卞雪航，吳海欣，余 楊，楊 源，李智博，孫 剛

（天津大學(xué) 港口與海洋工程教育部、天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建筑工程學(xué)院，天津 300072）

深水海底管道屈曲傳播試驗(yàn)設(shè)計(jì)

卞雪航，吳海欣，余 楊，楊 源，李智博，孫 剛

（天津大學(xué) 港口與海洋工程教育部、天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建筑工程學(xué)院，天津 300072）

針對深水海底管道屈曲傳播的研究需要，文中結(jié)合國外的相關(guān)研究成果，以天津大學(xué)現(xiàn)有深海壓力艙試驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，并以DNV規(guī)范和ANSYS有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，設(shè)計(jì)了深水海底管道屈曲傳播試驗(yàn)方案。該試驗(yàn)方案選取徑厚比在25～30范圍內(nèi)的小直徑管件進(jìn)行試驗(yàn)，為管道屈曲傳播理論研究提供指導(dǎo)，并可作為深水管道止屈器試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參考。

深水管道；屈曲傳播；屈曲試驗(yàn)

深水海底管道在制造誤差、海水腐蝕、安裝過程中彎曲造成的局部橢圓化等因素影響下，會產(chǎn)生局部缺陷，減弱管道的承載能力，使其在高水壓作用下發(fā)生局部屈曲。由于屈曲傳播壓力要小于局部屈曲壓力，局部屈曲會沿管道軸向傳播，使得整條管道壓潰，造成巨大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)危害。因此，必須對深水海底管道屈曲傳播機(jī)理進(jìn)行深入研究，探索止屈方法，指導(dǎo)深水海底管道的設(shè)計(jì)。

目前，深水海底管道屈曲傳播方面的研究尚不成熟，這就需要通過試驗(yàn)手段來指導(dǎo)和驗(yàn)證理論研究。在管道的屈曲傳播與止屈試驗(yàn)研究方面，國外學(xué)者做了大量的工作。如美國的Kriakides曾利用一種小型壓力艙進(jìn)行管道的屈曲傳播及整體式止屈器試驗(yàn)[1-2]，該壓力艙總長4 m，內(nèi)徑178 mm，內(nèi)部以水作為壓力介質(zhì),承壓能力62 MPa。在該裝置中進(jìn)行屈曲傳播試驗(yàn)的管道，管道材質(zhì)為304不銹鋼，直徑44.5 mm。通常為了更好地觀察管道屈曲傳播與穿越止屈器，試驗(yàn)者都會選取相對“長”一些的管道進(jìn)行試驗(yàn)，屈曲傳播及止屈試驗(yàn)的管道長度為管徑的30～50倍。Kriakides等人通過屈曲傳播試驗(yàn)讀取了管道屈曲傳播壓力。并且還在管道上焊接單個(gè)或兩個(gè)整體式止屈器進(jìn)行管道止屈試驗(yàn)，獲取屈曲穿越壓力，進(jìn)而計(jì)算出不同止屈器的效率。另外，他們還使用了一種豎置的壓力艙進(jìn)行管道雙扣入式止屈器試驗(yàn)。該艙承壓能力69 MPa，艙體內(nèi)徑76 mm，艙長則只有1.74 m，通過雙扣入式止屈器試驗(yàn)水壓曲線，可以讀取試驗(yàn)管道的屈曲傳播壓力、止屈器穿越壓力、扣入式止屈器的不同穿越模式等，為扣入式止屈器效率計(jì)算和管道止屈研究提供了詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。阿根廷工業(yè)研究中心也使用一款水壓艙對API X42級鋼管進(jìn)行了焊接整體式止屈器試驗(yàn)[3]。該試驗(yàn)管道最長2.25 m，直徑達(dá)14 cm。該試驗(yàn)結(jié)果也表明，焊接整體式止屈器的止屈效率會影響屈曲穿越模式。安有效率較低止屈器的管道一般發(fā)生平行式穿越，而安有效率較高止屈器的管道則易發(fā)生正交式穿越等模式。國內(nèi)外學(xué)者在管道屈曲傳播及止屈試驗(yàn)方面的探索為設(shè)計(jì)新型的深水海底管道屈曲傳播試驗(yàn)提供了參考和指導(dǎo)。

1 深水管道屈曲傳播試驗(yàn)裝置

天津大學(xué)自主研制了深水油氣管道專用試驗(yàn)裝置——深海壓力艙。整個(gè)深海壓力艙試驗(yàn)平臺包括主艙體機(jī)構(gòu)、注水加壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

