張大朋，王少鵬，白 勇，李園英

1.浙江大學(xué)建工學(xué)院，浙江杭州 310058

2.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315211

3.勝利油田新能源開(kāi)發(fā)中心，山東東營(yíng) 257000

海洋柔性管道的管壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法采用傳統(tǒng)的焊接方式進(jìn)行連接，需要為其設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的接頭以保證柔性管的正常使用[1-2]。海洋柔性管道接頭設(shè)計(jì)通常與管道設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。

1 深水柔性管接頭設(shè)計(jì)

典型的非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管由多層結(jié)構(gòu)組成，典型的黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)型熱塑管由內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外護(hù)層三層粘合組成[3-8]。

1.1 非黏結(jié)性柔性管接頭設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)非黏結(jié)性柔性管接頭之前，首先應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并依據(jù)其管道結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸信息為接頭設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖1為φ6 in（1 in=25.4 mm） 非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管的軸向剖視圖，由11層結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。根據(jù)圖1柔性管的參數(shù)，通過(guò)結(jié)構(gòu)建模與設(shè)計(jì)修改，設(shè)計(jì)了如圖2所示接頭。

圖1 φ6 in非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管軸向剖面

圖2 非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)復(fù)合柔性管接頭

1.2 黏結(jié)性柔性管接頭設(shè)計(jì)

黏結(jié)性纖維增強(qiáng)熱塑管通常是由內(nèi)、外聚合層和中間復(fù)合材料增強(qiáng)層熱塑而成，這種管道所有結(jié)構(gòu)層之間是相互黏結(jié)的，此類(lèi)管道接頭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，圖3所示為φ6 in黏結(jié)性柔性管軸向剖面、圖4為其接頭。

圖3 φ6 in黏結(jié)性柔性管軸向剖面

圖4 典型φ6 in黏結(jié)性柔性管接頭

2 深水柔性管接頭有限元分析

2.1 非黏結(jié)性柔性管接頭有限元分析

非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管的管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用ABAQUS CAE建模難度較大，使用SolidWorks建模導(dǎo)入后模型會(huì)出現(xiàn)失真變形等問(wèn)題。為有效解決上述問(wèn)題而又不增加仿真計(jì)算所需設(shè)備配置和計(jì)算時(shí)間，本文將非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管的螺旋卷繞結(jié)構(gòu)的骨架層、S型互鎖卷繞結(jié)構(gòu)的耐壓鎧裝層以及雙層反向正交纏繞的抗拉鎧裝層這三層復(fù)雜的柔性管結(jié)構(gòu)層采用簡(jiǎn)單管狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬替代，在不影響分析結(jié)果的前提下進(jìn)行替代。

2.1.1 模型建立

圖5為非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管及其接頭構(gòu)成的整體有限元模型，模型的所有單元均采用實(shí)體單元，在受力集中以及需要詳細(xì)分析的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。

圖5 非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管接頭有限元分析模型

2.1.2 材料屬性

非黏結(jié)性柔性管接頭的金屬部件與管道各結(jié)構(gòu)層均為各向同性材料制成，接頭結(jié)構(gòu)均為不銹鋼或高強(qiáng)度低碳合金鋼，管道內(nèi)襯層與外護(hù)套層為高聚乙烯（HDPE），管道的骨架層采用高強(qiáng)度不銹鋼S316L，耐壓鎧裝層采用高強(qiáng)度低碳合金鋼S355JR，抗拉鎧裝層采用高強(qiáng)度低碳合金鋼，其材料特性如表1所示。

表1 各向同性材料特性

2.1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)于接頭與管道，均可以視為各向同性材料，一般選擇C3D8R六邊形實(shí)體單元。

2.1.4 載荷與邊界條件

深水柔性管接頭系統(tǒng)受到的載荷：內(nèi)部流體壓力為40 MPa；外部為海水壓力，假定該接頭布設(shè)水深為1 500 m，則外部海水壓力約為15 MPa；對(duì)于等效軸向張力，管道在動(dòng)態(tài)布設(shè)時(shí)，接頭連接處需要承受較大的軸向載荷，設(shè)等效軸向載荷為1 MPa，作用于接頭法蘭蓋板上。邊界條件為管道自由端固定，無(wú)位置偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1.5 分析步

