CALM系統(tǒng)水下管匯整體結(jié)構(gòu)有限元分析

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(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

懸鏈錨腿型系泊(catenary anchor leg mooring，CALM)型單點(diǎn)系泊卸油系統(tǒng)由帶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的浮筒、水下軟管、錨鏈系統(tǒng)、漂浮軟管，以及水下管匯組成[1]。油船通過系泊纜系泊在浮筒旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的固定柱上，可圍繞浮筒系泊點(diǎn)漂移或360°轉(zhuǎn)動(dòng)，使之總處于順風(fēng)向最小的受力狀態(tài)。海上卸油時(shí)船艙的原油經(jīng)漂浮軟管→單點(diǎn)浮筒→水下軟管→水下管匯→海底管線，最后到達(dá)岸上儲(chǔ)罐。單點(diǎn)系統(tǒng)的組成和工藝流程見圖1。

因CALM型單點(diǎn)系泊具有適應(yīng)水深范圍大、可系泊超大型油船、抵抗海洋環(huán)境能力強(qiáng)、與固定碼頭相比經(jīng)濟(jì)性良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。然而我國(guó)目前僅南海有一套CALM型單點(diǎn)系泊卸油系統(tǒng)，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)少。

CALM系統(tǒng)中，海底水下管匯作為連接單點(diǎn)浮筒和海底管線的重要結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期受到來自水下軟管的動(dòng)荷載作用，因此，在整個(gè)單點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中對(duì)水下管匯的各部件進(jìn)行合理、可靠的強(qiáng)度分析顯得尤為重要。考慮以南海某單點(diǎn)卸油系統(tǒng)水下管匯為例，用ANSYS軟件建立包含管匯結(jié)構(gòu)和管道部件的整體分析模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，得到水下管匯在操作工況和極端工況下各部件的應(yīng)力分布，找到該水下管匯強(qiáng)度最薄弱位置，為水下管匯的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 水下管匯的結(jié)構(gòu)型式及材料參數(shù)

管匯基礎(chǔ)采用雙層底座結(jié)構(gòu)，2層底座均由H型鋼H400×350焊接而成，上層底座中心線尺寸7.0 m×3.0 m，下層底座7.0 m×5.8 m。上層底座與管匯的管線、管件等通過不同厚度的肋板焊接為一體，其中主管規(guī)格為直徑1 219 mm，支管直徑610 mm彎管+直徑(610～500) mm錐形管。下層底座通過4根水下鋼樁固定在海床上，上層底座直接放置在下層底座上，兩者通過限位導(dǎo)向卡連接，上層底座相對(duì)下層底座沿管線軸向可以產(chǎn)生一定量的位移以釋放管線在運(yùn)行時(shí)施加在管匯上的溫度應(yīng)力，其他方向則不能產(chǎn)生相對(duì)位移。水下管匯結(jié)構(gòu)形式見圖2。

管匯各部分材料的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 水下管匯材料力學(xué)性能參數(shù)

2 分析模型的建立

根據(jù)第2節(jié)所示的基本參數(shù)，用通用有限元軟件ANSYS建立水下管匯的分析模型，其中球閥及法蘭用與支管同等規(guī)格的鋼管等效簡(jiǎn)化，模型的各個(gè)部分均利用殼單元SHELL93來模擬。SHELL93為8節(jié)點(diǎn)殼體結(jié)構(gòu)單元，能很好地模擬具有曲線邊界的殼體，同時(shí)也可以模擬平面單元。單元在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處有6個(gè)自由度，具有塑性、應(yīng)力鋼化、大變形、大應(yīng)變等性能[2]，能很好地模擬本文要分析的結(jié)構(gòu)。所建模型見圖3，模型網(wǎng)格劃分見圖4。

3 荷載及邊界條件

3.1 外力

3.1.1 外部荷載

從圖1可知，油船系泊在單點(diǎn)浮筒上，在不同海況下將發(fā)生飄移運(yùn)動(dòng)，系泊力通過水下軟管作用到水下管匯支管上，因此，水下管匯的外部環(huán)境荷載主要來自于水下軟管的作用力。這里采用OrcaFlex水動(dòng)力分析軟件對(duì)目標(biāo)單點(diǎn)浮筒進(jìn)行了時(shí)域分析，得到不同計(jì)算工況、不同時(shí)刻水下軟管對(duì)管匯支管端部的作用力。為了使管匯有限元分析既簡(jiǎn)化又能覆蓋不同時(shí)刻水下軟管對(duì)管匯的作用，選取了分析時(shí)段內(nèi)軟管與支管連接處節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度方向作用力分別最大時(shí)刻的工況，結(jié)果見表2及表3。將此作用力施加到分析模型。

施加外力時(shí)將支管端部所有節(jié)點(diǎn)耦合至一中心節(jié)點(diǎn)，形成剛性區(qū)域，外力只需加至此節(jié)點(diǎn)即可，中心節(jié)點(diǎn)由質(zhì)量單元MASS21來模擬。在OrcaFlex分析結(jié)果中，水下軟管端部共有6個(gè)相對(duì)其局部坐標(biāo)系的內(nèi)力分量，因此，施加外力時(shí)需要將中心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為與OrcaFlex局部坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。

