結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)LNG低溫螺旋波紋鋼管彎曲性能的影響分析

楊志勛　閻軍　盧青針　吳尚華　王剛　岳前進(jìn)

摘要：

基于ANSYS三維殼模型，依據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸對(duì)LNG低溫螺旋波紋鋼管進(jìn)行參數(shù)化有限元建模.考慮低溫環(huán)境下材料力學(xué)性能的改變和結(jié)構(gòu)幾何非線性因素，對(duì)彎曲載荷作用下低溫螺旋波紋鋼管結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬；分析管體彎曲失效模式和力學(xué)行為特點(diǎn).改變結(jié)構(gòu)幾何尺寸，分析比較波峰和波谷極值應(yīng)力以及管道整體力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)尺寸參數(shù)對(duì)低溫波紋鋼管力學(xué)性能的影響顯著，分析相應(yīng)的靈敏度規(guī)律，最后給出合理的截面尺寸參數(shù).分析結(jié)果可以為低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞：

LNG； 螺旋波紋管； 截面尺寸； 彎曲； 非線性； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TE953；TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：

Based on 3D shell modeling in ANSYS， a parametrization finite element model is established for a LNG cryogenic helical corrugated steel pipe according to the geometric dimension of structure. Considering the change of material mechanics property under the cryogenic environment and the geometric nonlinearity， the structural mechanics properties of cryogenic helical corrugated steel pipe under bending load are numerically simulated. The bending failure mode and the characteristics of mechanical behavior are presented for the pipe body. Through changing the structural geometric dimension， the stresses at peak and trough points and the global mechanical property of pine are analyzed and compared. It is found that the sectional dimension would influence on the mechanical properties of cryogenic helical corrugated steel pipe significantly and the sensitivity rules of the sectional dimension parameters are presented. Finally， the rational sectional dimension is recommended， which can provide a reference for the structural design of cryogenic flexible pipe.

Key words：

LNG； helical corrugated pipe； sectional dimension； bending； nonlinearity； numerical simulation

0引言

浮式液化天然氣（Floating LNG，F(xiàn)LNG）生產(chǎn)船與LNG穿梭游輪是遠(yuǎn)海天然氣開采的新型經(jīng)濟(jì)型開發(fā)模式.連接于浮式液化天然氣生產(chǎn)船與運(yùn)輸船之間用于裝卸液化天然氣的低溫波紋柔性管道，是整個(gè)傳輸過程中的關(guān)鍵裝備.[13]由于管體彎曲剛度較小，對(duì)波浪流等周期性載荷具備較好的柔順性，可保證整個(gè)傳輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行.典型低溫波紋柔性管道的結(jié)構(gòu)形式見圖1，主要由內(nèi)外螺旋波紋鋼管、雙層抗拉鎧裝、防磨層和外護(hù)套組成.目前，國外在LNG低溫傳輸管道的設(shè)計(jì)分析、制造和安裝方面優(yōu)勢(shì)十分明顯.如美國的Goodyear和英國的Dunlop等[4]，而我國還處在初步探索階段.因此，探索發(fā)展低溫柔性管道的設(shè)計(jì)分析和加工制造技術(shù)對(duì)我國天然氣能源戰(zhàn)略發(fā)展具有一定的參考意義.

低溫波紋柔性管道運(yùn)作示意見圖2.在整個(gè)裝卸傳輸過程中，管道整體呈現(xiàn)懸鏈線形式，可有效地緩解船體相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的管體結(jié)構(gòu)失效.[56]由于受到自身和輸送液化天然氣的重力、船體運(yùn)動(dòng)以及低溫環(huán)境所致的冰重載荷等作用，管線最底部彎曲處承受較大的彎曲載荷；同時(shí)，超低溫環(huán)境會(huì)使材料力學(xué)性能發(fā)生顯著變化.[7]低溫柔性管道為多層次、多材料和多接觸低溫工作環(huán)境下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其熱絕緣效果主要通過內(nèi)外螺旋波紋鋼管所形成的真空區(qū)域來實(shí)現(xiàn)，因此內(nèi)外螺旋波紋鋼管對(duì)于整個(gè)管體的力學(xué)性能扮演著重要的角色.為確保低溫波紋柔性管道正常運(yùn)行，在整個(gè)管體設(shè)計(jì)中，螺旋波紋鋼管低溫抗彎力學(xué)性能的精確分析評(píng)估尤為重要.