深水非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管接頭有限元分析步分為兩步進(jìn)行，第一步先在端部施加5 000 kN的等效拉力，第二步施加內(nèi)外流體壓力。

2.1.6 分析結(jié)果

通過(guò)詳細(xì)的有限元分析計(jì)算獲得了非黏結(jié)性柔性管接頭的Von Mises應(yīng)力、接觸位移等。

2.1.6.1 非黏結(jié)性柔性管接頭的VonMises應(yīng)力分析

圖6為深水非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管接頭整體的Von Mises應(yīng)力分布和接頭剖面處的Von Mises應(yīng)力分布示意。

圖6 深水非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管Von Mises應(yīng)力分布

從圖6中可以看出，非黏結(jié)性柔性管接頭在受到設(shè)計(jì)載荷作用時(shí)的等效應(yīng)力極值為215.3 MPa，主要分布在非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管的骨架層與接頭本體連接處附近區(qū)域，呈環(huán)狀分布。這可能是該管道端部外側(cè)去除了其他管道層而接頭本體未能提供足夠保護(hù)造成的，這可以通過(guò)在接頭內(nèi)部空腔注入環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)體來(lái)減小此處的高應(yīng)力。在考慮安全系數(shù)1.25后此處的最大等效應(yīng)力為269.1 MPa，小于S355JR結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa，因此接頭系統(tǒng)在設(shè)計(jì)載荷條件下不會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象；在考慮安全系數(shù)1.65后的極限等效應(yīng)力為355 MPa，與S355JR結(jié)構(gòu)鋼的屈服應(yīng)力相當(dāng)，但一般情況下接頭不會(huì)在此工況下在位運(yùn)行。說(shuō)明在設(shè)計(jì)載荷條件作用下非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管接頭的各個(gè)零部件均不會(huì)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，即該類(lèi)型非黏結(jié)性金屬?gòu)?fù)合柔性管接頭設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖7為深水非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管的金屬接頭本體和本體內(nèi)部在極限設(shè)計(jì)載荷作用條件下的Von Mises應(yīng)力分布示意。

圖7 深水非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管接頭Von Mises應(yīng)力分布

圖7（a）顯示接頭本體上的Von Mises應(yīng)力分布均勻，呈軸對(duì)稱(chēng)狀分布。該接頭本體上的應(yīng)力極值出現(xiàn)在其與骨架層端部連接處，大小為106.5MPa，該區(qū)域是柔性管與接頭連接的結(jié)構(gòu)薄弱處，在考慮1.25的安全系數(shù)后該處最大等效應(yīng)力約為133.1MPa，小于S355JR結(jié)構(gòu)鋼的材料屈服應(yīng)力355 MPa。這表明接頭本體的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，滿(mǎn)足實(shí)際極限設(shè)計(jì)工況的工作需要。同時(shí)，由分析結(jié)果可知，骨架層端部作徑向水平切割后，應(yīng)當(dāng)對(duì)其端部進(jìn)行焊接，增強(qiáng)其端部的耐壓能力，插入接頭本體的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能大一些，最適合的插入長(zhǎng)度應(yīng)保持在DR/2～DR之間（DR為柔性管內(nèi)徑）。

2.1.6.2 非黏結(jié)性柔性管接頭的位移變化分析

圖8為接頭整體在設(shè)計(jì)載荷作用下的位移變化情況。從圖8（b）中可以看出，位移變化最明顯的是骨架層和耐壓鎧裝層與接頭連接處，這表明此處承受變形能力較弱。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，插入接頭本體內(nèi)部的部分位移量較小，缺少外部包覆層部分的位移量增大。因此，在耐壓鎧裝層插入末端至抗拉鎧裝層自由散開(kāi)根部的這一段耐壓鎧裝層外側(cè)，增加一個(gè)環(huán)狀金屬保護(hù)套與接頭本體安裝連接，在耐壓鎧裝層端部保護(hù)套與耐壓鎧裝層之間的縫隙內(nèi)注入環(huán)氧樹(shù)脂，可以增強(qiáng)此處承受內(nèi)部壓力的能力，以免此處發(fā)生連接失效。

