采用有限元分析評(píng)價(jià)螺旋焊管海上管線應(yīng)用的可能性

孫 宏 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

采用有限元分析評(píng)價(jià)螺旋焊管海上管線應(yīng)用的可能性

孫 宏 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

為了使螺旋焊管能夠應(yīng)用于淺海領(lǐng)域，采用有限元分析法研究了螺旋焊管在不同載荷組合，尤其是S形敷設(shè)條件下的響應(yīng)。重點(diǎn)討論了螺旋焊管與該行業(yè)常用的其他類(lèi)型鋼管的對(duì)比。詳細(xì)分析和討論了DNV標(biāo)準(zhǔn)中海底管道強(qiáng)調(diào)的極限狀態(tài)，如破裂、壓潰、軸向拉伸、局部屈曲和復(fù)合載荷。分析包含了螺旋焊管的非線性三維有限元模擬，并考慮到了可能會(huì)影響其極限狀態(tài)的相關(guān)公差以及對(duì)載荷和安裝條件的響應(yīng)。研究結(jié)果表明，在淺水區(qū)使用螺旋焊管沒(méi)有太大的問(wèn)題。

螺旋焊管；海上；有限元分析；極限狀態(tài)；S形敷設(shè)；應(yīng)用

由美國(guó)挪威船級(jí)社（簡(jiǎn)稱(chēng)DNV）和MCS Kenny組織開(kāi)展的聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目（JIP）于2009年啟動(dòng)了對(duì)螺旋焊管在海上應(yīng)用狀況的評(píng)價(jià)，并依據(jù)DNV RP A-203的技術(shù)評(píng)價(jià)程序?qū)ψ铌P(guān)鍵的技術(shù)差距進(jìn)行識(shí)別。螺旋焊管聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目已經(jīng)使用有限元分析（FEA）方法開(kāi)展了第二階段工作，其目標(biāo)是使螺旋焊管能夠應(yīng)用于海上淺水領(lǐng)域（最大深度240 m）。其強(qiáng)調(diào)了S形敷管程序以及與此相關(guān)的載荷和條件。評(píng)價(jià)的目的是識(shí)別不同加載條件下（如軸向拉伸和彎曲)螺旋焊管的響應(yīng)及其極限狀態(tài)，并將這些極限狀態(tài)與常用的無(wú)縫鋼管/UOE焊管進(jìn)行比較，依據(jù)為DNV OS F101和API RP 1111等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，在相同的加載條件下螺旋焊管相對(duì)于無(wú)縫鋼管/UOE焊管使用性能不同。同時(shí)，認(rèn)為現(xiàn)有的應(yīng)用于海上的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可能不能適用于螺旋焊管。但是，對(duì)螺旋焊管與無(wú)縫鋼管/UOE焊管的響應(yīng)分析的比較是非常有意義的，該比較的重要前提是螺旋焊管的材料和制造質(zhì)量與無(wú)縫鋼管/UOE焊管相當(dāng)，換句話說(shuō)，螺旋焊管應(yīng)當(dāng)符合該行業(yè)的用管要求，如DNV OS F101和API SPEC 5L等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1 研究基礎(chǔ)

JIP采取的識(shí)別螺旋焊管相關(guān)極限狀態(tài)的策略包括了有限元模擬。這些模擬的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的基礎(chǔ)來(lái)自于已知的無(wú)縫鋼管和UOE焊管的極限狀態(tài)，尤其是DNV OS F101中所敘述的。因此，考慮了以下極限狀態(tài)：破裂、壓潰、屈服（軸向拉伸）、局部屈曲（彎曲和復(fù)合加載）和疲勞。

本研究采用的解決方法如下：①UOE焊管的有限元分析，螺旋焊管和UOE焊管模型采用相同的材料性能和焊縫偏差；②DNV極限，這包括了對(duì)UOE焊管/無(wú)縫鋼管按照DNV OS F101的公式5.19a的預(yù)測(cè)，其所有的設(shè)計(jì)因子（α和γ）設(shè)為1.0；③API極限，對(duì)于破裂及壓潰的極限狀態(tài)，分別采用 API RP 11 的公式 2（a）或公式2（b）和公式6（a），對(duì)彎曲條件采用API RP 2A公式3.2.3-1c的允許力矩，對(duì)于管狀類(lèi)型乘以1.67可以獲得 “極限承載力”；④彈性極限，這是解析/閉合的彈性解；⑤塑性極限，這是解析/閉合的塑性解，假設(shè)沒(méi)有應(yīng)變強(qiáng)化。

