基于落物损伤的全尺寸海底管道压溃实验及数值模拟

杨政龙，余建星，段晶辉，陈海成，余 杨，孔凡冬



基于落物损伤的全尺寸海底管道压溃实验及数值模拟

杨政龙1, 2，余建星1, 2，段晶辉1, 2，陈海成1, 2，余 杨1, 2，孔凡冬1, 2

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072； 2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

针对落物撞击导致的海底管道塑性凹陷损伤，采用天津大学深水压力舱进行外静水压力作用下的全尺寸管道压溃实验. 采用ABAQUS有限元软件模拟实际管道压溃实验过程，与实验结果进行了对比验证，结果表明管件压溃压力模拟值与实验值较好吻合，管件变形模态基本一致. 利用验证的有限元模型方法，研究了不同凹陷几何参数、凹陷与椭圆度组合缺陷对管道压溃临界载荷的影响. 研究表明：随着凹陷几何尺寸和椭圆度的增大，管件压溃压力随之减小，且各缺陷对管件压溃压力的影响程度逐渐变小．椭圆度对小凹陷深度管件压溃压力的影响较大，对大凹陷深度管件压溃压力的影响较小．研究结果对损伤管道剩余强度和安全评估具有一定的参考价值．

海底管道；凹陷；落物；压溃

随着我国工业化和城市化进程加快，海上油气管道成为不可替代的重要生产和输送工具[1]．面对复杂恶劣的海洋环境载荷和随机多样的第三方破坏，管道在安装和服役阶段面临着巨大的安全隐患．其中落物撞击是较常见的第三方机械损伤类型，一旦发生落物碰撞损伤，管件可能由于过高的外界水压力发生屈曲失稳，造成管道局部压溃甚至整体结构失效的严重后果[2-3]．因此，准确评估碰撞损伤后的管道剩余承压能力，对保障管线安全运营具有重要意义[4]．

关于缺陷管道屈曲压溃问题，国内外学者开展了大量研究．Estefen[5]通过缩尺比实验研究了无损管道在外压联合弯曲作用及初始椭圆度缺陷管道在外压作用下的力学行为．He等[6]对不同初始椭圆度、径厚比和材料屈服强度管件的压溃压力进行数值模拟研究．Xue[7]对外压作用下的受腐蚀非均匀壁厚管道压溃及屈曲传播进行了数值模拟研究．Netto等[8]利用缩尺比实验结合有限元模拟方法研究了不同腐蚀几何参数对管道屈曲压溃行为的影响．Benjamin等[9-10]针对不同分布形式和尺寸的片腐蚀缺陷管件的失效压力进行了理论和实验研究．Fan等[11]利用缩尺比实验和有限元模拟方法研究了初始椭圆度和片状腐蚀组合缺陷对管道屈曲压溃的影响．天津大学余建星等[12]通过全尺寸压溃实验和数值模拟研究了径厚比、初始腐蚀凹坑和椭圆度等缺陷对管道压溃的影响．目前，国内外对于海底管道初始缺陷的研究主要集中在初始椭圆度或由腐蚀等造成的壁厚不均匀性缺陷，鲜有基于实际落物碰撞造成的凹陷缺陷管道压溃研究．

国内外管道压溃实验研究通常在高压舱体装置内进行，主要以容纳缩尺比管件的小尺度压力舱为主，代表舱体有奥斯汀大学[13]、阿根廷工业研究中心[14]、澳大利亚昆士兰大学[15]以及浙江大学[16]等设计制造的高压舱．然而，缩尺比实验存在一定的尺度效应，实验结果可能会与实际管件压溃行为有所差异，因此对高压舱体主尺度提出了更高的要求．例如：加拿大C-FER公司[17]及我国天津大学自主研制的大尺度、高承压全尺寸压力舱．由于更加严格的高压密封和实验操作稳定性要求，国内外全尺寸高压舱的研制和相关压溃实验研究报道相对较少．

鉴于上述分析，本文选取实际落物撞击后不同凹陷程度管件，设计开展外静水压力作用下的全尺寸管道压溃实验；从管件局部压溃临界压力角度，采用ABAQUS有限元软件对实验进行模拟对比验证．分析了凹陷几何参数、凹陷与椭圆度组合缺陷对管件压溃压力的影响规律．