國外學(xué)者已針對(duì)螺旋波紋鋼管結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量研究.其中，BUITRAGO等[8]首先校核得到塑性成型后低溫環(huán)境下波紋鋼管的材料本構(gòu)關(guān)系，并通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法分別在室溫和低溫環(huán)境下研究波紋鋼管拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能.BARDI等[9]和SRIVASTAVA等[10]研究低溫波紋管在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和內(nèi)壓下的力學(xué)性能，并探究波紋鋼管力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的靈敏度規(guī)律.上述研究所建立的數(shù)值模型均忽略螺旋角度對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響.在實(shí)際應(yīng)用中，波紋鋼管均存在一定的螺旋角度，因此先對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行分析，確定決定性參數(shù)和伴隨參數(shù)，進(jìn)而分別討論各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)低溫波紋鋼管彎曲力學(xué)行為的靈敏度影響.

1截面幾何參數(shù)分析

螺旋波紋鋼管是整個(gè)低溫柔性管道功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件.為研究螺旋波紋鋼管的彎曲力學(xué)性能，首先分析結(jié)構(gòu)幾何尺寸.某低溫螺旋波紋鋼管幾何模型見圖3，其宏觀幾何參數(shù)包括：內(nèi)半徑RI，外半徑RO，螺旋節(jié)距P，以及螺旋角度θ.

螺旋波紋鋼管沿軸向的截面幾何尺寸見圖4，其由標(biāo)號(hào)為1，3，5的直線和標(biāo)號(hào)為2，4的曲線組成，截面形狀類似于正弦曲線，其主要參數(shù)包括厚度T，波高H，波長λ和傾角α.

宏觀和局部剖面幾何參數(shù)之間存在著內(nèi)在聯(lián)系.分析得：外半徑RO，內(nèi)半徑RI，厚度T，波長λ，傾

角α為主控制參數(shù)；波紋的高度H，螺旋角度θ，直線段長度L，弧線段半徑r，長度S等為伴隨性參數(shù).主控制參數(shù)和伴隨性參數(shù)之間的相互關(guān)系表達(dá)式為

2.2單元選擇和網(wǎng)格劃分

選擇合適的單元類型對(duì)有效模擬波紋管的力學(xué)行為至關(guān)重要.螺旋波紋鋼管壁厚相對(duì)于整個(gè)管體尺寸而言遠(yuǎn)小于1/10，屬于典型的薄殼結(jié)構(gòu).同時(shí)，考慮到材料的非線性以及彎曲載荷過大時(shí)變形所產(chǎn)生的幾何非線性因素，本文選用具備塑性大應(yīng)變分析能力的SHELL43單元.

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)模型的計(jì)算效率和精度有重要影響.考慮到管體中波峰和波谷處為幾何突變點(diǎn)和應(yīng)力集中點(diǎn)，因此對(duì)該區(qū)域進(jìn)行精細(xì)劃分.同時(shí)考慮到計(jì)算效率，對(duì)截面相對(duì)平緩的區(qū)域進(jìn)行粗略劃分，其軸向截面節(jié)點(diǎn)布置方法見圖6.另外，單元的劃分應(yīng)盡可能均勻統(tǒng)一，避免奇異單元的出現(xiàn)影響結(jié)果精度，局部網(wǎng)格劃分見圖7，單元平均尺寸為2.475 mm，并驗(yàn)證模型的收斂性.

2.3邊界約束與載荷施加

為研究波紋鋼管的彎曲行為力學(xué)性能，在管體端部施加彎矩，見圖8.考慮到波紋鋼管端部施加載荷的均一性，首先在端面中心處建立MASS21質(zhì)量單元，并同該端面鋼管邊界其他節(jié)點(diǎn)形成剛性面；同時(shí)，考慮到端部效應(yīng)的影響，在另一端采用對(duì)稱約束進(jìn)行處理.通過對(duì)端部剛性面上質(zhì)量單元節(jié)點(diǎn)施加位移轉(zhuǎn)角進(jìn)而求解數(shù)值有限元模型.

3截面尺寸對(duì)力學(xué)性能的影響

為準(zhǔn)確分析管體的彎曲力學(xué)行為特點(diǎn)，分別取表面波峰點(diǎn)和波谷點(diǎn)作為分析研究對(duì)象.彎曲載荷下管體上側(cè)波峰和波谷的應(yīng)力分布見圖9.在波峰外表面和波谷內(nèi)表面應(yīng)力呈現(xiàn)擠壓狀態(tài)，反之，在波峰的內(nèi)表面和波谷的外表面應(yīng)力呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，見圖10.

取該波峰波谷內(nèi)外側(cè)4個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力，見表2.分析比較發(fā)現(xiàn)，由于螺旋結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響，在彎曲載荷作用下，應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在波谷外側(cè).因此，本文取該處應(yīng)力和應(yīng)變值與管體整體性能的彎曲剛度作為分析比較對(duì)象，研究結(jié)構(gòu)幾何尺寸對(duì)波紋鋼管的彎曲力學(xué)行為的影響.