主艙體機(jī)構(gòu)總長11.5 m，艙體直徑1.6 m，可承受43 MPa的高壓。該機(jī)構(gòu)前端部安有軸向油壓機(jī)，可對艙內(nèi)管件施加軸向拉、壓力。油壓機(jī)及前端蓋下方則是由電動(dòng)車與軌道組成的快速定位系統(tǒng)。主艙體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。

注水加壓系統(tǒng)包括注水、排水閥門、加壓泵、凈化儲水箱和附屬管路系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括主控臺、圖像、數(shù)據(jù)采集處理終端以及配套軟件系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)，通過該系統(tǒng)控制試驗(yàn)艙，進(jìn)行注水、加壓以及視頻監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集處理等，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。該系統(tǒng)如圖2所示。

2 深水管道屈曲傳播試驗(yàn)設(shè)計(jì)

屈曲傳播試驗(yàn)用于驗(yàn)證現(xiàn)有屈曲傳播理論，以規(guī)范與有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行深水管道屈曲傳播試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

2.1 試驗(yàn)件尺寸參數(shù)確定

圖1 天津大學(xué)深海壓力艙

圖2 主控系統(tǒng)

通過對國外有關(guān)管道屈曲傳播及止屈試驗(yàn)的調(diào)研，可知目前國外絕大部分的管道屈曲傳播及止屈試驗(yàn)采用的管件為小直徑管。這是為了更有效地研究管件屈曲傳播趨勢，全面了解管件屈曲傳播變形情況，測定屈曲傳播速度，去除管件邊界條件影響區(qū)域后，要使試驗(yàn)管件的屈曲傳播區(qū)域相對“長一些”，試驗(yàn)管件長度一般在管件直徑的30～50倍，其試驗(yàn)設(shè)備尺寸有限，不能進(jìn)行更大尺寸管件試驗(yàn)。天津大學(xué)深海壓力艙試驗(yàn)段長度為8 m，因此進(jìn)行屈曲傳播試驗(yàn)選用的試件最大直徑可達(dá)15～27 cm（相當(dāng)于6～10寸）。為了進(jìn)一步確定管道的壁厚等參數(shù)，分別使用DNV-OS-F01規(guī)范和ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，兩者計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，確定試驗(yàn)管件的參數(shù)，計(jì)算結(jié)果還對試驗(yàn)管件的屈曲及屈曲傳播壓力和變形情況進(jìn)行了預(yù)測。

DNV規(guī)范中計(jì)算管道局部塑性屈曲壓力的公式如下：

式中：PP為局部塑性屈曲壓力；fy為材料屈服應(yīng)力；αfab為管道制作系數(shù)，對于無縫鋼管，該系數(shù)一般取1，直縫電阻焊管（ERW）取0.93；t為管道壁厚；D為管道外徑。

DNV規(guī)范中計(jì)算屈曲傳播壓力公式如下：

式中：Ppr為管道屈曲傳播壓力，其他各項(xiàng)參數(shù)與（1）式相同。

使用ANSYS有限元軟件建立三維圓柱殼模型，采用solid45單元模擬管道，兩端施加固支約束，有限元模型及計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 ANSYS有限元模型

用DNV規(guī)范和ANSYS數(shù)值模擬軟件對101.6～254 mm外徑、不同壁厚的管道進(jìn)行計(jì)算，可以得到結(jié)果如表1所示。

表1 不同尺寸管道屈曲及傳播壓力計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果列表可以看出，用ANSYS計(jì)算的結(jié)果與DNV規(guī)范計(jì)算結(jié)果是一致的，但是規(guī)范結(jié)果略低一些，偏于保守。經(jīng)過對比驗(yàn)證，兩者計(jì)算結(jié)果可以作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)。選取徑厚比在25～35的管件，可以保證在現(xiàn)有設(shè)備承壓范圍內(nèi)完成管道局部屈曲試驗(yàn)，該徑厚比范圍內(nèi)的管道屈曲傳播壓力基本在1 MPa以上，同時(shí)這個(gè)范圍內(nèi)的局部屈曲壓力、屈曲傳播壓力又不至于太大，避免了加載時(shí)間過長，提高了試驗(yàn)效率，保證屈曲傳播試驗(yàn)順利進(jìn)行。針對試驗(yàn)特點(diǎn)應(yīng)選取盡量“長”一些的管道試件，因此，選取小直徑的管道。選取的尺寸參數(shù)如表2所示：

表2 屈曲傳播試驗(yàn)管道基本尺寸參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)件缺陷參數(shù)確定

為了保證在試驗(yàn)時(shí)管道屈曲能按指定路徑傳播，且盡量擴(kuò)大屈曲傳播研究區(qū)域，需人為在管道端部施加初始缺陷，根據(jù)國外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可以在距離管道一端4倍管徑處設(shè)置一定的橢圓度缺陷，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)管道模型

