全面校核立管，整体评估。

［1］庄 茁，张 帆，岑 送，等.ABAQUS非线性有限元分析与实例［M］.北京:科学出版社，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.