3.1波高影響分析

波紋鋼管中軸向剖面參數(shù)波高表征管體內(nèi)外徑之間的相對(duì)距離，同時(shí)反映波紋的皺褶程度.在裝卸液化天然氣的過程中，波紋起伏越小，壓降損失越小，其通流率越好，可節(jié)約裝卸時(shí)間；反之亦然.同時(shí)，波高也對(duì)管體彎曲行為有顯著影響.為研究和探索彎曲性能對(duì)截面參數(shù)波高的靈敏度，對(duì)模型施加逐漸增大的彎曲位移轉(zhuǎn)角，在控制其他參數(shù)不變的情況下，分別對(duì)波高為0.017，0.019和0.021 m的模型進(jìn)行彎曲力學(xué)行為分析.在不同高度下，彎曲載荷隨位移的變化趨勢(shì)見圖11.

由此可知：當(dāng)曲率小于0.3時(shí)，彎矩與曲率關(guān)系呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)；之后，隨著曲率的逐漸增大，彎矩增加緩慢，表征管體進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段.在控制其他參數(shù)不變的情況下，只改變模型波紋截面高度H，在相同的彎曲曲率下，波高越大，管體所承受的彎曲載荷越小，同時(shí)，其進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段較低波高截面滯后.考慮管體整體力學(xué)性能彎曲剛度時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著波高的增大，管體彎曲剛度減小，因此增大波高可以有效降低管體的抗彎曲能力，以便適應(yīng)低溫柔順性管道的順應(yīng)性設(shè)計(jì).

不同高度下波谷外側(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變隨曲率的變化曲線見圖12和13.在彎曲載荷的作用下，應(yīng)力的時(shí)間歷程與材料本構(gòu)關(guān)系幾乎相當(dāng).由于螺旋結(jié)構(gòu)形式的緣故，在材料屈服應(yīng)力之前，波谷外側(cè)點(diǎn)應(yīng)力并未完全表現(xiàn)出線性變化趨勢(shì).曲線走向大致可以分為2個(gè)階段：當(dāng)曲率小于0.3時(shí)，隨著彎曲轉(zhuǎn)角的增大，應(yīng)力增幅較快；當(dāng)曲率越過0.3時(shí)，隨著彎矩的增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨著載荷的增大增加緩慢.在相同彎曲轉(zhuǎn)角作用下，只改變模型截面高度H，波高越大結(jié)構(gòu)響應(yīng)的應(yīng)力值越小；同時(shí)，波高的等差變化并未表明應(yīng)力的等差變化，反之，波高迅速增大會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力明顯減小.

綜上所述，當(dāng)控制其他參數(shù)不變只改變波高時(shí)，波高同時(shí)影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和彎曲剛度等力學(xué)性能，并且在相同曲率作用下，波高越大所得到的相同點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變值越小，彎曲剛度相應(yīng)較小.因此，軸向截面參數(shù)波高的增大可以有效降低管體的抗彎性能，增強(qiáng)低溫柔性管道應(yīng)用中的安全因數(shù).

3.2螺距影響分析

波紋鋼管宏觀參數(shù)螺旋角θ與截面幾何參數(shù)波長λ存在一定的相互關(guān)系，因此參數(shù)波長同樣表征管體截面的皺褶程度，同時(shí)也影響著管內(nèi)液體的流向軌跡.在裝卸液化天然氣的過程中，流體的流向與管體軸線的夾角越小，壓降損失越小，其通流率越好，可明顯節(jié)約裝卸時(shí)間.同理，截面參數(shù)波長也對(duì)管體彎曲性能有顯著影響.為研究和探索彎曲性能對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)螺距的靈敏度，同樣對(duì)模型施加遞增彎曲載荷，在控制其他參數(shù)不改變的情況下，對(duì)波長分別為0.030，0.035和0.040 m的模型進(jìn)行彎曲力學(xué)行為分析.

不同螺距下彎矩隨曲率的變化曲線見圖14.各曲線趨勢(shì)幾乎相同；曲率相同的情況下，螺距越大其承受的彎曲載荷越大.彎曲剛度分析發(fā)現(xiàn)螺距越小，其彎曲剛度越小，柔順性愈好.應(yīng)力、應(yīng)變隨曲率的變化趨勢(shì)見圖15和16.

在相同曲率作用下，隨著螺距增大，應(yīng)力熱點(diǎn)處所產(chǎn)生的

等效應(yīng)力呈現(xiàn)單調(diào)變化的趨勢(shì)，螺距越大其應(yīng)力越大.應(yīng)力、應(yīng)變隨彎曲轉(zhuǎn)角的變化明顯分為2個(gè)階段：當(dāng)曲率從0到變化到0.3附近時(shí)，等效應(yīng)力隨曲率的增加呈現(xiàn)線性增長趨勢(shì)；當(dāng)曲率繼續(xù)增大時(shí)，應(yīng)力增加較為平緩.通過與材料本構(gòu)關(guān)系塑性增強(qiáng)區(qū)域相比較，應(yīng)力變化平緩區(qū)域起始于300～400 MPa，其由于螺旋結(jié)構(gòu)形式的影響小于材料的初始屈服應(yīng)力530.89 MPa.

