海底管道许用弯矩数值模拟分析

李 德，杨光升，李明涛，王中山，王成斌

中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊

1.引言

海底管道(以下简称“海管”)混凝土配重层为海管提供负浮力，防止海管在海底失稳，同时对海管起起机械保护作用。海管铺设施工过程中受海管弯曲变形影响，混凝土配重层容易出现环向裂纹，主要表现为垂直于管轴方向局部出现不同深度和宽度的裂纹，严重时裂纹延伸至整圈管壁，造成混凝土配重从钢管上脱落，导致配重失效，并可能导致海管底拖施工时防腐层刮擦海底而受损，对海管铺设质量及后期运行带来不利影响[1][2]。

本文以国外某在建海管项目为例，该项目技术文件要求对海管进行整管全尺寸轴向弯曲试验，以确定混凝土配重层不发生断裂破坏的许用弯矩。项目所在国没有厂家能提供大管径(42")、高壁厚的混凝土覆壁管进行弯曲试验，需在全球范围寻找合适资源进行此试验，考虑到高昂的费用和周期，参考DNV 标准规范要求，利用有限元软件ANSYS进行数值模拟仿真，计算该许用弯矩，并获得业主批准，节约了时间和成本。

2.海管物理模型

2.1.海管接头

海管直径42"，单根长约12 m，混凝土配重层分三种不同厚度规格，分别为70 mm、80 mm、110 mm。海管接头剖面示意图如下图1所示。

Figure 1.Offshore pipeline joint cross-section 图1.海管接头剖面图

2.2.材料参数

海管钢管、3PPL防腐层、混凝土配重的材料参数分别如表1、表2、表3所示。

Table 1.Steel pipe parameter 表1.钢管参数[3][4][5]

Table 2.3PPL Anti-corrosion coating 表2.3PPL 防腐层参数[6][7]

Table 3.Concrete weight coating 表3.混凝土配重层参数[8][9]

依据标准DNVGL-RP-F105，混凝土杨氏模量与抗压强度成以下关系：

其中：Eco为混凝土杨氏模量；σco为混凝土压缩强度。

经计算，混凝土配重层杨氏模量为33.274 Gpa。

3.海管许用弯矩理论计算

参考标准DNVGL-ST-F101，在不考虑其他因素的前提下，第一次发生混凝土压裂时的平均过弯应变取决于管道刚度、混凝土配重层的强度和厚度、轴向力和防腐层抗剪强度。在不考虑其他因素的前提下，可假设混凝土破裂发生在混凝土中间层的应变(在混凝土中间层受压处)达到-0.2%时。根据线弹性理论，海管许用弯矩可由以下公式(1)计算：

其中：M为海管许用弯矩；EISTEEL为钢的刚度值；EIACC为防腐层的刚度值；EICWC为混凝土配重层的刚度值；D为钢管弯矩；tACC防腐层厚度；tCWC混凝土配重层厚度；εCWC混凝土中间面的许用应变值。

根据表1、表2、表3中各参数值，分别计算三种不能壁厚混凝土配重层的许用弯矩值如下表4所示。

Table 4.Allowable bending moments based on liner elastic theory 表4.基于线弹性理论的许用弯矩计算

4.有限元建模及计算结果

4.1.有限元网格划分及单元类型选取

由于海管具有轴对称性，文中有限元分析采用轴对称模型，取管道的1/4建模。约束对称面的法向位移和旋转位移。

钢管采用二次壳单元，钢和防腐涂层采用分层壳单元，混凝土配重层采用独立壳单元，在90°扇形的圆周方向上布置10个节点，壳单元方向因子设置为2.0，有限元网格划分如图2所示。

Figure 2.FE mesh dividing 图2.有限元网格划分

4.2.材料物理性能参数(表5)

Table 5.Material properties表5.材料属性

4.3.边界条件

采用刚性单元在管接头两端施加弯矩，不考虑其他负载。根据DNV 标准DNVGL-ST-F101，对于混凝土配重层厚度大于40 mm 的海管，当海底管道混凝土配重中间层压应变达到-0.2%时混凝土配重层破裂。

3LPP防腐层与混凝土配重接触假定为粘结，允许混凝土配重层切向脱粘，且忽略混凝土滑动对海管弯矩变化的影响。脱粘参数如下表6所示。

Table 6.Debonding properties 表6.脱粘参数

模型分析考虑材料非线性和脱粘效应。利用ANSYS进行模拟仿真。求解参数如表7所示。

Table 7.FE solution parameter 表7.有限元求解参数

4.4.有限元模拟结果与分析

Table 8.Allowable bending momentsbased on non-linear FEsimulations表8.基于非线性有限元模拟的许用弯矩

基于非线性有限元模拟的许用弯矩计算结果如上表8所示，结合表4中线弹性理论计算的结果进行对比分析，知非线性有限元分析模拟计算的许用弯矩值低于线弹性理论计算的许用弯矩。许用弯矩应取两者中的小者,故海管许用弯矩如表8中所示。

5.结论及建议

结论：

本文基于混凝土配重层不发生压裂时的最大应变值这一边界条件建立有限元模型，分析了三种不同壁厚的混凝土配重海管的许用弯矩，为海管施工中海管许用弯矩的参考依据。

建议：

施工中建议根据实际水深实时监控海管铺设张力，及时调整托管架的角度，增大铺管的半径，必要时增加浮筒等设施，减少铺管的弯曲度，避免应力集中，对海管弯曲状态和实时弯矩值进行监控，防止海管混凝土配重层产生裂纹甚至脱落。