圖8 接頭結(jié)構(gòu)位移量

2.2 深水黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)型熱塑管接頭有限元分析

一般情況下黏結(jié)性柔性管不直接進(jìn)行增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層機(jī)械固定，而是通過(guò)較大的管壁擠壓接觸摩擦進(jìn)行連接固定。在進(jìn)行整體分析時(shí)，柔性管接頭插管外壁與柔性管內(nèi)壁、接頭外殼內(nèi)壁與楔塊外壁之間的接觸均認(rèn)為是摩擦接觸，接頭外殼與接頭本體之間連接的螺紋定義為完全黏結(jié)。此分析模型選用直角坐標(biāo)系，柔性管的軸線(xiàn)方向與X軸方向一致，對(duì)于柔性管的復(fù)合材料增強(qiáng)層作為各向異性構(gòu)件在分析時(shí)選用柱狀坐標(biāo)系。

2.2.1 模型建立

黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)型熱塑管接頭分析模型見(jiàn)圖9。

圖9 黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)型熱塑管接頭分析模型

本文在進(jìn)行柔性管接頭有限元分析時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)ANSI法蘭處增加了一個(gè)法蘭端蓋并預(yù)期完全連接固定，對(duì)端蓋內(nèi)表面施加1 MPa等效張力來(lái)模擬接頭所受軸向拉力的影響。

2.2.2 材料屬性

2.2 藥粉拌種消毒：一般適用于干籽直播的種子處理，如十字花科的白菜、蘿卜、甘蘭、菜花、元蔥、大蔥等。藥粉用量一般為種子重量的0.1%～0.5%。用一個(gè)可以密封的罐子或瓶子，把用天平稱(chēng)好種子和藥粉倒入罐或瓶中，不能裝滿(mǎn)，封嚴(yán)蓋后，連續(xù)搖動(dòng)5分鐘以上，即可播種。

接頭的金屬零件和管道的內(nèi)、外層均為各向同性構(gòu)件，其中接頭本體、夾緊楔塊以及接頭外殼所選用的材料均為理想化的金屬材料，柔性管的內(nèi)襯層和外護(hù)層選用聚丙烯（PP），表2給出了各向同性材料的材料力學(xué)特性。柔性管的復(fù)合材料增強(qiáng)層由芳綸纖維材料和HDPE復(fù)合而成，屬于各向異性構(gòu)件，表3給出了其材料力學(xué)特性，其中各方向的泊松比v12=0.3，v23=0.58，v13=0.3。

表2 各向同性材料特性

表3 各向異性材料特性

2.2.3 網(wǎng)格劃分

在建立黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)熱塑管接頭有限元分析模型時(shí)，對(duì)于模型中的各向同性零部件選用C3D8R實(shí)體單元作為基本分析單元，對(duì)各向異性復(fù)合材料構(gòu)件選用SC8R連續(xù)殼單元作為基本分析單元，并在分析時(shí)進(jìn)行增強(qiáng)沙漏控制。

2.2.4 接觸面摩擦系數(shù)

在有限元分析時(shí)，接頭的插管外壁與非黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)熱塑管內(nèi)襯層內(nèi)壁之間、夾緊楔塊內(nèi)壁與非黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)熱塑管外襯層外壁之間、接頭外殼內(nèi)壁與夾緊楔塊外壁之間均存在著接觸摩擦，本文在進(jìn)行分析時(shí)設(shè)定的接觸摩擦系數(shù)分別為0.23、1.2和0.16。

2.2.5 載荷與邊界條件

本文在進(jìn)行有限元分析時(shí)假定的工況條件為水下1 500 m在位工況。盡管在黏結(jié)性柔性管接頭的外殼裝配時(shí)引起的預(yù)緊張力并不明顯，但是在分析時(shí)依然對(duì)接頭外殼施加了一個(gè)較小預(yù)緊張力，該預(yù)緊張力在接頭外殼的末端施加沿管道中心軸向接頭法蘭方向的力，大小為1 MPa，以此來(lái)引入預(yù)緊張力。內(nèi)部流體壓力載荷為極限工作內(nèi)壓載荷，作用于柔性管內(nèi)壁和接頭本體的內(nèi)壁；外部壓力載荷施加在柔性管接頭上所有與外界海水接觸處的區(qū)域。

在柔性管的自由端的橫截面施加一個(gè)對(duì)稱(chēng)邊界條件，表示柔性管無(wú)限長(zhǎng)。同時(shí)，在法蘭邊緣沿著接頭整體的X軸和Y軸施加對(duì)稱(chēng)約束。