1.1 鋼管設(shè)計(jì)的規(guī)格和參數(shù)

本研究涉及了常用規(guī)格的螺旋焊管，管徑500～2 500 mm，壁厚9～25 mm。 選擇的兩種鋼管規(guī)格和其他典型設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)這兩種規(guī)格鋼管響應(yīng)的研究和比較有助于使結(jié)論的有效性擴(kuò)展到更廣泛的管徑和壁厚。另外，假定兩種管徑采用了相同的鋼板/板卷寬度，意味著這兩種規(guī)格的鋼管具有不同的螺旋角，這可用于研究鋼板和焊接材料各向異性對(duì)鋼管主應(yīng)力方向的影響，如圖1所示。

表1 鋼管規(guī)格和設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 材料各向異性的主方向

1.2 加載條件

目前，業(yè)內(nèi)在大應(yīng)變條件下使用螺旋焊管作為輸送鋼管的經(jīng)驗(yàn)非常有限，特別是由于螺旋焊縫和/或環(huán)焊縫材料特性的變化（低強(qiáng)匹配）或應(yīng)力集中，使用基于應(yīng)變和位移設(shè)計(jì)意味著允許在鋼管局部大塑性變形的部位超過(guò)屈服強(qiáng)度。此外，在上述條件下還應(yīng)考慮斷裂擴(kuò)展問(wèn)題。因此，本研究只涉及載荷控制情況，即環(huán)向應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度。采用了有限元分析來(lái)研究在以下載荷控制條件下的過(guò)匹配的螺旋焊縫的環(huán)向性能和極限狀態(tài):①內(nèi)部壓力；②外部壓力；③軸向拉伸；④彎曲；⑤復(fù)合載荷。

因?yàn)槠谏婕暗搅耸褂肧形敷設(shè)過(guò)程中和自由懸跨情況下的安裝條件（用于淺水區(qū)的主要敷管工藝），所以JIP也考慮了疲勞這一加載條件。為了討論這個(gè)極限狀態(tài)，鋼管模型承受了軸向和彎曲的加載條件并研究了應(yīng)力集中。對(duì)螺旋焊縫的幾何特征和公差予以重點(diǎn)關(guān)注。JIP在現(xiàn)階段的研究并沒(méi)有考慮環(huán)焊縫以及環(huán)焊縫與螺旋焊縫之間相互作用的影響。

1.3 材料建模

有限元模型采用了API STD 1104中的光滑鋼鐵材料模型作為基本條件，按照該標(biāo)準(zhǔn)中不同參數(shù)的定義和細(xì)節(jié)，模型采用了以下形式:

此外，研究螺旋焊管和UOE焊管的響應(yīng)時(shí)假定了一個(gè)理想彈塑性模型，其目的是獲得有限元的解。

由于熱軋工藝和鋼板性能，尤其是屈服強(qiáng)度是各向異性的。對(duì)于假定的螺旋角，周向的強(qiáng)度更低，如圖2所示。假定各向異性比（縱向?qū)M向屈服強(qiáng)度）為0.9，這是一個(gè)相當(dāng)保守的數(shù)值。

圖2 螺旋焊管的材料各向異性特征

2 有限元模型

該研究采用通用的有限元軟件包Abaqus開(kāi)發(fā)出了非常詳細(xì)的、完全非線性的三維殼單元和實(shí)體單元有限元模型。為了計(jì)算方便，鋼管管體采用了殼單元建模，而螺旋焊縫包括兩側(cè)20°的母材和焊偏采用了完整的三維建模，以研究整個(gè)壁厚應(yīng)力分布以及應(yīng)力和應(yīng)變集中的細(xì)節(jié)。鋼管橢圓度有顯著的影響，所以也包括在內(nèi)。采用了動(dòng)態(tài)耦合方式，鋼管的軸向力和彎距使用參考點(diǎn)施加，其與鋼管的相關(guān)自由度動(dòng)態(tài)耦合。有限元模型如圖3所示，邊界條件考慮了管端的自由徑向運(yùn)動(dòng)。

圖3 鋼管有限元模型

3 有限元模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證螺旋焊管的模型進(jìn)行了大量的分析，開(kāi)發(fā)并實(shí)施了許多三點(diǎn)和四點(diǎn)彎曲模型，如圖4所示。通過(guò)應(yīng)用管端的不同邊界條件及其對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)不同模型的鋼管進(jìn)行了驗(yàn)證（尤其是固定端和自由端）。

