钢制海管运输摆放方式与聚乙烯涂层减薄分析

姜 键，姜宇超

（1.深圳中海油服深水技术有限公司，广东 深圳 518066；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

通常运输的钢制海管长度为12.192 m，需要在作业船焊接后经托管架铺至海底，因为作业船的空间有限，并不能存放工程的所有海管，故需要运输驳船将钢制海管运输至作业船[1]。运输驳船与作业船的钢制海管摆放方式存在着空间优化问题，如果能提高作业船和运输驳船的钢制海管摆放数量，则会减少运输驳船到作业船的往返航次，提高吊装作业的连贯性，从而节约时间与运输成本，提高整个工程的作业效率。

运输驳船上的存管区摆放方式大致分为如下几种：①上下放置垫木、对齐排列；②直接错位放置；③放置在框架结构上。每种放置方式都有各自的优缺点，本文研究的是上下放置垫木、对齐排列的形式。这种形式对钢制海管外表面磨损较小，且堆叠层数更多，存放量更大。本文根据实际管材结构，把三层聚乙烯涂层与钢制海管管体建模，模拟三层聚乙烯涂层是否会因摆放方式造成减薄、变形或是破损等情况。

1 理论依据与本构模型

1）理论依据。金属材料的受力变形具有弹性变形规律，金属材质的变形程度和质量、边界条件设置等力学过程相关。船舶现场摆放钢制海管往往受到风、浪、流的作用以及船舶的运动形态（如横摇、艏艉倾、升沉6 个自由度）的影响，尤其在运动状态中，钢制海管的局部受力过大会导致塑性变形，对于钢制海管的外对口器对接与焊接都有巨大影响，甚至影响到铺管进度和铺管质量，为以后的海上作业埋下巨大风险隐患。钢制海管在受力过程中会发生弹性、弹塑性和塑性变形，当判定受任意外力的钢制海管的质点进入塑性变形阶段时，遵从屈服定理。

2）本构模型。目前有限元软件的理论和计算精度相较从前有很大提高，结合传统的理论计算与有限元数值模拟仿真对比，可以提出有效的管道布置方式，大大减少影响工程进度的隐藏风险。有限元数值模拟计算以材料的本构模型为理论基础，在数值模拟计算中展现材料内在力学性能的精确度尤为关键。

2 物理模型

本文对钢制海管、聚乙烯涂层、垫木进行建模。一个单节点双层钢制海管长12.192 m，管下有5 块垫木，管材垂直摆放，考虑到结构对称，对模型进行简化，钢制海管简化模型示意图见图1。本文简化了钢制海管接触垫木段，其长为整条钢制海管的1/5；模拟最下层钢制海管在法向方向的受力情况，上垫木以上的钢制海管简化成对上垫木的载荷；将双层钢制海管的内管进行简化，简化成压强施加在钢制海管外管内壁上，作用面位于下半圆柱曲面。

图1 钢制海管简化模型示意图

钢制海管模型材料的力学性能见表1。①接触。垫木与聚乙烯涂层采用通用接触，法向方向为硬接触，切向方向没有设置摩擦。②边界条件。下垫木采用刚性固定；上垫木开放竖直自由度，其他自由度进行约束；钢制海管和聚乙烯涂层建立绑定约束，且在边缘处做6个自由度的约束。③载荷。在上垫木施加垂直向下的压强；钢制海管下内壁施加垂直向下的压强。

表1 钢制海管模型材料的力学性能

本文模拟采用静态分析，网格单元采用Standard-隐式，网格选项设置为C3D8R 八结点线性六面体单元、线性几何阶次、沙漏控制、减缩积分。

3 钢制海管不同管径的模拟计算

3.1 工况1

工况1 时钢制海管的参数：内管外径323.9 mm，内管壁厚15.9 mm，外管内径457 mm，外管壁厚12.7 mm，聚乙烯涂层厚度3.1 mm，内管质量1 472.67 kg，外管下内壁施加压强0.007 1 MPa，动态放大系数1.6。工况1的计算结果见表2。

