深水SCR立管柔性连接接头弯曲刚度研究

周庆兵 周庆涛 赵丽娟 周琳

摘 要：

钢悬链立管（SCR）柔性接头研制技术在国外发展已比较成熟，国内独立开发的相关案例较少，及较少柔性接头的设计制造能力。考虑到立管顶端与平台之间的连接部位要承受较大的交变弯矩和轴向拉力等复杂载荷作用，研究主要针对12-inch 钢悬链线SCR立管的柔性连接接头进行稳态热传导分析以及各工况条件下的强度分析，对有限元模型进行建立并计算。结果表明，柔性接头有限元模型幸存受损和水压试验过程中，螺栓应力值和主体应力值均在许用应力值以下，柔性接头具有很强的可靠性及抗疲劳性。

关键词：钢悬链立管；柔性接头；交变弯矩；轴向拉力；稳态热传导分析

中图分类号：TQ336.5

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0158-04

Research on bending stiffness of flexible joint of deep-water SCR riser

ZHOU Qingbing，ZHOU Qingtao，ZHAO Lijuan，ZHOU Lin

（Langfang Yongchun Industrial Products Co.，Ltd.，Langfang065099，Hebei China）

Abstract：The development technology of flexible joint of steel catenary riser （SCR） has been quite mature in foreign countries，but there is no independent development of relevant cases in China，and there is no ability to design and manufacture flexible joint.Considering that the connection between the top of the riser and the platform is subject to complex loads such as large alternating bending moment and axial tension，steady-state heat conduction analysis and strength analysis under various working conditions for the flexible joint of the 12-inch steel catenary SCR riser were conducted.The finite element model was established and calculated.The results show that the stress values of the bolt and the main body are below the allowable stress value in the process of surviving damage of the finite element model of the flexible joint and the hydrostatic test.The flexible joint has strong reliability and fatigue resistance.

Key words：steel catenary riser （SCR）;flexible joint;alternating bending moment;axial tension;steady-state heat conduction analysis

近年來深海开发中的油气勘探和生产活动大大增加，与几年前相比水深增加了一倍。钢悬链立管（SCR）由于其成本低、对浮体运动有较大的适应性，而且适用高温高压工作环境，在深海开发中得到广泛应用。钢悬链立管最大特点是集海底管道和生产立管功能于一身，又以其良好的适用性以及低廉的价格成为立管系统的首选形式。钢悬链立管可应用于各种类型的深水平台（TLP-SPAR-SEMI-FPSO），其作用为连接平台与水下设施或海管，用于生产介质的输入、外输或维持生产进行相关介质的注入。立管系统作为水上平台和水下设备的连接通道，是平台和海底之间介质传输的“咽喉”通道，是水下生产系统的关键组成部分。而钢悬链立管柔性接头更是连接钢悬链立管与平台之间不可缺少的一部分。研究依托陵水17-2项目，以柔性接头核心技术国产化为目标，开展柔性接头关键部件弹性体的相关研究工作。对增强我国深水领域石油装备与技术，保障深水油气开发过程中立管系统的安全运行都具有重要意义。

1 柔性接头结构

图1为柔性接头结构图。柔性接头的核心部件是弹性体单元，其基本组成是金属和弹性体的层压式组件，是一种模压的弹性支撑体，包含一系列球状金属加强层，并用特殊的弹性材料包裹。表1为载荷主要参数，包括立管受到的轴向拉力，柔性接头在海上正常工作时的运输介质，柔性接头的设计温度，立管偏转的最大角度，试验水压的最大压力与瞬时抗暴压力［1-2］。

2 载荷分析

本研究将围绕前7种工况下柔性接头的结构响应进行分析，各工况的具体载荷幅值如表1所示。

操作工况的压力是14 203.7 kPa，其端部轴力由内压引起，采用以下公式计算：Fecl=π（Di2 ×Pi）/4。式中：Fecl是端部轴力；Di是管道内径；Pi是内压。

3 有限元模型建立及计算

弹性体组件是一种非刚性承压密封连接组件，它由若干同心的环状球形的弹性层（橡胶）和增强件（环状球形钢板）相互交替地粘接在一起。根据载荷分析，操作工况具体载荷为：内压14 203.7 kPa，轴力为4 495.54 kPa+1 259.37 kPa=5 754.81 kPa。

3.1 主体/弹性体/延伸管模型

为便于分析和评估柔性接头中关键部件弹性体的受力性能与结构响应，建立柔性接头延伸件/弹性体/主体模型，具体如图2所示，包括主体、弹性体、延伸件和螺栓等构件。为了便于网格划分和避免应力集中，建模时对柔性接头进行简化，省略倒角、圆角，并将螺栓螺母作为一个整体建模［5-6］。