有限元分析驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，但仍有以下幾點(diǎn)需要進(jìn)一步證實(shí)：①螺旋焊管的極限彎矩通常略大于UOE焊管，因?yàn)閁OE焊管基于準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的極限彎矩有些保守，所以這不能被假定為一般趨勢(shì)；②與四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾?，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的受彎承載力更低，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)有限元分析的響應(yīng)如圖5所示；③有限元預(yù)測(cè)的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)受彎承載力略低于DNV OS F101所預(yù)測(cè)的值，至少部分是由于鋼管的D/t大約為48，略超過(guò)準(zhǔn)則的適用范圍；④當(dāng)采用API STD 1104鋼材模型時(shí)，螺旋焊管和UOE焊管均顯示出比理想彈塑性材料更高的受極限彎矩，這是因?yàn)锳PI STD 1104鋼材模型的應(yīng)變硬化。

圖4 鋼管有限元模型的驗(yàn)證

圖5 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)有限元分析的響應(yīng)

4 分析與討論

4.1 材料各向異性的影響

為調(diào)查彎曲條件下鋼板材料各向異性的重要性，開(kāi)展了敏感性研究。初步結(jié)果表明，材料各向異性的影響并不顯著。這是因?yàn)镈/t較大，彎曲失效的主要原因是彈性局部屈曲，而不是屈服強(qiáng)度的影響。

4.2 破裂極限狀態(tài)

為了研究螺旋焊管的破裂極限狀態(tài)并與UOE焊管進(jìn)行比較，按照?qǐng)D6所示對(duì)鋼管建模，鋼管承受均勻內(nèi)壓，壓力線性增加直到分解偏離，即材料屈服/破裂狀態(tài)。為了只產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力的影響，沒(méi)有施加軸向拉伸（端蓋效應(yīng)），承壓鋼管的應(yīng)力響應(yīng)也在圖6中給出。

失效鋼管的詳細(xì)觀察結(jié)果表明，鋼管母材應(yīng)力是均勻分布的，焊縫區(qū)域則為應(yīng)力集中。在螺旋焊管上沒(méi)有觀察到應(yīng)變局部化，而是整個(gè)截面的整體屈服。然而，對(duì)于UOE焊管，沿直焊縫出現(xiàn)了應(yīng)變局部化。破裂極限狀態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 破裂極限狀態(tài)的有限元模型和結(jié)果

表2 X70級(jí)φ660 mm鋼管破裂極限狀態(tài)分析結(jié)果

4.3 壓潰極限狀態(tài)

使用有限元分析預(yù)測(cè)了螺旋焊管的壓潰承載能力，壓潰極限狀態(tài)分析的有限元模型如圖7所示，X52級(jí)φ914 mm鋼管壓潰極限狀態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 壓潰極限狀態(tài)分析的有限元模型（5×）

表3 X52級(jí)φ914 mm鋼管壓潰極限狀態(tài)分析結(jié)果

4.4 軸向拉伸極限狀態(tài)

模型中在鋼管管端施加了位移控制的軸向拉伸，同時(shí)保持鋼管的另一端軸向固定。使用有限元分析估計(jì)的螺旋焊管極限抗拉能力以及實(shí)例分析結(jié)果如表4和圖8所示。

表4 X52級(jí)φ914 mm鋼管軸向拉伸極限狀態(tài)分析結(jié)果

圖8 軸向拉伸極限狀態(tài)分析結(jié)果

4.5 局部屈曲極限狀態(tài)

試驗(yàn)中施加了規(guī)定的旋轉(zhuǎn)/彎曲載荷，而鋼管另一端的旋轉(zhuǎn)則受到約束，以評(píng)估鋼管在純彎曲條件下的局部屈曲抗力。在上述條件下螺旋焊管和UOE焊管的響應(yīng)如圖9所示。使用有限元分析預(yù)測(cè)的螺旋焊管的受彎承載力以及實(shí)例分析如圖10和表5所示。