采用DNV規(guī)范中計(jì)算含初始橢圓度管道屈曲壓力公式和ANSYS有限元數(shù)值模擬來確定管道缺陷參數(shù)：

DNV規(guī)范計(jì)算含橢圓度缺陷管道屈曲壓力公式如下：

式中：pel為管道彈性屈曲壓力；f0是管道橢圓度。

規(guī)范與ANSYS有限元數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果如表3。

由表3可以看出，ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果與DNV規(guī)范計(jì)算結(jié)果一致，當(dāng)管端初始缺陷定為1.5%時(shí)，其局部屈曲壓力下降明顯，又遠(yuǎn)大于預(yù)測屈曲傳播壓力，增加了壓力曲線的對比度和區(qū)分度，可以作為試驗(yàn)時(shí)的缺陷。因此，屈曲傳播試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表4所示。

2.3 屈曲傳播試驗(yàn)步驟

（1）對于相同尺寸的管件，首先將無缺陷試驗(yàn)管道裝入壓力艙體內(nèi)，注水、加壓，測定無缺陷管件的局部屈曲壓力；

（2）將含橢圓度缺陷的管件安入壓力艙內(nèi)進(jìn)行加壓試驗(yàn)。屈曲傳播壓力測定方法是：對管道持續(xù)加壓，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，管道含缺陷處最先發(fā)生局部屈曲，此時(shí)水壓有一個(gè)瞬間下降，繼續(xù)對管道加壓，艙體內(nèi)水壓有一定上升，局部屈曲開始傳播，由于管道不斷被壓扁，艙內(nèi)水壓會在某一值保持恒定，即為屈曲傳播壓力。

（3）將無缺陷管道試驗(yàn)測定的局部屈曲壓力與含缺陷管道測定的屈曲傳播壓力進(jìn)行對比，求出兩者之間的關(guān)系。

表3 不同缺陷下管道屈曲計(jì)算結(jié)果表

表4 屈曲傳播試驗(yàn)參數(shù)表

（4）以上每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，最終試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)的平均值，以排除偶然性因素的影響。

3 結(jié)論與展望

（1）DNV規(guī)范計(jì)算出的管道局部屈曲壓力與使用ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是一致的，兩者計(jì)算結(jié)果可以作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

（2）對于天津大學(xué)現(xiàn)有壓力艙，可選取25～30之間的管道進(jìn)行屈曲傳播試驗(yàn)，該徑厚比范圍內(nèi)管道局部屈曲壓力與屈曲傳播壓力既不會超出艙體承壓能力，也不會使加壓時(shí)間過長，同時(shí)測量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測定屈曲傳播壓力，該試驗(yàn)方案可以提高試驗(yàn)效率并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）屈曲傳播試驗(yàn)方案可以作為深海管道止屈器試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，對于止屈器試驗(yàn)，由于試件也要?dú)v經(jīng)局部屈曲與屈曲傳播過程，可以選取與該方案相同參數(shù)的管道和缺陷形式。

[1]Kyriakides S,TANetto.On the dynamics ofpropagatingbuckles in pipelines[J].International Journal ofSolids and Structures.2000，37：6843-6867.

[2]TANetto,Kyriakides S.Dynamics performance ofintegral buckle arrestors for offshore pipelines.Part I：Experiments[J].International Journal of Mechanical Sciences，2000，42：1405-1423.

[3]Rita GToscano，et al.Collapse arrestors for deepwater pipelines[J].computers and structures，2008，86：728-743.

Scheme Design for Deep Water Pipeline Buckling Propagation Experiment

BIAN Xue-hang,WU Hai-xin,YU Yang,YANG Yuan,Li Zhi-bo,SUN Gang
(Key Laboratory of Harbor and Offshore Engineering,School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

To supply the demand of buckling propagation research of the deepwater pipeline,based on experimental equipment of the deep water chamber of Tianjin University and the calculation of DNV standard and ANSYS numerical simulation,the scheme for deep water pipeline buckling propagation experiment is designed,which selects small diameter pipes which radius-thickness ratios are 25～30 with 1.5%ovality defect.The local buckling pressure and buckling propagation pressure can be measured by this experiment.The results can guide the research of the pipe buckling propagation theory and the design of the pipe arrestor experiment.

deepwater pipe;buckling propagation;buckle experiment

P751

B

1003-2029（2011）04-0093-04

2011-05-20

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51021004)；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金資助項(xiàng)目

卞雪航（1984-），男，博士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。Email：tjltbxh@163.com