曹先凡，曹文冉，趙開龍，徐爽，劉振紋

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300456；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300456)

深水高強(qiáng)厚壁海底管道抗壓潰能力評(píng)估方法研究

曹先凡1,2，曹文冉1,2，趙開龍1,2，徐爽1,2，劉振紋1,2

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300456；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300456)

深水海底管道一般采用高強(qiáng)鋼厚壁管來(lái)克服其承受的靜水壓力，基于高壓艙評(píng)估其抗壓潰能力是一個(gè)重要的手段。由于試件兩端采用加強(qiáng)板固定，改變了服役環(huán)境下管道的邊界條件，因此需要分析剛性邊界對(duì)其抗壓潰能力的影響。采用數(shù)值模擬方法給出管道服役和試驗(yàn)環(huán)境下的抗壓潰能力，通過(guò)兩者的比值，定量給出剛性邊界的影響。結(jié)合高壓艙測(cè)試數(shù)據(jù)，形成了一套高強(qiáng)厚壁管道抗壓潰能力的評(píng)估方法，可以評(píng)價(jià)管道的抗壓潰能力。

數(shù)值模擬 高壓艙 高強(qiáng)厚壁管道 抗壓潰能力 邊界效應(yīng)

0 引 言

自從1954年Brown&Root公司在美國(guó)墨西哥灣鋪設(shè)第一條海底管線以來(lái)，世界各國(guó)鋪設(shè)的海底管線總長(zhǎng)度已達(dá)十幾萬(wàn)公里，鋪設(shè)深度已至上千米。隨著我國(guó)南海油氣開發(fā)的迅速升溫，將來(lái)對(duì)海底管道的需求量將會(huì)大增。由于南海平均水深在1,000,m以上，因此，研究深水抗高壓的高強(qiáng)厚壁海底管道的抗壓潰能力具有重要意義。雖然規(guī)范給出了海底管道的壓潰校核方法，但靜水壓潰受到材料屬性、建造工藝、幾何參數(shù)、載荷狀態(tài)[1-5]等多種因素的影響，采用試驗(yàn)評(píng)估其抗壓潰能力是一個(gè)重要手段。文中聯(lián)合數(shù)值模擬和高壓艙試驗(yàn)技術(shù)建立了一套深水高強(qiáng)厚壁管道抗壓潰能力的評(píng)估方法，可以用于評(píng)估海底管道的抗壓潰能力。

1 試件抗壓潰能力的高壓艙試驗(yàn)檢測(cè)

以下給出了試驗(yàn)所用試件、設(shè)備、流程和試驗(yàn)結(jié)果。

1.1 試件參數(shù)

試件的參數(shù)如表1所示，其端部為加強(qiáng)板(見(jiàn)圖1)。

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameter of Specimen

圖1 試件Fig.1 Specimen

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和流程

1.2.1 高壓艙

采用了1030高壓艙，其內(nèi)徑為1,000,mm，有試實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度為2,000,mm，最大工作壓強(qiáng)為30,MPa，如圖2所示。

圖2 高壓艙設(shè)備Fig.2 Hyperbaric chamber

1.2.2 圓度儀

為了考慮橢圓度的影響，采用圓度儀對(duì)模型進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。

圖3 橢圓度測(cè)量Fig.3 Ovality measurement

1.2.3 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

利用TST3826靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖4所示。

圖4 應(yīng)變采集系統(tǒng)Fig.4 Collection system of strain data

1.2.4 試驗(yàn)流程

整個(gè)模型試驗(yàn)按照?qǐng)D5所示的框架進(jìn)行，利用高壓水泵將水注入蓄壓器，由蓄壓器向筒內(nèi)注水加壓，試驗(yàn)過(guò)程中使用水下攝像系統(tǒng)對(duì)模型在高壓下的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用壓力傳感器和壓力表進(jìn)行試驗(yàn)壓力測(cè)量，通過(guò)電腦屏幕顯示，如圖6所示。

圖5 高壓艙試驗(yàn)框架圖Fig.5 Process diagram of hyperbaric chamber

圖6 高壓艙視頻和壓力數(shù)據(jù)顯示Fig.6 Video and pressure data

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程加載至30 MPa時(shí)，試件無(wú)凹陷、破損，可見(jiàn)試件能夠承受30 MPa壓強(qiáng)。

