海洋水下输油橡胶软管弯曲刚度研究

2021-09-28刘伟倡巴光忠李忠利

石油矿场机械 2021年5期

高强，刘伟倡，巴光忠，焦宇，李忠利

(1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306； 2.河北泽邦塑胶科技有限公司，河北衡水 053511)

海洋石油外输软管是海上油田进行原油外输作业的重要设备[1]，包括海洋漂浮输油软管(如图1)与水下输油软管(如图2)。外输软管的公称直径一般为150～600 mm，额定工作压力1.5～2.1 MPa，单根长度9.7 m或12.2 m。单根软管通过两端法兰连接组成1条管线。海洋漂浮输油软管用于连接海上油轮与FPSO，也可连接油轮与系泊浮筒。水下输油软管用于系泊浮筒与海底管汇之间输送原油。水下软管在使用过程中会受到复杂的环境载荷，软管处于弯曲状态，这对水下软管的结构设计提出了考验。

图1 海洋漂浮输油软管

图2 水下输油软管

目前，单点系泊系统是海洋原油离岸卸载的常见方式。单点系泊系统包括1个能够漂浮在海面上的浮筒、水下软管、海底管汇和铺设在管汇与陆地油库之间的海底管道。浮筒漂浮在海面上，油轮上的原油通过漂浮软管进入浮筒后，从水下软管进入管汇和海底管线，输到岸上的原油储罐。水下软管是单点系泊系统的重要组成部分，常用的水下输油软管构型有3种[2]:中国灯笼形(Chinese Lantern)；陡峭波浪形(Steep Wave)和缓S型(Lazy Wave)[2]。如图3所示。这3种情况都会使水下软管长期处于弯曲状态。

图3 水下输油软管构型

针对软管在使用时的不同位置和作用，可以分为首管、主管、变径管、尾管和舷管。漂浮软管和水下软管结构基本一致[3]，两者的结构区别在于漂浮软管外部会包裹1层浮体(称为漂浮层)，而水下软管为了在使用时保持一定的形状，会在外部装配若干浮子。输油橡胶软管的结构由内胶层、中胶层、外胶层、帘线增强层和埋置在中胶层中的螺旋钢筋组成，如图4所示，并在两端加装法兰等构件。内胶层即内衬层，直接与原油接触，具有密闭性能，且耐油、耐酸碱。外胶层与海洋环境接触，需要抗日晒老化，且耐盐雾腐蚀。帘线增强层由一定宽度的帘布以一定的角度绕管体轴向交叉缠绕[4-5]，螺旋钢筋增大了软管的横截面抗压扁性能，即增大了截面的径向刚度，也为管体提供部分抗弯刚度。

图4 输油橡胶软管的管壁结构

目前，关于软管的力学性能研究的文献十分有限，部分学者做了一定的研究工作。张彩莹[6]基于线弹性层合板理论，采用有限元方法对漂浮软管的拉伸与弯曲力学性能进行计算，但该方法没有考虑橡胶和帘线的非线性本构关系。徐慧[7]利用有限元软件分析了软管的轴向载荷与伸长率、曲率与弯矩之间的关系，主要研究结构参数对于管道伸长率的影响，为管道设计提供参考。Gonzalez[8]通过轴对称载荷和弯曲载荷对公称直径为508 mm(20英寸)的软管进行了分析，并计算了其力学性能和每个组件的张力。Tonatto[9]分析了2种不同材料的帘线层对于软管的弯曲、拉伸、扭转性能的影响。金邦杰[10]通过有限元软件模拟了动态波浪载荷作用下软管的偏移量和弯矩，对软管的设计使用提供参考。徐金泽[11]对海上输油漂浮软管盘绕弯曲进行了分析，得到了软管在盘绕弯矩下的应力应变值，校核了主管各层的强度。上述工作主要研究了软管的弯曲刚度和应力应变，但是没有考虑管道的径厚比和长径比对软管弯曲刚度的重要影响。

本文以某款公称直径300 mm(12 英寸)国产水下输油橡胶软管为例，通过试验和有限元计算，对软管在弯曲状态下的力学性能进行研究。利用有限元软件建立了水下软管的相关模型，对水下软管在纯弯曲作用下的力学响应进行分析。通过计算，定量分析了螺旋钢筋对软管弯曲刚度的贡献，考察了径厚比对于软管弯曲刚度的影响。

1 软管弯曲刚度试验

海洋水下输油软管的弯曲刚度试验如图5所示。在管道下方放置4台滑动小车，软管两端通过钢缆连接电动卷扬机，其中1条钢缆连接拉力传感器，测量法兰上的拉力F。电动卷扬机逐步加载，使软管缓慢弯曲。然后依据规范OCIMF 2009[12]测量管体中间部位内切圆的弯曲弦长C、垂直方向偏移量H和拉力到管体中央的作用距离(力臂)L，通过F、C、L和H计算管体的弯曲刚度。最终经试验测得公称直径300 mm(12 英寸)的国产某型海底输油软管的弯曲刚度为25.68 kN·m2。

图5 水下输油软管弯曲试验

2 软管有限元模型

2.1 模型假定

由于水下输油软管管体材料和结构较为复杂，因此，在进行有限元建模之前需要进行相关假定和简化：

1) 软管视为圆筒形结构。

2) 管体各层材料是均匀分布。

3) 管体的结构不存在缺陷。

4) 各结构层之间相互粘合，不存在缝隙。

5) 不存在初始应力应变。

6) 由于橡胶材料性能受其组成化学成分的影响较大，进行模拟相对复杂，且对于实际应用，橡胶不是承受外界载荷的主要结构，因此，对于橡胶结构进行简化，3层橡胶使用同1种材料[13]。