對(duì)于黏結(jié)性柔性管接頭有限元分析，可以分為兩個(gè)分析步進(jìn)行，一是通過(guò)施加預(yù)緊張力使接頭裝配體在第一步時(shí)達(dá)到初始預(yù)張緊狀態(tài)；二是施加接頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)載荷，包括內(nèi)外壓和軸向張力載荷；這樣可以模擬更真實(shí)的工裝狀態(tài)，更加貼近實(shí)際。

2.2.7 分析結(jié)果

圖10為黏結(jié)性柔性管接頭整體的Von Mises應(yīng)力分布示意。從圖10可以看出，接頭在設(shè)計(jì)載荷條件下Von Mises應(yīng)力極值為301.3 MPa，該應(yīng)力極值主要分布于接頭插管的尖端區(qū)域。在考慮安全系數(shù)1.25后，該區(qū)域的最大等效應(yīng)力為376.6 MPa，較S355JR鋼的材料屈服強(qiáng)度355 MPa略大。這說(shuō)明，除了接頭插管的尖端部分區(qū)域會(huì)發(fā)生小量屈服之外，在受到極限設(shè)計(jì)載荷作用時(shí)該型黏結(jié)性柔性管接頭其他各部分結(jié)構(gòu)均不會(huì)發(fā)生材料屈服，即該新型黏結(jié)性復(fù)合材料增強(qiáng)熱塑管接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖10 接頭Von Mises應(yīng)力云圖

圖11為帶標(biāo)準(zhǔn)ANSI法蘭的接頭本體在受到極限設(shè)計(jì)載荷作用時(shí)的VonMises應(yīng)力分示意。

圖11 帶標(biāo)準(zhǔn)法蘭接頭插管內(nèi)部Von Mises應(yīng)力

從圖11中可以看出接頭插管的內(nèi)外壁上的Von Mises應(yīng)力分布均勻，沒(méi)有應(yīng)力突變和應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，這表明接頭插管與柔性管之間的摩擦接觸良好，并且二者之間應(yīng)力傳遞均勻。同時(shí)不難看出，該零件上的應(yīng)力極值出現(xiàn)在接頭插管的尖端，該部分區(qū)域結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，并會(huì)承受較大的極限內(nèi)壓載荷。在考慮1.25的安全系數(shù)后，該處的極限等效應(yīng)力為376.6 MPa，較S355JR鋼的材料屈服強(qiáng)度355MPa略大。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋河捎诮宇^插管的尖端區(qū)域在進(jìn)行有限元建模時(shí)為計(jì)算方便對(duì)尖端區(qū)域的倒角、圓角等特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，因此插管的尖角處受到較大內(nèi)壓載荷作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中。而在實(shí)際情況下，接頭插管尖端在設(shè)計(jì)和加工時(shí)會(huì)去除這些尖角特征，因此該處出現(xiàn)的應(yīng)力過(guò)大的情況與實(shí)際不符，可以認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)此種情況。另外，即使該區(qū)域出現(xiàn)VonMises應(yīng)力大于材料屈服應(yīng)力的現(xiàn)象，也不意味著該區(qū)域一旦受到極限載荷影響時(shí)就會(huì)立刻失效，此時(shí)該處的材料將進(jìn)入塑性應(yīng)變階段。不考慮接頭插管尖端部分區(qū)域Von Mises應(yīng)力過(guò)大的情況，接頭本體的主體部分以及插管的大部分區(qū)域的應(yīng)力完全符合要求，遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力。

圖12所示為均布對(duì)稱(chēng)夾緊楔塊在設(shè)計(jì)載荷條件下的Von Mises應(yīng)力分布。

圖12 楔塊的Von Mises應(yīng)力分布

從圖12（a） 可以看出夾緊楔塊上各部分的Von Mises應(yīng)力分布大致相同，無(wú)明顯差異；在夾緊楔塊的尖端區(qū)域的Von Mises應(yīng)力較楔塊中后段區(qū)域的稍大，這是由于接頭外殼與夾緊楔塊在接觸擠壓時(shí)前端受力較大引起的，符合面-面接觸時(shí)的Von Mises應(yīng)力分布規(guī)律。從圖12（b）可以看出在夾緊楔塊的尖端部分區(qū)域和楔塊外壁上的凹槽邊緣區(qū)域的Von Mises應(yīng)力較大，該區(qū)域的應(yīng)力極值為51.5 MPa，由于夾緊楔塊是接頭裝配體中的關(guān)鍵零部件，在考慮1.65的安全系數(shù)后該處的極限等效應(yīng)力為85.0 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S355JR鋼的材料屈服應(yīng)力355 MPa。由此可知，夾緊楔塊在受極限設(shè)計(jì)載荷作用下不會(huì)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。