3.1.2 自重

分析時(shí)水下球閥和法蘭以線荷載的形式施加，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件以重力加速度的形式施加。

3.1.3 內(nèi)壓

在極端工況下管匯處于停輸狀態(tài)，不考慮內(nèi)壓，操作工況下將設(shè)計(jì)壓力(1.5 MPa)以面壓的形式施加于工藝管件上。

表2 極端工況下軟管對(duì)管匯作用力匯總表(力：kN，彎矩：kN·m)

表3 操作工況下軟管對(duì)管匯作用力匯總表(力：kN，彎矩：kN·m)

3.2 約束

將基礎(chǔ)上下兩底座在導(dǎo)向限位卡處的節(jié)點(diǎn)自由度耦合，以此來模擬導(dǎo)向限位卡對(duì)基礎(chǔ)上下底座的約束作用。

將各套筒頂面的所有節(jié)點(diǎn)耦合至一中心節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)剛性區(qū)域，并將此中心節(jié)點(diǎn)的自由度全約束，以此來模擬樁對(duì)套筒的約束作用。

水下管匯有限元模型的約束見圖5。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

4.1.1 管匯基礎(chǔ)

管匯基礎(chǔ)的強(qiáng)度按照規(guī)范《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法》(SY/T10030—2004)進(jìn)行校核[3]。根據(jù)規(guī)范要求，管匯基礎(chǔ)的強(qiáng)度需滿足式(1)及式(2)的要求。

1)極端工況。

σe<0.8×σy=0.8×355=284 MPa

2)操作工況。

σe<0.6×σy=0.6×355=213 MPa

式中：σe為等效應(yīng)力(不包括應(yīng)力集中)；σy為最小屈服強(qiáng)度。

4.1.2 工藝管件

管匯工藝管件的強(qiáng)度按照規(guī)范《Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries》(ASME B31.4—2012)進(jìn)行校核[4]。根據(jù)規(guī)范要求，管匯上工藝管件的強(qiáng)度校核需滿足下式。

σe<0.9×σy=0.9×450=405 MPa

4.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4.2.1 極端工況下管匯強(qiáng)度校核

在上述邊界條件下對(duì)管匯進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得出極端工況下管匯各部分最大的von Mises應(yīng)力見表4。

計(jì)算結(jié)果表明，在極端工況下管匯基礎(chǔ)最大的von Mises應(yīng)力為275 MPa(應(yīng)力云圖見圖6)，小于容許應(yīng)力σe=284 MPa，滿足規(guī)范要求。

表4 端工況下管匯各部分最大的von Mises應(yīng)力(MPa)

工藝管件最大的von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在支管上為275 MPa(應(yīng)力云圖見圖7)，小于容許應(yīng)力σe=405 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.2 操作工況下管匯強(qiáng)度校核

在上述邊界條件下對(duì)管匯進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得出操作工況下管匯各部分最大的von Mises應(yīng)力見表5。

表5 操作工況下管匯各部分最大的von Mises應(yīng)力(MPa)

計(jì)算結(jié)果表明，在操作工況下管匯基礎(chǔ)最大的von Mises應(yīng)力為137 MPa(應(yīng)力云圖見圖8)，小于容許應(yīng)力σe=284 MPa，滿足規(guī)范要求。

工藝管件最大的von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在主管上為310 MPa(應(yīng)力云圖見圖9)，小于容許應(yīng)力σe=405 MPa，滿足規(guī)范要求。

計(jì)算時(shí)可提取不同工況下球閥法蘭處的內(nèi)力作為校核球閥密封性的外荷載，也可提取不同工況下套筒頂面耦合節(jié)點(diǎn)的支座反力作為樁基承載力和強(qiáng)度校核的外荷載。

5 結(jié)論

1)對(duì)水下管匯整體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果表明，在極端工況下，海洋環(huán)境荷載為控制工況，最大有效應(yīng)力275 MPa，出現(xiàn)在支管上；在操作工況下，內(nèi)壓為控制工況，最大有效應(yīng)力310 MPa，出現(xiàn)在主管上。水下管匯設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)這些位置結(jié)構(gòu)特別關(guān)注，做適當(dāng)加強(qiáng)處理。

2)水下管匯設(shè)計(jì)成雙層底座形式，上層底座可相對(duì)于下層底座沿主管方向滑動(dòng)，以有效消除系統(tǒng)卸油時(shí)管內(nèi)介質(zhì)溫度變化對(duì)水下管匯的影響。

3)按文中計(jì)算方法設(shè)計(jì)的水下管匯在我國(guó)南海已投入使用，工程實(shí)踐表明，用有限元軟件ANSYS進(jìn)行水下管匯整體強(qiáng)度校核的方法可行，計(jì)算結(jié)果可信。

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