綜上可知，在控制其他參數(shù)不變的情況下，螺距及截面尺寸波長的變化對(duì)低溫波紋鋼管結(jié)構(gòu)的整體和局部彎曲力學(xué)性能有顯著影響.螺距越大，彎曲剛度越大.欲使低溫柔性管道具備較好的柔性，應(yīng)盡可能減小螺距.

4結(jié)論

本文基于三維殼模型，對(duì)某螺旋低溫波紋管進(jìn)行參數(shù)化有限元建模.考慮低溫材料和結(jié)構(gòu)幾何非線性因素，給出彎曲載荷下改變結(jié)構(gòu)高度和螺距尺寸時(shí)低溫波紋鋼管結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的數(shù)值模擬結(jié)果.分析比較管體整體力學(xué)性能彎曲剛度和波谷應(yīng)力、應(yīng)變，得到以下結(jié)論.

（1）波高影響螺旋波紋管結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和彎曲剛度等力學(xué)性能，并且在相同曲率載荷作用下，波高越大所得到的波谷外側(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變值越小，彎曲剛度較小，可保證管體足夠的順應(yīng)性.

（2）螺距及截面尺寸波長的變化對(duì)低溫波紋鋼管結(jié)構(gòu)的整體和局部彎曲力學(xué)性能有顯著影響.在相同彎曲轉(zhuǎn)角下，螺距越大，彎曲剛度越大，應(yīng)力越大.

（3）通過與材料本構(gòu)關(guān)系塑性增強(qiáng)區(qū)域相比較，彎曲性能變化隨曲率變化曲線與低溫下材料本構(gòu)關(guān)系相似.

（4）應(yīng)力進(jìn)入平緩區(qū)域開始于300～500 MPa，其低于材料屈服應(yīng)力，原因是受螺旋波紋結(jié)構(gòu)形式的影響.

結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)低溫螺旋波紋鋼彎曲力學(xué)性能的影響顯著，分析相應(yīng)的靈敏度規(guī)律，為低溫柔性管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益的參考.

參考文獻(xiàn)：

[1]DUPONT B， COX P， GARRIGUES J C. Key cryogenic components for dynamic marine LNG transfer at sea： development and tests completed[C]// Proceedings of the 2003 Offshore Technology Conference. Houston， 2003. DOI： 10.4043/15227MS.

[2]LANQUETIN B， LANTERIMINET P L， DUPONT B. Innovative architectures for LNG transfer at sea studied[C]// Proceedings of the 2003 Offshore Technology Conference. Houston， 2003. DOI： 10.4043/15229MS.

[3]COX P J C， GEREZ J M， BIAGGI J P. Cryogenic flexible for offshore LNG transfer[C]// Proceedings of the 2003 Offshore Technology Conference. Houston， 2003. DOI： 10.4043/15400MS.

[4]FROHNE C， HARTEN F， SCHIPPL K， et al. Innovative pipe system for offshore LNG transfer[C]// Proceedings of the 2008 Offshore Technology Conference. Houston， 2008. DOI： 10.4043/19239MS.

[5]EIDE J， EIDE S I， SAMUELSEN A， et al. A new solution for tandem offloading of LNG[C]// Proceedings of the 2002 Offshore Technology Conference. Houston， 2002. DOI： 10.4043/14096MS.

[6]COX P J C. Preparing the way for future offshore LNG marine terminals[C]// Proceedings of the 2008 Offshore Technology Conference. Houston， 2008. DOI： 10.4043/19267MS.

[7]YANO O， YAMAOKA H. Cryogenic properties of polymers[J]. Progress in Polymer Science， 1995， 20（4）： 585613.

[8]BUITRAGO J， SLOCUM S T， HUDAK S J， et al. Cryogenic structural performance of a corrugated pipe[C]// Proceedings of ASME 2010 29th International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering. Shanghai， 2010： 331342. DOI： 10.1115/OMAE201021155.

[9]BARDI F C， TANG H， KULKARNI M， et al. Structural analysis of cryogenic flexible hose[C]// Proceedings of ASME 2011 30th International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering. Rotterdam， 2011： 593606. DOI： 10.1115/OMAE201150238.

[10]SRIVASTAVA V， BUITRAGO J， SLOCUM S T. Stress analysis of a cryogenic corrugated pipe[C]// Proceedings of ASME 2011 30th International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering. Rotterdam， 2011： 411421. DOI： 10.1115/OMAE201149852.

（編輯武曉英）