基于ANSYS有限元分析的海底管道變形數(shù)值模擬

楊中娜，楊 陽，李瑞川

(中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452)

摘要：某海底管道由于拖錨損傷導(dǎo)致局部失效變形,。文中基于變形管道的偏移量,、著力點破壞程度,、塑性變形區(qū)域等信息，通過ANSYS有限元分析軟件對管道在錨拉力作用下的變形過程進行數(shù)值模擬，計算變形管道所受的最大拉力和彎曲角度等參數(shù),，并驗證整個變形過程,。結(jié)果表明,，該海底管道在至少2 657 kN的外力作用下牽引拉伸導(dǎo)致變形失效。

關(guān)鍵詞：ANSYS,；有限元分析,；海底管道；變形,；數(shù)值模擬

0 引言

海底管道運行環(huán)境具有特殊性,，其面臨船錨、平臺或船舶墜落物及漁網(wǎng)等造成的撞擊拖掛危險,，容易發(fā)生斷裂,、局部撞擊凹痕或局部破損開裂等損傷失效事故[1-3]。

某海域海纜路由側(cè)掃時,，發(fā)現(xiàn)距某平臺約330 m處,，一段海管推斷被拉掛出原埋管溝后裸露于海床。隨后對該海管進行潛水探摸,，發(fā)現(xiàn)之前側(cè)掃發(fā)現(xiàn)的線狀物確認(rèn)為海管被拉出管溝段,。拉掛點至原管段水平中心垂直距離24.5 m,。中心點懸空500～600 mm，左右懸空逐漸降低,，兩邊距懸空點10 m處管線入泥,。本文以回收的變形實物管段為研究對象，通過ANSYS有限元軟件對變形海管所受拖錨承載能力進行計算研究,。

1 宏觀形貌分析

鋼管存在明顯彎曲,，彎曲點附近防腐層破損嚴(yán)重，鋼管兩側(cè)防護層均有破裂,，防腐層破裂呈帶狀,，管線露出本體，鋼管表面有海蠣子殘留物,，如圖1,、圖2所示；彎管處經(jīng)3D掃描得出的三維模型測算,，凹坑為18.83 mm,，彎曲角度143.22°，如圖3,、圖4所示,。

圖1 海管宏觀形貌1

圖2 海管宏觀形貌2

圖3 鋼管彎曲處3D掃描結(jié)果1

圖4 鋼管彎曲處3D掃描結(jié)果2

2 數(shù)值分析前處理

2.1 分析步驟

所屬管線分布如圖5所示，BD段總長128 m的管段發(fā)生整體彎曲變形,，其余部分未發(fā)生明顯變化,，所以將AB、DE未變形管段趨近于固定約束,，在BC,、CD施加小載荷約束以模擬海底環(huán)境阻力。在考慮管線內(nèi)部壓力(5 MPa)的情況下,，計算并分析在C點發(fā)生偏移時管線所受的最大拉力和彎曲角度,，并重現(xiàn)整個拉彎過程。

圖5 海管變形處示意圖

計算過程如下：

(1)只考慮局部區(qū)域作用一較小恒定拉力,，計算該拉力作用下的海管變形度,，調(diào)試計算算法和計算模型；然后不斷增加拉力幅值,，最終獲得與海管變形測試結(jié)果基本一致的拉力幅值,；

(2)改進計算模型，將錨的截面尺寸考慮在模型中,，考慮錨與海管的接觸隨海管變形程度的變化以及錨與海管的接觸關(guān)系,，改變作用于錨上的力，求解海管的變形參數(shù)，調(diào)試模型,，使得計算結(jié)果與測試海管變形度基本一致,；

(3)完善模型，考慮海管的內(nèi)壓,、錨與海管的接觸,，計算分析海管的變形程度。

模型驗證部分采用pipe288等管單元進行模型驗證,，但該類單元類型沒有考慮局部塑性變形,。當(dāng)分析海管的長度非常大時，實體模型無法進行分析,，只能采用pipe類單元進行,。

2.2 材料屬性

該海底管線為3PE防腐管，其中基管為X65鋼,，涂層為底層環(huán)氧粉末(FBE),、中層膠粘劑(AD)、表層聚乙烯(PE),。管道為可變形體,，基材選用X65鋼常規(guī)參數(shù)，計算模型采用彈塑性本構(gòu)模型[4-5],。

2.3 數(shù)值建模

本數(shù)值模擬針對128 m全尺寸管道建模,，根據(jù)不同分析類型建立3種模型：實體單元模型、管道單元模型和實體-殼單元模型,。管道模型中間受力變形區(qū)域網(wǎng)格劃分密集,，其余部分適當(dāng)稀疏，從而保證在一定計算精度的前提下優(yōu)化計算速度,。