表2 工况1的计算结果

5 层堆放的钢制海管聚乙烯涂层受力云图见图2，5 层堆放的钢制海管管体受力云图见图3，5 层堆放的钢制海管聚乙烯涂层位移变化图见图4。由图2 可知，聚乙烯涂层所受最大应力为227.1 MPa，由图3 可知，钢制海管内管处最大应力为36.97 MPa，最大的变形量在聚乙烯涂层上，为法向-0.128 mm。因本模型关注点为聚乙烯涂层是否完好的情况，故将聚乙烯涂层与钢制海管分开建模。虽然分开建模会导致力学传递受阻，但由图3 可知，钢制海管所承受的应力并不大，且集中在内管下表面处与外管上表面处。由图4可知，聚乙烯涂层有减薄情况，厚度减薄4%，作业现场观察并无明显变形。

图2 5层堆放的钢制海管聚乙烯涂层受力云图

图3 5层堆放的钢制海管管体受力云图

图4 5层堆放的钢制海管聚乙烯涂层位移变化图

通过有限元模拟，可以发现层数多少对钢制海管的影响并不大，而垫木受力也在承受范围内，但对聚乙烯涂层厚度影响比较大。计算得出：钢制海管的堆放层数为4层时，聚乙烯涂层减薄3.2%；钢制海管的堆放层数为6层时，聚乙烯涂层减薄4.9%。工况1下聚乙烯涂层变化与钢制海管堆放层数关系见图5，堆放层数越多，其聚乙烯涂层受损越严重。

图5 工况1下聚乙烯涂层变化与钢制海管堆放层数关系

3.2 工况2

工况2 时钢制海管的参数：内管外径508 mm，内管壁厚14.3 mm，外管内径610 mm，外管壁厚14.3 mm，聚乙烯涂层厚度3.1 mm，内管质量2 123.04 kg，外管下内壁施加压强0.010 23 MPa，动态放大系数1.6。工况2的计算结果见表3。

表3 工况2的计算结果

随着钢制海管管径、厚度增大，质量也随之增大，聚乙烯涂层的减薄率也随之增大。计算得出：钢制海管的堆放层数为4 层时，聚乙烯涂层减薄4.7%；钢制海管的堆放层数为5层时，聚乙烯涂层减薄6.2%；钢制海管的堆放层数为6层时，聚乙烯涂层减薄7.4%。

3.3 工况3

工况3 时钢制海管的参数：内管外径219.1 mm，内管壁厚14.3 mm，外管内径323.9 mm，外管壁厚12.7 mm，聚乙烯涂层厚度3.1 mm，内管质量880.69 kg，外管下内壁施加压强0.004 2 MPa，动态放大系数1.6。工况3的计算结果见表4。

表4 工况3的计算结果

钢制海管管径减小，质量减小，故聚乙烯涂层减薄率也相对降低。计算得出：钢制海管的堆放层数为4 层时，聚乙烯涂层减薄2%；钢制海管的堆放层数为5层时，聚乙烯涂层减薄2.5%；钢制海管的堆放层数为6层时，聚乙烯涂层减薄3%。

4 结束语

通过简化现场钢制海管堆放模型，将聚乙烯涂层与钢制海管分别建模，研究钢制海管在不同层数堆放的情况下对聚乙烯涂层的影响。结果表明，钢制海管的管径越大、堆放层数越多，聚乙烯涂层的减薄率越大，即使是堆放4 层小管径钢制海管对聚乙烯涂层也有一定的影响，故提出如下解决方案：①对钢制海管作用在垫木的地方放置一些缓冲物，保证接触面积增大，减少应力集中造成的减薄情况；②在钢制海管管道涂覆中考虑到不同层数堆放导致的聚乙烯涂层减薄受损情况，在涂覆中增加一些余量，保证防腐的完整性。