圖9 局部屈曲極限狀態(tài)分析的有限元模型

圖10 局部屈曲極限狀態(tài)分析結(jié)果

表5 X70級(jí)φ660 mm鋼管局部屈曲極限狀態(tài)分析結(jié)果

4.6 復(fù)合加載

研究了彎曲、拉伸及外壓復(fù)合加載的影響。圖11給出了螺旋焊管在復(fù)合加載下的失效模型實(shí)例，圖12給出了螺旋焊管有限元分析在復(fù)合加載下的失效實(shí)例，即X52級(jí)φ914 mm鋼管在水深240 m的響應(yīng)信息，將失效載荷組合 （如離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)所示）與按照DNV OS F101公式5.19預(yù)測(cè)的破壞包絡(luò)線（如連續(xù)曲線所示）進(jìn)行了比較，對(duì)于在同一水深的無(wú)縫鋼管，分項(xiàng)設(shè)計(jì)因子設(shè)為1.0。在給出的實(shí)例中，螺旋焊管所有失效組合均落在DNV包絡(luò)線外側(cè)或包絡(luò)線上，這表明對(duì)于該給定水深，在彎曲和軸向拉伸復(fù)合載荷的情況下，這一特定的鋼管規(guī)格至少會(huì)表現(xiàn)出和無(wú)縫鋼管一樣的性能。

圖11 螺旋焊管在彎曲、軸向拉伸及外壓復(fù)合載荷下的失效模型

圖12 螺旋焊管和無(wú)縫鋼管在載荷組合下的性能對(duì)比

4.7 疲勞極限狀態(tài)

對(duì)于疲勞極限狀態(tài)需要識(shí)別以下幾點(diǎn)：①在不同加載條件下螺旋焊縫的未知應(yīng)力集中；②在S形敷設(shè)期間，螺旋焊縫與托管架輥?zhàn)咏佑|時(shí)的未知應(yīng)力集中；③螺旋焊縫和環(huán)焊縫之間可能的相互作用，在相交的位置可能會(huì)進(jìn)一步加劇這個(gè)位置的應(yīng)力集中。

4.8 結(jié)果數(shù)據(jù)分析

將開(kāi)發(fā)出的極限狀態(tài)響應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)與UOE焊管/無(wú)縫鋼管的相似DNV數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析和比較，其目的是為了識(shí)別螺旋焊輸送管道設(shè)計(jì)參數(shù)和公式的適用性（如DNV OS F101）。如果適用，對(duì)于新的鋼管類(lèi)型，應(yīng)該校準(zhǔn)公式參數(shù)。最后，對(duì)未來(lái)DNV規(guī)范修訂版關(guān)于螺旋焊管部分的可能結(jié)論也進(jìn)行了討論。初步結(jié)果表明，在淺水區(qū)使用螺旋焊管沒(méi)有太大的問(wèn)題。然而，數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析與來(lái)自于JIP其他研究的推薦方法，將采取更為具體的措施。

5 結(jié)語(yǔ)

采用螺旋焊管有限元模型，比較了不同加載條件下的響應(yīng)。目前，正在對(duì)有限元研究結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，以確定當(dāng)前規(guī)范中的推薦作法和公式是否適用于螺旋焊管管道，如果適用，應(yīng)對(duì)這種新類(lèi)型鋼管的公式參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

初步研究結(jié)果表明，在淺水區(qū)使用螺旋焊管沒(méi)有太大的問(wèn)題。本研究總體上增加了對(duì)螺旋焊管的信心，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，一系列需要進(jìn)一步澄清的問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)確認(rèn)。以后還應(yīng)該對(duì)螺旋焊管的實(shí)際應(yīng)用和對(duì)位移控制條件下使用基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

譯自：ELTAHER A，HAFRI S，JUKES P，et al.Advanced finite element analysis for qualification of spiral welded pipe for offshore application[C]//ProceedingsoftheTwenty-second(2012)International Offshore and Polar Engineering Conference.Greece:Rhodes，2012.

Advanced Finite Element Analysis for Qualification of Spiral Welded Pipe for Offshore

Edited and Translated by SUN Hong
(North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.,Qingxian， 062658， Hebei,China）

For purpose of qualifying spiral welded pipe for offshore shallow water applications,the finite element（FE） study was performed to investigate the response of spiral welded pipe to different loading combinations and particularly to S-lay conditions.An emphasis is placed on how spiral welded pipe compares to other types of pipe more commonly used in the industry.Detailed analysis and discussion are presented on limit states highlighted in DNVs standard for submarine pipelines,such as burst，collapse,axial Tension,local buckling and combined loading.The analyses comprised nonlinear 3D FE simulations of spiral welded pipe,and taking into account relevant tolerances that were likely to affect its limit states and response to loading and installation conditions.The results indicated no major concerns regarding the use of spiral welded pipe in shallow water.

spiral welded pipe;offshore;finite element;limit states;S-lay;application

TE973

B

1001－3938（2015）06-0063-06

孫 宏（1974—），男，高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事石油輸送鋼管材料與試驗(yàn)技術(shù)工作。

2014-11-18

李 超