1 全尺寸管道压溃实验

1.1 实验装置

压溃实验采用天津大学自主研制的全尺寸深海压力舱，该装置内径1.25,m，主体长度10,m，可容纳1∶1等比例最大8,m长度的全尺寸管件，承压能力80,MPa，能够为舱体内部提供稳定的高静水压力，以及对管道等试件施加轴向力、侧向力和温度载荷．

整个压力舱由压力舱体机构、实验保障机构和实验测量系统3部分共同组成，各部分紧密配合，保障深海压力舱实现稳定高压的实验环境，主压力舱体如图1和图2所示．

图1 压力舱体示意

图2 压力舱体实物

1.2 实验管件

压力舱静水压溃实验管件选自全尺寸落物撞击实验后凹陷损伤管件，实验采取落锤定位的方式，模拟法兰从指定高度垂直自由落体正中撞击管道的碰撞过程，撞击损伤位于管道中段位置，具体落物撞击形式及凹陷损伤情况如图3所示．

本次实验管件的标称直径＝325,mm，壁厚＝10,mm，管道总长＝6,m．针对凹陷缺陷几何特征，图4给出了管件和凹陷几何参数，其中、和分别为凹陷的轴向长度、径向深度和周向宽度．

图3 全尺寸落物实验

1.3 实验方案

压溃实验主要流程为管件前期处理、管件安装、压力舱密封、压力舱注水、加压实验、卸压排水、管件出舱和管件后处理等．

各组实验管件的几何参数见表1．

图4 管件和凹陷几何参数

表1 实测管件尺寸及缺陷参数

Tab.1 Size of the specimens and defect parameters

2 外静水压作用下管道压溃数值模拟

2.1 管件凹陷模型

为采集准确全面的管道形状，实验采用三维机械臂对落物实验后凹陷管件进行外轮廓扫描，并将扫描数据输入到ABAQUS软件，建立管道凹陷截面，如图5所示．

有限元模型与管道实际几何参数相一致，椭圆度选取测量最大值，管道两端设置固端约束来限制管道受到静水压力载荷后发生的整体位移，将静水压力载荷施加到管道模型的外表面，来模拟实验过程中受到的外静水压力．采用C3D8I单元并在局部凹陷位置将网格加密来增加求解精度，模型如图6所示．

综上所述，糖尿病肾病早发现、早治疗可以逆转糖尿病肾病的临床症状，降低糖尿病肾病的患病率，有效防止肾功能衰竭的发生。在糖尿病患者中，开展多项生化指标检测可以提高临床诊断准确性，对糖尿病肾病早确诊、早治疗、降低肾衰竭发生率具有十分重要的临床价值。

图5 建立的模型截面

图6 三维数值模拟模型

2.2 管道材料模型

实验管道材质为X65，采用Ramberg-Osgood模型描述管道应力与应变的关系，其表达式为

图7 X65材料应力-应变曲线

Fig.7 Stress-strain curves of X65

表2 管道材料参数

Tab.2 Properties of test pipe

2.3 实验与数值模拟结果对比分析

针对不同凹陷深度管道开展外静水压力加载实验，将压溃实验结果与数值模拟结果进行对比分析．

2.3.1 静水压力时程曲线

通过压力传感器采集的数据可得到舱内静水压力时程曲线，如图8所示．实验开始后，控制加压系统运行加载水压，舱内静水压力逐渐升高，当升至该管件压溃临界压力值时，舱内传出响亮的管件压溃声响，实验管件发生屈曲体积变形，舱内水压也随之 骤降．

图8 压溃实验水压力时程曲线

2.3.2 管件压溃压力

表3 实验与模拟结果对比

Tab.3 Comparison of test and simulation results

2.3.3 管件压溃变形

压溃实验结束后，将管件吊出舱体，拆解应变片及引出线，发现在外静水压力作用下各组管件被严重压扁，变形模态相似，管件中段凹陷缺陷处变形最扁，横截面呈哑铃状，且沿轴向两端变形逐渐变小．图10为压溃实验前后及数值模拟得到的管件变形对比情况，数值模拟的管件变形模态与实验结果基本一致．

图9 实验与模拟结果对比

图10 实验与数值模拟变形对比

3 缺陷参数敏感性分析

海底管道压溃临界压力与其结构和缺陷参数密切相关，本节采用验证后的有限元方法，针对管件凹陷几何参数、椭圆度与凹陷组合缺陷进行敏感性分析，其中计算结果采用无量纲压溃压力-影响参数曲线表示．