在对本模型进行网格划分时，弹性体单元类型选择8节点实体线性hybrid单元C3D8H，其他构件选择8节点实体缩减积分单元C3D8R。

3.2 载荷和边界条件

对于操作工况，在主体底部设置一个x、y、z方向的固定约束，在模型对称面设置面对称约束。螺栓的预紧力通过预拉伸部分施加，预紧应力水平为50%螺栓屈服应力（105 ksi）。在设备内表面施加内压，内压表面如图3所示。叠加有效轴向拉力与端部轴力后，通过端部压力的形式施加在延伸件底部。作为结构设计研究的初步分析，为方便获取转角与弯矩关系，模型增设辅助参考点（在延伸件上端面的橫截面中心），并将延伸件上端面与该节点耦合，完成了转角施加。作为更为一般的加载设置，在延伸件底部施加侧向位移亦可实现转动［7-8］。

构件间的接触作用尤为重要，在此模型中通过接触对的面对面（Surface-to-Surface）选项进行模拟。对于部分粘接或焊接界面，采用绑定Tie约束模拟。

3.3 结果评定

柔性接头分析中使用的材料许用强度基于相关行业标准，应力评估标准包括4种类别，相关许用应力如表2所示。

σp指沿截面厚度均匀分布的应力成分，等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。对于直管，该应力可通过下式表达：

σ= （s1-s2）2+（s2-s3）2+（s3-s1）22

式中：s1=TA+MCI；s2=PD2t；s3=内压，T为张力；A为管道截面面积；M为弯矩；I为惯性力矩；C为到中壁面的径向距离；P为内压；D为内径；t为壁厚。对于不规则形状的轴对称截面，该应力按恒定应力分布来计算。其许用应力为2/3×Cf×σy，其中Cf为工况系数，σy为材料的最小屈服应力［9-10］。

σp+σb指线性化薄膜Mises应力和线性化弯曲Mises应力的组合。为了得到线性化的Mises应力，应力张量的所有9个分量都被独立地线性化，然后转换为等效的Mises应力。API RP 2RD中规定该应力的许用应力为Cf×σy。

σp+σb+σq是由截面厚度方向上的最高应力值（峰值应力）得出的，是满足结构连续性所必需的自平衡应力。此种应力发生在结构的不连续处，通常由机械载荷和热载荷引起。API RP 2RD中规定该应力的许用应力为2×σy［11-12］。

4 结果与分析

4.1 刚度

对柔性接头有限元模型进行25°转动载荷工况的加载，计算初始转动刚度为31.88 kN·m/（°）；载荷工况弯矩-转角曲线如图5所示。

4.2 强度

对柔性接头有限元模型进行幸存受损和水压试验工况载荷的受力分析，并绘制Mises应力云图。

螺栓应力。幸存受损和水压试验工况下螺栓的应力云图如图5、图6所示。由此得到的螺栓应力值均在许用应力值以下，评定合格［13-15］。

主体应力。水压试验工况LC7主体的Mises应力云图如图7所示。幸存受损和水压试验工况下主体应力线性化的结果合格，可见分析得到的主体应力值均在许用应力值以下，评定合格［16-18］。

4.3 疲劳强度

在ABAQUS中对柔性接头有限元模型进行长期、Cross Case短期、Far Case 短期和Near Case 短期等4种疲劳载荷谱的计算，将应力数据导入到Fe-Safe中，设置正应力疲劳算法和S-N曲线，求解各零件的疲劳寿命或损伤，并绘制疲劳寿命或损伤云图［19-20］。对于长期疲劳事件，柔性接头的疲劳寿命必须大于使用寿命的10倍（>300年）；对于短期疲劳事件，各零件的损伤必须小于0.1。

5 结语

研究针对所设计的柔性接头进行了多种载荷工况下结构与应力响应等相关有限元仿真分析。为便于分析和评估柔性接头中关键部件的受力性能与结构响应，文中对部分结构进行相应简化处理。在假设简化与研究框架下，结合公认的设计验证方法，验证柔性接头的结构强度。结果表明，柔性接头具有足够的强度和可靠性，能够在规定的要求范围内工作。

研究针对所设计的柔性接头进行了多种载荷工况下结构与应力响应等相关有限元仿真分析。为便于分析和评估柔性接头中关键部件的受力性能与结构响应，文中对部分结构进行相应简化处理。在假设简化与研究框架下，结合公认的设计验证方法，验证柔性接头的结构强度。结果表明，柔性接头具有足够的强度和可靠性，能够在规定的要求范围内工作。

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