本文选取主管主体部分结构进行有限元建模分析。为尽量消除边界效应的影响，本文通过计算和对比不同长径比的管体有限元模型的弯曲刚度，如图6～7所示，最终选取了与试验结果比较接近的长径比为3，长度为900 mm的模型。

图6 不同长径比的软管有限元模型

图7 不同长径比软管的弯曲刚度有限元与试验值

2.2 材料属性

水下输油软管主要由碳钢、橡胶、帘布等几种材料构成。在有限元模型中，为了更好地模拟材料属性，设置如下：帘线采用各向同性材料定义，通过单轴拉伸试验获得拉伸应力-应变曲线，如图8所示。将试验应力、应变数据导入ABAQUS有限元软件，基于Marlow模型进行参数[3]拟合。考虑到帘线为拉伸和压缩弹性模量不同的双模量材料，只能承受轴向拉力，基本不能承受轴向压力，压缩弹性模量近似地取为橡胶的压缩弹性模量3 MPa。橡胶视为均匀的非线性各向同性超弹性材料，使用Odgen模型[3]进行参数拟合。螺旋钢筋、橡胶的材料参数如表1～2所示。

表1 螺旋钢筋(弹簧钢)材料参数

表2 橡胶材料参数

图8 帘线的单轴拉伸试验曲线

2.3 软管模型关键问题处理

1) 内外帘线层。按照帘线层的实际铺设位置建立各层面单元，在材料属性模块Rebar Layers中设置帘线的铺设角度、间距和横截面积，赋予其各向同性材料属性。因为帘线层是埋设在橡胶中的，可将面单元使用*EMBEDDED ELEMENT命令嵌入到对应位置的橡胶实体单元中。

2) 螺旋钢筋。对于螺旋钢筋，使用wire单元进行建模，考虑到螺旋钢筋埋设在橡胶中，使用*EMBEDDED ELEMENT命令将其嵌入到橡胶层对应位置。

3) 橡胶层。将内、中、外橡胶层简化为1种橡胶材料。为了模拟各层相互粘合不产生相对位移，将所有橡胶层作为1个整体进行建模。

4) 边界条件设定。在模型两端分别建立1个参考点RP(Reference Point)，即RP-1和RP-2。参考点与端面节点耦合约束。RP-1一端放开UR3，其余自由度进行固定约束。RP-2一端放开UR3、U3和U2，其余自由度进行固定约束，管体两端可以绕Z轴转动。

建立的水下输油软管的有限元模型如图9所示。

图9 水下输油软管的有限元模型

2.4 软管模型网格划分

橡胶层采用8节点实体单元，橡胶为不可压缩材料，因此，选取杂交单元技术，同时采用线性缩减积分单元(C3D8RH：8节点线性的混合杂交单元缩减积分计算，并进行沙漏控制)。螺旋钢筋采用2节点梁单元(B31：2节点线性梁)，帘线层采用4节点面单元(SFM3D4：4结点的四边形曲面单元)。

建立的水下输油软管的网格模型如图10所示。

图10 水下输油软管的网格模型

2.5 软管有限元模型验证

依据OCIMF 2009标准进行弯曲试验。依据式(1)求出弯曲半径R。

(1)

试中：R为弯曲半径；C为弯曲弦长；H为垂直方向偏移量。

弯曲试验之前，在软管中间截面两侧标记2个对称点，软管弯曲后这2个点之间的水平距离记为弯曲弦长C，H为垂直方向的偏移量。如图11所示。

图11 弯曲半径计算式中量符号的说明图

弯曲刚度依据式(2)进行计算。

EI=MR

(2)

式中：EI为弯曲刚度；M为弯矩。

在软管有限元模型两端的参考点上分别加载5、8、10、15、20 kN·m的弯矩。为保证数据的准确度，C的选取值应控制在100～200 mm。有限元模型计算的弯曲刚度如表3所示。

表3 水下输油软管弯曲刚度模拟结果与试验结果对比

根据计算结果，有限元模型的预测值与弯曲试验结果最大相差19%左右，有限元结果偏小，因为有限元模型忽略了软管外表面的浮体环所贡献的弯曲刚度。该有限元模型预测的软管弯曲刚度具有一定的可行性。

3 软管弯曲分析

3.1 应力和应变分析

如图12～13所示，可以发现，当软管弯曲时，软管上侧的帘线层和橡胶受拉伸力，下侧受压力。由于帘线是拉、压模量不同的双模量材料，导致拉、压应力的分布并不是关于软管纵截面对称的，拉压应力的分界线(即中性轴)向软管上侧偏移。帘线层的最大拉力集中在软管上侧，超过压应力10倍左右，这是由帘线拉压模量的差异导致的。对于橡胶来说，橡胶层下侧的压应变大于上侧的拉应变，因为软管下侧的帘布不能承受轴向压力，下侧的橡胶缺少轴向支撑，因此压缩变形大于拉伸变形。

图12 输油软管弯曲时的帘线层内力(单位：N)

图13 输油软管弯曲时的橡胶应变

如图14所示，螺旋钢筋的较大应力主要集中在软管中央截面的上下和左右4个位置。如图15所示，可以看出，在软管弯曲后，管体中央截面已经发生椭圆化，原因是随着螺旋钢筋节圆的椭圆化，软管横截面产生了径向的压缩位移，说明螺旋钢筋会抵抗软管的径向压缩变形，提供了软管横截面的径向刚度，从而整体上为软管提供了弯曲刚度。