3.1 凹陷几何参数分析

图11为凹陷长度不变、凹陷深度/分别为1、3、5时，管件压溃压力随不同凹陷宽度的变化情况．可以看出，凹陷深度和长度相同的管件，压溃压力随凹陷宽度的增大而减小，当凹陷宽度为管件直径时，压溃压力达到最小值；同一凹陷宽度下，压溃压力随凹陷深度的增大而减小．

图12为凹陷宽度不变、凹陷深度/分别为1、3、5时，管件压溃压力随不同凹陷长度的变化情况．由图12可以看出，随着凹陷长度的增大，管道压溃压力逐渐变小．但随着凹陷长度的增加，缺陷对管道压溃压力的影响逐渐变小，达到一定程度后，管道抗屈曲的能力基本不再降低．

图11 不同凹陷宽度的压溃压力

图12 不同凹陷长度的压溃压力

3.2 凹陷与椭圆度组合缺陷分析

图13为凹陷宽度和长度不变、凹陷深度与椭圆度组合缺陷对管件压溃压力的影响情况．可以看到，一定凹陷尺寸管件压溃压力随椭圆度的增大而减小，但对管道压溃压力的影响随着椭圆度的增加而逐渐变小，达到一定程度后，管道抗屈曲的能力基本不再降低．由曲线斜率可知，小凹陷深度(/＝1)下，椭圆 度对管道压溃压力的影响较大；而大凹陷深度(/＝3，5)下椭圆度的影响相对较小．

图13 不同椭圆度与凹陷组合缺陷的压溃压力

4 结 论

本文选取落物撞击实验后不同凹陷程度管件，设计开展外静水压力作用下的全尺寸管道压溃实验，从管件局部压溃临界压力角度对实验结果进行了数值模拟对比验证；分析了凹陷几何参数、凹陷与椭圆度组合缺陷对管件压溃压力的影响规律．模型方法可准确评估碰撞损伤后的管道剩余承压能力，对损伤管道剩余强度和安全运营评估具有一定的参考价值．

(1) 通过ABAQUS有限元方法模拟管件压溃压力值与实验值吻合较好，最大相对误差仅为4.36%,；数值模拟管件变形模态与实验结果基本一致．

(2) 随着凹陷周向宽度、轴向长度和径向深度的增大，管件压溃压力随之减小，且凹陷对管道压溃压力的影响程度逐渐变小．

(3) 一定凹陷尺寸管件的压溃压力随椭圆度的增大而减小，椭圆度对小凹陷深度(/＝1)管件压溃压力的影响较大，而对大凹陷深度(/＝3，5)管件压溃压力的影响较小．

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Experiment and Numerical Simulation for Full-Scale Submarine Pipeline with Impact Damage

Yang Zhenglong1, 2，Yu Jianxing1, 2，Duan Jinghui1, 2，Chen Haicheng1, 2，Yu Yang1, 2，Kong Fandong1, 2

(1．State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2．Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China)

Full-scale pipeline collapse tests under external hydrostatic pressure are carried out by using the deepwater pressure chamber of Tianjin University，aiming at studying the collapse pressure of submarine pipeline with plastic sunken damage caused by dropped object．The finite element software ABAQUS is used to simulate the actual collapse test process，which is verified by comparing with the experimental outcomes．Results show that the simulation value of the collapse pressure is in good agreement with the test value，and that the deformation modes of the crushed pipe are basically the same．By using the validated finite element model method，the influences of the geometric parameters and the combination of the sag and ovality on the critical load of the pipe crushing are studied．Research suggests that the collapse pressure is reduced and the influence of the defects on the collapse pressure is gradually smaller with the increase of the geometric size and ovality．Meanwhile，ovality has a great influence on the collapse pressure of small depth tube but little effect on that of large depth pipe．The results have a certain reference value for the residual strength and safety assessment of the damaged pipeline.

submarine pipeline；dent；dropped objects；collapse

10.11784/tdxbz201712024

P752

A

0493-2137(2018)12-1260-06

2017-12-15；

2018-01-11.

杨政龙（1988—），男，博士研究生，uujoey@163.com.

余 杨，yang.yu@tju.edu.cn.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2014CB046804)；国家自然科学基金资助项目(51239008)；国家科技重大专项资助项目(2016ZX05028005-004).

the National Basic Research Program of China(No.,2014CB046804)，the National Natural Science Foundation of China (No.,51239008)and the National Science and Technology Major Project(No.,2016ZX05028005-004).

(责任编辑：王新英)