2.3.1 實體單元模型

以solid185實體單元建立模型，兩端約束,，在變形區(qū)域節(jié)點上施加作用力或者位移載荷(或者加載第一種模型獲得的支反力),，通過彈塑性方法分析整個海管的變形，獲得節(jié)點支反力,，該支反力就是使海管變形的拉力,。利用該模型計算可以分析局部受力區(qū)域的塑性變形，但模型較大,，速度偏低,。

2.3.2 管道單元模型

以pipe288單元建立全尺寸模型，兩端約束,，在變形區(qū)域的節(jié)點上加載作用力或者位移載荷,，分析整個變形過程，獲得變形區(qū)域節(jié)點上的支反力，該支反力就是海管變形力,。pipe288單元只能分析海管變形力,，或者分析加載某載荷下海管的變形，局部區(qū)域的塑性變形和破壞程度不明顯,。該方法可分析長達上千m的海管變形及應(yīng)力,，通過單元屬性設(shè)置考慮內(nèi)壓、配重,、涂層以及海洋環(huán)境情況,，建模時可以直接設(shè)定單元環(huán)向和徑向的載荷。

2.3.3 實體-殼單元模型

為進一步提高計算效率,，本項目以solid185單元建立海管局部變形區(qū)域的實體模型(實體單元模型總長300 mm,，其中塑性變形區(qū)域部分100 mm)，其余部分以殼單元shell281建立模型,。

結(jié)合以上3種模型,，既可通過實體模型分析局部塑性變形，應(yīng)力分布,，又可分析海管變形力,，并且3種模型的計算結(jié)果可以相互驗證。本項目采用的實體模型和實體-殼單元模型,，見圖6,、圖7所示。

圖6 實體模型網(wǎng)格劃分圖

圖7 實體-殼單元模型劃分

3 數(shù)值計算及結(jié)果分析

3.1 實體模型計算結(jié)果

對實體模型分步施加位移載荷,，選用靜態(tài)大變形模型進行計算,，設(shè)置時間步為20步，記錄每一步結(jié)果數(shù)據(jù),，管道整體變形情況如圖8所示,。圖8中，數(shù)值單位為m,。

(a)第5步管道變形情況

(b)第10步管道變形情況

(c)第15步管道變形情況

(d)第20步管道變形情況
圖8 管道整體變形情況

根據(jù)管道最終成型形貌,，輸入Solidworks軟件進行測量，得出管道彎曲角度為137.7°,。將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為ZY,，正視于鋼管受力面，放大錨受力區(qū)域,，取出整個過程中4個時間點,，如圖9所示。圖9中,，數(shù)值單位為Pa,。

(a)第5步局部應(yīng)力分布

(b)第9步局部應(yīng)力分布

(c)第14步局部應(yīng)力分布

(d)第20步局部應(yīng)力分布側(cè)視圖
圖9 管線受力彎曲部分應(yīng)力分布圖

從圖9可以看出,，海管局部區(qū)域隨加載時間增加逐步發(fā)生凹陷，并且整體變形和局部凹陷同步進行,。實際海管的局部凹陷可能有兩種情況：錨撞擊在海管上,，先造成凹陷，然后錨勾住海管運動,，使得海管發(fā)生彎曲,；錨勾住海管運動，在移動過程中,，海管整體變形和局部凹陷(局部應(yīng)力集中)同步發(fā)生,。由分析可知，第二種情況的可能比較大,。

實體模型計算時,，位移加載在管中間區(qū)域18個節(jié)點上，其支反力即為管道所受的拉力,，讀取各節(jié)點的反作用力,，位移載荷量為X方向24.5 m，節(jié)點1～節(jié)點18水平受力FX分別為333,，137,，84，84,，137,，333，194,，65,，39，39,，64,，194，333,，137,，84，84,，137，333 kN,。所有節(jié)點的支反力總和(管道整體受力)為2 811 kN(相當(dāng)于錨鏈上受力),。管道中心部分18個節(jié)點受力情況如圖10所示。

圖10 實體模型管道中部節(jié)點受力分布圖

3.2 管道單元模型計算結(jié)果

管道單元所建立的模型為一維線性模型,，可以展現(xiàn)管線的整個變形效果,。計算時分為3種情況計算：(1)中間1個節(jié)點施加位移載荷；(2)中間5個節(jié)點逐步施加X方向位移載荷；(3)5個節(jié)點同時施加X,，Y方向位移載荷,。管道施加內(nèi)部壓力。3種情況計算得到的節(jié)點支反力如表1所示,。