2 數(shù)值模擬分析邊界影響

以下通過(guò)數(shù)值模擬方法分析了試驗(yàn)和服役環(huán)境下管道的抗壓潰能力，通過(guò)兩者的比較定量給出了邊界的影響。

2.1 試樣抗壓潰能力的數(shù)值模擬分析

圖7 數(shù)值模型Fig.7 Numerical model

根據(jù)試樣參數(shù)，采用ABAQUS軟件[6]建立數(shù)值模型(見(jiàn)圖7)?；诨￠L(zhǎng)法(RIKS)分析了試樣的壓潰過(guò)程和載荷的變化情況，(見(jiàn)圖8、9)。由圖9可以得到試樣的極限抗壓潰能力：1P=57.3 MPa。

圖8 試樣壓潰過(guò)程示意圖Fig.8 Schematic diagram of buckling prosess

圖9 載荷-時(shí)間歷程Fig.9 Load-time history

2.2 試樣所對(duì)應(yīng)管道的抗壓潰能力

為了研究剛性邊界對(duì)試樣抗壓潰能力的影響，加大了模型的長(zhǎng)度。根據(jù)數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)模型長(zhǎng)度為管道直徑的20倍，可以忽略剛性邊界的影響。此時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖10，試樣的極限抗壓潰能力2P= 48 MPa。

圖10 模型壓潰示意圖及載荷-時(shí)間歷程Fig.10Schematic diagram of buckling prosess and loadtime history

2.3 邊界效應(yīng)評(píng)估

通過(guò)兩組的極限抗壓潰能力的比較可以看出，試樣剛性邊界使其壓潰臨界值增大，定義剛性邊界放大系數(shù)η 如下：

η＝P1/P2＝57.3/48＝1.2

3 管道抗壓潰能力評(píng)估

試驗(yàn)所加壓強(qiáng)3P=30,MPa時(shí)，試件沒(méi)有壓潰破壞，可以推導(dǎo)出該管道的抗壓潰能力如下：

P0＞P3/η＝30/1.2＝25 MPa

4 結(jié) 論

本文基于數(shù)值模擬方法分析了剛性邊界對(duì)高強(qiáng)厚壁海底管道抗壓潰能力的影響，聯(lián)合高壓艙物理模型試驗(yàn)建立了一套高強(qiáng)厚壁管道的抗壓潰能力評(píng)估方法，可以用于深水海底管道抗壓潰能力的評(píng)估。■

［1］ Timoshenko S P，Gere J M. Theory of Elastic Stability[M]. New York：MeGraw-Hill，1961.

［2］ Corona E， Kyriakides S. On the collapse of inelastic tubes under combined bending and pressure[J]. International Journal of Solids and Structures，1988，24(5)：505-535.

［3］ Sakakibara N，Kyriakides S，Corona E. Collapse of partially corroded or worn pipe under external pressure[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2008，50(12)：1586-1597.

［4］ Nobuhisa S，Ryuji M，Alan G，et al. Local buckling behavior of X100 linepipes[C]. ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(OMAE2003). Cancun，Mexico，2003(3)：67-76.

［5］ 陳鐵云，沈惠申. 結(jié)構(gòu)的屈曲[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1993.

［6］ ABAQUA，Inc. ABAQUS Version 6.9 Documentation[Z].

Evaluation Research on Buckling of Deepwater High-strength Pipeline with Small Radius-thickness Ratio

CAO Xianfan1,2，CAO Wenran1,2，ZHAO Kailong1,2，XU Shuang1,2，LIU Zhenwen1,2
(1. Research Institute of Engineering Technology，CNPC，Tianjin 300456，China；2. Key Laboratory of Offshore Engineering，CNPC，Tianjin 300456，China)

The deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio is usually used to overcome the hydrostatic pressure and its buckling evaluation can be achieved base on the hyperbaric chamber experiment. There is a great difference between the specimen in laboratory and the pipeline in the service for the specimen is fixed by use of rigid plate. It is necessary to analyze this influence caused by the rigid boundary condition. The ratio of buckling bearing capability of the specimen in laboratory and the pipeline in the service was calculated by numerical simulation method，which can evaluate the influence of the rigid boundary condition. Based on the ratio and the buckling bearing capability obtained from specimen，the buckling bearing capability of online pipeline can be achieved. The method has been used to evaluate the buckling bearing capability of deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio.

numerical simulation；hyperbaric chamber；high-strength pipeline with small radius-thickness ratio；buckling bearing capability；affection of boundary condition

TE973

：A

：1006-8945(2016)10-0142-04

2016-09-11