圖13為黏結(jié)性纖維增強(qiáng)熱塑管接頭整體在受到極限設(shè)計(jì)載荷作用時(shí)接頭外殼的VonMises應(yīng)力分布。

從圖13中可以看出，接頭外殼的尖端區(qū)域內(nèi)表面的Von Mises應(yīng)力較大，應(yīng)力極值出現(xiàn)在接頭外殼與夾緊楔塊尖端接觸的區(qū)域，夾緊楔塊前端區(qū)域同樣也是Von Mises應(yīng)力最大的區(qū)域，因此可以認(rèn)為夾緊楔塊與接頭外殼之間的應(yīng)力傳遞正確。接頭外殼上的應(yīng)力極值為112.3 MPa，考慮1.25的安全系數(shù)后該處的最大等效應(yīng)力為140.2 MPa，小于S355JR鋼的材料屈服強(qiáng)度。由Von Mises準(zhǔn)則可知，接頭外殼滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖13 接頭外殼的Von Mises應(yīng)力分布

3 結(jié)論

（1）非黏結(jié)性柔性管接頭在受到設(shè)計(jì)載荷作用時(shí)的等效應(yīng)力主要分布在非黏結(jié)性金屬增強(qiáng)柔性管的骨架層與接頭本體連接處的附近區(qū)域，呈環(huán)狀分布。

（2）非黏結(jié)性柔性管接頭本體上的應(yīng)力極值出現(xiàn)在其與骨架層端部連接處，該區(qū)域是柔性管與接頭連接的結(jié)構(gòu)薄弱處；骨架層端部在徑向水平切割后，應(yīng)當(dāng)對(duì)其端部進(jìn)行焊接，增強(qiáng)其端部的耐壓能力，插入接頭本體的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能大一些，最適合的插入長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)保持在DR/2～DR之間（DR為柔性管內(nèi)徑）。

（3）對(duì)于非黏性柔性管接頭而言，在耐壓鎧裝層插入末端至抗拉鎧裝層自由散開(kāi)根部的這一段耐壓鎧裝層外側(cè)，增加一個(gè)環(huán)狀金屬保護(hù)套與接頭本體安裝連接，在耐壓鎧裝層端部保護(hù)套與耐壓鎧裝層之間的縫隙內(nèi)注入環(huán)氧樹(shù)脂，可以增強(qiáng)此處承受內(nèi)部壓力的能力。

（4）黏結(jié)性柔性管接頭的應(yīng)力極值主要分布于接頭插管的尖端區(qū)域，除接頭插管的尖端部分區(qū)域有可能會(huì)發(fā)生小量屈服。

（5）對(duì)于黏結(jié)性柔性管接頭而言，在加工工藝上，金屬部件的邊角、表面粗糙度應(yīng)充分考慮，必要之處須進(jìn)行倒角處理，銳角倒鈍處理。以便減輕因夾緊楔塊有小量滑移時(shí)而使其零件上的尖角對(duì)接頭外殼內(nèi)表面造成劃傷進(jìn)而影響裝配以及聚合物層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（6）在黏結(jié)性柔性管接頭設(shè)計(jì)原理改進(jìn)方面，夾緊楔塊的楔角設(shè)計(jì)是該型黏結(jié)性纖維增強(qiáng)柔性管接頭設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵。因此，為夾緊楔塊選取合適的楔角是非常重要的。黏結(jié)性柔性管接頭的夾緊楔塊內(nèi)表面上的夾緊齒應(yīng)保持結(jié)構(gòu)一致性且均勻分布，銳角倒鈍，盡可能避免對(duì)管道外層聚合物造成結(jié)構(gòu)性損傷。接頭外殼內(nèi)壁的表面粗糙度應(yīng)小于等于0.8，使其在與夾緊楔塊接觸時(shí)保證滑動(dòng)順暢且受力均勻。