表1 管道單元模型計算結(jié)果

序號載荷位置位移載荷量管道水平受力FX/kN節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點4節(jié)點5∑FX1管道中間1個節(jié)點X方向24.5mY方向0.6m273027302管道中間5個節(jié)點X方向24.5m3567-1450-1530-1460353026573管道中間5個節(jié)點X方向24.5mY方向0.6m3550-1430-1530-143035002660

由表1可知,，1個節(jié)點施加位移載荷計算得到的支反力為2 730 kN，5個節(jié)點施加X方向位移載荷得到的支反力總和為2 657 kN,，5個節(jié)點施加X,，Y方向位移載荷得到的支反力總和為2 660 kN。這3種情況的計算結(jié)果基本一致,。管道單元模型盡管反映不出海管的局部凹坑,，但其計算結(jié)果與實體模型計算的海管變形力(2 811 kN)基本一致，說明海管變形達到測試變形結(jié)果時需要2 800 kN左右的作用力,，并且海管局部凹坑的形成對變形力的影響不大,。

由計算結(jié)果可以讀取管道中心點及附近節(jié)點受力值，如圖11所示,，可以看出被錨掛點管道受力分布,。

圖11 管道中間節(jié)點受力分布圖

從圖11可以看出，管道單元計算模型計算的節(jié)點支反力在不同位置呈現(xiàn)不同的值,，與實體模型計算的節(jié)點支反力分布趨勢相近,。但管道單元計算的各節(jié)點支反力方向與實體模型計算結(jié)果不一致，這可能是管道單元模型簡化所致,。

3.3 實體-殼單元模型計算結(jié)果

實體-殼單元模型結(jié)合實體單元局部計算準(zhǔn)確性和殼單元運算高效性,，利用該模型對管道進行分段建模，海管錨拉掛點附近選用實體單元solid185,，遠離受力點選用shell281,，對中間24個節(jié)點施加位移載荷。

利用實體-殼單元模型計算得到的24個節(jié)點的支反力總和為2 800 kN左右,，與管單元模型和實體模型計算的海管變形力基本一致,。

管道中部X方向應(yīng)力分布如圖12、圖13所示,。圖中,，數(shù)值單位為Pa。

(a)第5步X方向

(b)第10步X方向

(c)第15步X方向
圖12 中間24個節(jié)點施加位移載荷應(yīng)力分布圖1

圖13 中間24個節(jié)點施加位移載荷應(yīng)力分布圖(第20步X方向)

從圖12,、圖13可以看出,，由于施加載荷為位移載荷，相當(dāng)于給海管局部區(qū)域施加了壓力,，因此載荷作用區(qū)域的應(yīng)力為壓縮應(yīng)力,，而載荷作用區(qū)域周邊的單元受擠壓,，且要保證整個區(qū)域變形協(xié)調(diào)和應(yīng)力平衡，載荷周邊區(qū)域的應(yīng)力為拉應(yīng)力,；隨載荷作用時間增加,，即隨載荷幅值增大，載荷作用區(qū)域的壓應(yīng)力增加,，而周圍區(qū)域的拉應(yīng)力幅值及拉應(yīng)力分布區(qū)域也增加,。此外，海管在載荷作用下,，整體發(fā)生彎曲,，彎曲背面受拉，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,，而彎曲內(nèi)面受壓,，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力；并且彎曲部分的應(yīng)力達到了屈服應(yīng)力,，即整個海管發(fā)生了塑性變形和永久彎曲,，即使去除了錨的作用，海管仍然保持彎曲變形狀態(tài),。

4 結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果可知,，平臺間128 m海管發(fā)生24.5 m 位移是在至少2 657 kN的外力作用下牽引拉伸所致，彎曲角度137.7°,，且彎曲管道中心點受力分布不均勻,，并最終導(dǎo)致局部嚴(yán)重塑性應(yīng)變。

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Numerical Simulation Based on ANSYS Finite Element Analysis for Deformation of Submarine Pipeline

YANG Zhong-na, YANG Yang, LI Rui-chuan

(CNOOC (Tianjin) Pipeline Engineering Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Abstract:Due to the dragging anchor damage, a submarine pipeline failed and deformed.Based on information of the deformed pipeline such as the offset of pipeline, the damage degree of focus point, plastic deformation area, the deformation process of the pipeline under the effect of the anchor tensile were numerically simulated by ANSYS finite element analysis software,，to calculate parameters such as maximum tension and bending angle , and validate the whole process of deformation. The results show that distortion failure of the submarine pipeline is caused by the traction tension of at least 2 657 kN of the external force.

Keywords:ANSYS; finite element analysis; submarine pipeline; deformation; numerical simulation

收稿日期：2016-11-22

中圖分類號：TG115

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-9614(2017)03-0007-04

作者簡介：楊中娜(1985—),，工程師，主要從事油氣輸送管及石油專用管材的檢測評價,、材料研究,、失效分析等方面的研究。