李 德，楊光升，李明濤，王中山，王成斌

中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

海底管道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“海管”)混凝土配重層為海管提供負(fù)浮力，防止海管在海底失穩(wěn)，同時(shí)對(duì)海管起起機(jī)械保護(hù)作用。海管鋪設(shè)施工過(guò)程中受海管彎曲變形影響，混凝土配重層容易出現(xiàn)環(huán)向裂紋，主要表現(xiàn)為垂直于管軸方向局部出現(xiàn)不同深度和寬度的裂紋，嚴(yán)重時(shí)裂紋延伸至整圈管壁，造成混凝土配重從鋼管上脫落，導(dǎo)致配重失效，并可能導(dǎo)致海管底拖施工時(shí)防腐層刮擦海底而受損，對(duì)海管鋪設(shè)質(zhì)量及后期運(yùn)行帶來(lái)不利影響[1][2]。

本文以國(guó)外某在建海管項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目技術(shù)文件要求對(duì)海管進(jìn)行整管全尺寸軸向彎曲試驗(yàn)，以確定混凝土配重層不發(fā)生斷裂破壞的許用彎矩。項(xiàng)目所在國(guó)沒(méi)有廠家能提供大管徑(42")、高壁厚的混凝土覆壁管進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，需在全球范圍尋找合適資源進(jìn)行此試驗(yàn)，考慮到高昂的費(fèi)用和周期，參考DNV 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，計(jì)算該許用彎矩，并獲得業(yè)主批準(zhǔn)，節(jié)約了時(shí)間和成本。

2.海管物理模型

2.1.海管接頭

海管直徑42"，單根長(zhǎng)約12 m，混凝土配重層分三種不同厚度規(guī)格，分別為70 mm、80 mm、110 mm。海管接頭剖面示意圖如下圖1所示。

Figure 1.Offshore pipeline joint cross-section 圖1.海管接頭剖面圖

2.2.材料參數(shù)

海管鋼管、3PPL防腐層、混凝土配重的材料參數(shù)分別如表1、表2、表3所示。

Table 1.Steel pipe parameter 表1.鋼管參數(shù)[3][4][5]

Table 2.3PPL Anti-corrosion coating 表2.3PPL 防腐層參數(shù)[6][7]

Table 3.Concrete weight coating 表3.混凝土配重層參數(shù)[8][9]

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-RP-F105，混凝土楊氏模量與抗壓強(qiáng)度成以下關(guān)系：

其中：Eco為混凝土楊氏模量；σco為混凝土壓縮強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算，混凝土配重層楊氏模量為33.274 Gpa。

3.海管許用彎矩理論計(jì)算

參考標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-ST-F101，在不考慮其他因素的前提下，第一次發(fā)生混凝土壓裂時(shí)的平均過(guò)彎應(yīng)變?nèi)Q于管道剛度、混凝土配重層的強(qiáng)度和厚度、軸向力和防腐層抗剪強(qiáng)度。在不考慮其他因素的前提下，可假設(shè)混凝土破裂發(fā)生在混凝土中間層的應(yīng)變(在混凝土中間層受壓處)達(dá)到-0.2%時(shí)。根據(jù)線彈性理論，海管許用彎矩可由以下公式(1)計(jì)算：

其中：M為海管許用彎矩；EISTEEL為鋼的剛度值；EIACC為防腐層的剛度值；EICWC為混凝土配重層的剛度值；D為鋼管彎矩；tACC防腐層厚度；tCWC混凝土配重層厚度；εCWC混凝土中間面的許用應(yīng)變值。

根據(jù)表1、表2、表3中各參數(shù)值，分別計(jì)算三種不能壁厚混凝土配重層的許用彎矩值如下表4所示。

Table 4.Allowable bending moments based on liner elastic theory 表4.基于線彈性理論的許用彎矩計(jì)算

4.有限元建模及計(jì)算結(jié)果

4.1.有限元網(wǎng)格劃分及單元類(lèi)型選取

由于海管具有軸對(duì)稱(chēng)性，文中有限元分析采用軸對(duì)稱(chēng)模型，取管道的1/4建模。約束對(duì)稱(chēng)面的法向位移和旋轉(zhuǎn)位移。

鋼管采用二次殼單元，鋼和防腐涂層采用分層殼單元，混凝土配重層采用獨(dú)立殼單元，在90°扇形的圓周方向上布置10個(gè)節(jié)點(diǎn)，殼單元方向因子設(shè)置為2.0，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

Figure 2.FE mesh dividing 圖2.有限元網(wǎng)格劃分

4.2.材料物理性能參數(shù)(表5)

Table 5.Material properties表5.材料屬性

4.3.邊界條件

采用剛性單元在管接頭兩端施加彎矩，不考慮其他負(fù)載。根據(jù)DNV 標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-ST-F101，對(duì)于混凝土配重層厚度大于40 mm 的海管，當(dāng)海底管道混凝土配重中間層壓應(yīng)變達(dá)到-0.2%時(shí)混凝土配重層破裂。

3LPP防腐層與混凝土配重接觸假定為粘結(jié)，允許混凝土配重層切向脫粘，且忽略混凝土滑動(dòng)對(duì)海管彎矩變化的影響。脫粘參數(shù)如下表6所示。

Table 6.Debonding properties 表6.脫粘參數(shù)

模型分析考慮材料非線性和脫粘效應(yīng)。利用ANSYS進(jìn)行模擬仿真。求解參數(shù)如表7所示。

Table 7.FE solution parameter 表7.有限元求解參數(shù)

4.4.有限元模擬結(jié)果與分析

Table 8.Allowable bending momentsbased on non-linear FEsimulations表8.基于非線性有限元模擬的許用彎矩

基于非線性有限元模擬的許用彎矩計(jì)算結(jié)果如上表8所示，結(jié)合表4中線彈性理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，知非線性有限元分析模擬計(jì)算的許用彎矩值低于線彈性理論計(jì)算的許用彎矩。許用彎矩應(yīng)取兩者中的小者,故海管許用彎矩如表8中所示。

5.結(jié)論及建議

結(jié)論：

本文基于混凝土配重層不發(fā)生壓裂時(shí)的最大應(yīng)變值這一邊界條件建立有限元模型，分析了三種不同壁厚的混凝土配重海管的許用彎矩，為海管施工中海管許用彎矩的參考依據(jù)。

建議：

施工中建議根據(jù)實(shí)際水深實(shí)時(shí)監(jiān)控海管鋪設(shè)張力，及時(shí)調(diào)整托管架的角度，增大鋪管的半徑，必要時(shí)增加浮筒等設(shè)施，減少鋪管的彎曲度，避免應(yīng)力集中，對(duì)海管彎曲狀態(tài)和實(shí)時(shí)彎矩值進(jìn)行監(jiān)控，防止海管混凝土配重層產(chǎn)生裂紋甚至脫落。