應(yīng)用于深水海底管道終端設(shè)施的錨固件設(shè)計

徐祥娟，曹永，鐘朝廷，何鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

引言

深水海底管線終端（PLET）用于海底管線末端進行海管與水下生產(chǎn)設(shè)施的水下連接，是深水油氣田開發(fā)常用的水下設(shè)施。錨固件成為海管和深水海底管線終端之間連接的一個重要組成部分。錨固件作為一個連接件，起著過渡傳遞載荷的重要作用。錨固件一般采用整體鍛造，然后進行機加工，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單，過渡平滑不會引起應(yīng)力集中，安裝簡捷，整體性能優(yōu)良等優(yōu)點。

應(yīng)用于深水海底管線終端的鍛制錨固件，一端連接海管，另一端連接深水海底管線終端，其結(jié)構(gòu)形式需要與海管及深水海底管線終端相匹配，鍛制錨固件屬于非標部件，需根據(jù)實際受力情況進行應(yīng)力分析后，確定最終尺寸。本文將根據(jù)某深水海底管線終端設(shè)計項目中錨固件受力情況進行有限元分析，本文中的鍛制錨固件有限元分析選用API RP 2RD[1]規(guī)范進行應(yīng)力校核。

1 錨固件結(jié)構(gòu)形式

鍛制錨固件的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)它所連接的管線確定，如果管線及深水海底管線終端參數(shù)確定，錨固件的初步尺寸也就確定了，經(jīng)過受力情況進行有限元分析后，確定最終結(jié)構(gòu)形式[2]。

深水海底管線終端的鍛制錨固件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 錨固件結(jié)構(gòu)形式

本文將選取南海某項目中錨固件進行分析，錨固件設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 某項目錨固件設(shè)計參數(shù)

錨固件設(shè)計時，其外徑及壁厚需根據(jù)所連接的管線尺寸確定。該項目管線參數(shù)如表2所示。

表2 錨固件管線設(shè)計參數(shù)

2 錨固件的分析方法

鍛件錨固件的結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)工藝數(shù)據(jù)確定后，就可進行有限元分析[3]。錨固件有限元分析采用ANYSY軟件進行實體單元結(jié)構(gòu)分析，分析包括安裝工況、在位工況兩種工況，其中安裝工況細分為空管工況和充水工況，在位工況細分為操作和水壓工況。鍛件錨固件在不同工況下所受的載荷不同，在有限元模型中組合添加。計算結(jié)果線性化處理后與API RP 2RD[1]規(guī)范的要求做對比，以校核是否滿足強度要求。

3 工況及載荷

3.1 安裝工況

在南海某深水項目中，深水海底管線終端（PLET）采用舷側(cè)安裝，安裝過程中，錨固件承受的載荷主要有軸力Fxo，彎矩Myo，內(nèi)壓Pi，外壓Pe以及由內(nèi)外壓力引起的端帽力Feco。受力示意圖如圖2所示。

圖2 安裝工況錨固件受力示意圖

3.2 在位工況

本文中，在位工況細分為操作和水壓兩種工況。在位工況，錨固件承受的載荷主要有深水海底管線終端管線端的軸力和彎矩，海管端的軸力和彎矩，內(nèi)外壓力以及由內(nèi)外壓力引起的端帽力。受力示意圖如圖3所示。

圖3 在位工況錨固件受力示意圖

4 錨固件的有限元分析

4.1 錨固件有限元模型建立

在ANSYS APDL模塊，根據(jù)錨固件的幾何尺寸，建立三維模型，實體單元solid45劃分網(wǎng)格，該單元由8個節(jié)點，每個單元分別有X,Y,Z三個方向平移及轉(zhuǎn)動自由度。另外，為了真實的反應(yīng)錨固件的受力情況，還需要建立連接錨固件兩端的內(nèi)外管模型，其長度可以選擇在200mm左右。如下圖4為錨固件分析模型網(wǎng)格。

圖4 錨固件分析模型網(wǎng)格

4.2 邊界條件

錨固件一端連接海管一端連接深水海底管線終端，保守計算，與深水海底管線終端結(jié)構(gòu)管連接的端面的所有節(jié)點視為全約束狀態(tài)。質(zhì)量單元Mass21分別在“海管端”和“PLET”端建立剛性區(qū)域[3]，通過剛性區(qū)域的相互約束建立起約束方程，可以把力和彎矩傳遞至管端各節(jié)點上。邊界條件設(shè)置情況如圖5所示。

圖5 錨固件分析模型邊界條件

4.3 載荷施加

根據(jù)本文第三章所述工況，分別在上述錨固件有限元模型中施加載荷。在剛性區(qū)域施加三個方向的力和彎矩，并在錨固件內(nèi)表面分別施加操作壓力，水壓試驗壓力，外表面施加最大水深處的壓力。

4.4 路徑劃分

考慮深水水下生產(chǎn)設(shè)施安裝及在位時的安全性，對錨固件有限元分析結(jié)果進行線性化處理。線性化路徑兩個端點的選擇有一定的原則，通常需要位于應(yīng)力強度最大部位壁厚方向的兩個端部（一個內(nèi)壁點，一個外壁點），通常確定大概位置后，進行適當微調(diào)，直到路徑使得分類應(yīng)力達到最大為止。錨固件的線性化路徑選取圖6所示。

圖6 錨固件的線性化路徑

5 校核標準

錨固件有限元分析結(jié)果進行線性化后處理后，提取相應(yīng)一次薄膜應(yīng)力，一次薄膜應(yīng)力+一次彎曲應(yīng)力，總應(yīng)力[4]，本文的校核標準參考API RP 2RD[1]，其許用應(yīng)力校準準則如下所述：

● (σp)e

● (σp+σb)e<1.5.Cf.σa

● (σp+σb+σq)e<3.0.σa

其中，σa=Caσy，基本許用組合應(yīng)力，Ca許用應(yīng)力系數(shù)系數(shù)，Ca=2/3，σy材料最小屈服強度，Cf工況系數(shù)。工況系數(shù)及許用應(yīng)力見表3。

表3 工況系數(shù)及許用應(yīng)力

6 計算分析結(jié)果

經(jīng)過計算分析后，錨固件在安裝工況下的應(yīng)力云圖如下圖7所示，應(yīng)力線性化結(jié)果見表4。

表4 安裝工況應(yīng)力線性化結(jié)果

圖7 錨固件安裝工況計算分析結(jié)果

錨固件在位工況下的應(yīng)力云圖如下圖8所示，應(yīng)力線性化結(jié)果見表5

圖8 錨固件在位工況計算分析結(jié)果

表5在位工況應(yīng)力線性化結(jié)果

7 結(jié)論

在深水海底管道終端設(shè)施錨固件的設(shè)計過程中，根據(jù)具體工況及載荷情況，經(jīng)過ANSYS有限元計算分析，由結(jié)果數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

(1) 有限元分析方法是進行非標鍛制錨固件設(shè)計和分析的有效快捷手段，通過使用成熟的ANSYS有限元軟件，可以判斷錨固件強度是否滿足實際使用中的要求。

(2) API RP 2RD規(guī)范綜合考慮了多種工況下的安全系數(shù)，結(jié)合有限元應(yīng)力線性化后處理，使得鍛制錨固件的設(shè)計更為緊湊合理。