扭转载荷下钢带缠绕增强复合管结构响应研究

2022-01-14高茂鑫

科技创新与应用 2022年2期

高茂鑫

（中国电建集团贵州工程有限公司，贵州贵阳550003）

钢带缠绕增强复合管（SSRTP）是由高密度聚氯乙烯和钢带通过缠绕和膨胀等非粘结方式形成的多层柔性管，常用于浅海油气运输[1-3]。它具有高顺应性、可回收再利用以及生产安装费用低等特点[4]。但在管道安装、敷设及服役过程中，由于复杂多变的海洋环境，SSRTP 常受到扭转及其他载荷的联合作用，使得SSRTP 极易发生破坏或者失效，甚至导致油气泄露事故[5]，严重影响海洋环境和经济可持续发展。因此，开展海底复合管道力学行为研究对其结构设计、安全评价等具有重要意义。

针对钢带缠绕增强复合管的力学特性，已有较多研究。如BAI 等[6-7]通过压溃试验和数值模拟发现，管道的极限抗外压能力随着初始椭圆度和径厚比增大而减小。LIU等[8-10]发现在纯拉伸载荷作用下SSRTP 的刚度随着伸长量的增大而减小，得到了拉力与位移的解析表达式。LIU 和LEIRA 等[11]利用一次二阶矩FORM 和Monte-Carlo 方法更新了SSRTP 的设计安全系数。针对其他类型的非粘结复合管的扭转特性研究也具有一定进展，如RAMOS[12]建立了深海柔性管在弯曲、扭转等组合载荷全滑动力学模型，分析并推导获得解析解。HECTOR[13]利用试验和数值模拟进行研究，发现深海柔性管在内外压及拉伸载荷作用下为线性响应，而在扭转载荷作用下为非线性响应。

因此，目前针对SSRTP 的力学响应研究大多限于拉伸、弯曲载荷下的实验或数值模拟，而对于扭转载荷作用下力学特性的研究较少。由于海底管道服役环境恶劣且复杂多变，SSRTP 遭受多种载荷（包括轴向拉力、内外压及扭转）联合作用，进而加速失效。因此，本文将对扭转载荷作用下的钢带缠绕增强复合管力学响应进行研究。

1 有限元计算模型及验证

钢带缠绕增强复合管包括有耐腐蚀的内层聚乙烯（PE）管、两层螺旋方向相反的钢质增强带、减少摩擦的聚乙烯保护层及抵抗外界腐蚀的聚乙烯（PE）管[14]，如图1 所示。以长度为1100mm 的SSRTP 为研究对象，建立如图2 所示的数值计算模型。

图1 SSRTP 结构模型

图2 SSRTP 数值计算模型

在有限元模型建立过程中，对较厚的内、外PE 管采用实体单元，对较薄的钢带及保护层采用壳单元。根据SSRTP 各层之间的非线性接触，接触关系采用切向罚接触和法向硬接触[14]，钢带与PE 管之间的摩擦系数为0.22，钢带间的摩擦系数为0.18。SSRTP 一端固定，另一端施加拉伸载荷。根据文献[8]的试验试件的相关数据，设置如表1 所示的几何及材料参数。

表1 SSRTP 结构及材料参数

文献[14]提出了SSRTP 轴向拉伸刚度的解析模型，可知钢带轴向拉力为

其中：uRi为径向的位移量；β 为考虑各层之间间隙的折减系数；E 为钢质增强带的杨氏模量；θ 为螺旋缠绕的角度；L 为管道的总体长度；△L 为轴向相对变化长度；n 为同一层增强层中钢带数；b 为钢带的宽度；Rmi为第i 层钢带平均缠绕的半径；t 为钢带的厚度；R6为内层PE 管的外半径；R7为外层PE 管的内半径；ES为PE 材料在当前加载情况下的割线模量。

PE 管的轴向拉力和FPEi为

其中：A0i为PE 管初始的截面积。

SSRTP 的总轴向拉力FT可看作管道各层贡献值的总和，即：

将有限元模型与文献[14]的解析结果及文献[8]的试验结果进行对比发现，三种方法下载荷位移曲线的增长趋势一致，如图3 所示。同时，本文有限元模型计算结果比解析结果更加接近试验值，这是由于解析模型未考虑各层间的摩擦及钢带自身弯曲的变化。因此，本文建立的有限元模型叫解析模型更加精确，可用于后续分析。

图3 数值计算模型验证

2 组合扭转载荷作用下SSRTP 力学特性分析

利用第1 节的数值计算模型，将管道一端固定、另一端施加扭转位移载荷，同时管道承受1MPa 内压及3MPa外压。图4 为SSRTP 扭矩和扭转角度的关系曲线。在弹性阶段（OA 段），复合管扭转刚度不变。在AB 段，管道的扭转刚度逐渐减小，非线性特征明显，这是由于管道各层出现了部分滑移现象，将该阶段定义为过渡阶段。而在BC 段，由于SSRTP 各层间的部分滑移转化为完全滑移，曲线又近似为一条直线，并最终在CD 段发生屈曲，此时，在内外压作用下管道发生失效。

图4 含内外压扭转载荷下SSRTP 扭矩和扭转位移关系

保持外压不变，研究不同内压（1、2、3MPa）下SSRTP的扭转力学特性，如图5 所示。随着内压增大，在弹性阶段SSRTP 的扭转刚度不发生变化，这是由于初始阶段管道间未出现相对滑移现象，管道变形为整体变形；但当扭转位移不断增大，在过渡阶段即将结束时，不同内压下SSRTP的扭转刚度开始发生变化：内压越大，管道的扭转刚度越大。这是由于内压增大使得SSRTP 各层管道的相互挤压增强，增大了层间的滑动摩擦力，在相同的扭转角度下，管道需要更大的扭矩来抵消层间摩擦力。同时还可以看到，随着内压的提高，管道失效时的扭矩增大，说明提升内压有助于提高管道在扭转载荷下的极限承载能力。

图5 不同内压下SSRTP 扭转力学特性

图6 所示的是在内压为1MPa，外压为3MPa 的条件下，SSRTP 在不同拉伸长度（5mm、10mm、15mm）下的扭矩和扭转位移曲线。从图中可以看出，拉伸长度的改变不影响SSRTP 在弹性阶段的扭转刚度；进入过渡阶段，随着拉伸长度的增加，SSRTP 的扭转刚度略微减小，这是由于泊松效应，较薄的内层PE 管在被拉伸时发生径向收缩，使得钢带与PE 管间的径向挤压减轻，滑动摩擦力减小，在相同的转角位移下，所需的扭矩更小。而SSRTP在扭转载荷下的极限承载能力随着拉伸长度增大而出现非线性变化，对于拉伸至10mm 的失效扭矩为791.2kN·m，而拉伸至5mm及15mm时对应的失效扭矩分别为768.8kN·m和754.1kN·m，说明存在一个最优的拉伸长度，使得SSRTP 在内、外压作用下具有最高的抗扭转极限承载能力。