孫國民，王 波，余志兵，趙 黨

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

海底管道作為海上油氣流輸送的主要手段之一，是海洋油氣開發(fā)工程的重要組成部分。根據(jù)橫截面結(jié)構(gòu)形式的不同，海底管道可分為單層海底管道和雙層海底管道兩種類型。雙層海底管道在安全性、可靠性和保溫性等方面均優(yōu)于單層海底管道，隨之而來的缺點是成本較高，主要體現(xiàn)在材料費和海上施工費等方面。目前，雙層海底管道在我國海上油氣田開發(fā)中的應(yīng)用更廣泛。

錨固件是雙層海底管道特有的結(jié)構(gòu)件，用以將內(nèi)管和外管進(jìn)行剛性連接，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的分隔密封和單/雙層海底管道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。在雙層海底管道系統(tǒng)的設(shè)計過程中，錨固件的設(shè)計分析是重要的一環(huán)，須避免因錨固件破壞導(dǎo)致海底管道系統(tǒng)發(fā)生事故，如油氣泄漏引起的海洋環(huán)境污染等。

1 錨固件及其設(shè)計

錨固件根據(jù)用途不同可分為Ⅰ型錨固件和Ⅱ型錨固件兩類，如圖1所示。其中：Ⅱ型錨固件用于雙層海底管道端部，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)密封和單/雙層海底管道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；Ⅰ型錨固件用于雙層海底管道上除端部以外的其他位置，起到結(jié)構(gòu)分隔密封的作用。

圖1 錨固件結(jié)構(gòu)形式

海底管道規(guī)范DNV GL-ST-F101要求按照ASME Ⅷ Division 2、EN 13445、PD 5500或 API 6A其中之一進(jìn)行錨固件設(shè)計分析[1]。目前，行業(yè)內(nèi)常用的錨固件設(shè)計分析方法是彈性應(yīng)力法。該方法除存在一些固有的局限性[2]外，在應(yīng)力分類和結(jié)果后處理時在應(yīng)力線性化位置和路徑選擇等方面通常面臨一些困難，需要較高的技巧和經(jīng)驗。為避免上述問題，介紹一種彈塑性應(yīng)力法進(jìn)行海底管道錨固件設(shè)計分析。

2 ASME Ⅷ基于分析要求的設(shè)計方法

ASME Ⅷ Division 2介紹2種壓力容器設(shè)計方法[2]，分別是基于規(guī)范要求的設(shè)計方法和基于分析要求的設(shè)計方法。海底管道錨固件屬于壓力容器，可按后一種設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計分析。

基于分析要求的設(shè)計方法指出所設(shè)計的壓力容器需進(jìn)行4種失效形式評估，分別為塑性壓潰失效、局部失效、屈曲失效和循環(huán)載荷失效。

(1)塑性壓潰失效。指壓力容器在外部載荷作用下引起的總體塑性變形破壞。有3種可選的分析方法，即彈性應(yīng)力分析法、有限載荷法和彈塑性應(yīng)力分析法，如表1所示。彈性應(yīng)力分析法的缺點如下：對于幾何形狀或載荷狀態(tài)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生模棱兩可的結(jié)果；對于厚壁結(jié)構(gòu)(半徑壁厚比小于等于4)，尤其是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，也可能產(chǎn)生不保守的結(jié)果。有限載荷法的使用也存在一些局限性。相比之下，彈塑性應(yīng)力分析法更精確。

表1 3種分析方法比較

(2)局部失效。指壓力容器在外部載荷作用下引起的局部斷裂破壞。有彈性分析法和彈塑性分析法兩種分析方法。彈性分析法是一種近似的局部失效評估方法，彈塑性分析法則更精確。

彈性分析法接受準(zhǔn)則為

σ1+σ2+σ3≤4S

(1)

式中：σ1、σ2和σ3為主應(yīng)力；S為設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。

彈塑性分析法接受準(zhǔn)則為

εpeq+εcf≤εL

(2)

式中：εpeq為總等效塑性應(yīng)變；εcf為成形應(yīng)變；εL為三軸應(yīng)變限值。εL的計算式為

(3)

式中：εLu為單軸應(yīng)變限值；αsl為多軸應(yīng)變限值；m2為應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合指數(shù)；σe為von Mises等效應(yīng)力。

(3)屈曲失效。指壓力容器在外部載荷引起的壓縮應(yīng)力作用下的崩塌破壞。屈曲失效分析需要根據(jù)不同的分析方法，如不考慮幾何非線性的彈性應(yīng)力分析法、考慮幾何非線性的彈塑性應(yīng)力分析法和考慮缺陷的彈塑性應(yīng)力分析法，選取不同的設(shè)計系數(shù)φB。同時，還需要根據(jù)壓力容器形式確定能力縮減系數(shù)βcr。

(4)循環(huán)載荷失效。指壓力容器在循環(huán)載荷作用下發(fā)生的疲勞破壞。在循環(huán)載荷失效分析前需要根據(jù)壓力容器的受力狀態(tài)進(jìn)行篩查以確定是否有必要進(jìn)行疲勞分析。若確需開展疲勞分析，則需要選擇合適的疲勞壽命曲線，選擇彈性應(yīng)力分析-等效應(yīng)力法或彈塑性應(yīng)力分析-等效應(yīng)變法進(jìn)行疲勞評估。

3 分析算例及討論

以東海某油田Ⅱ型海底管道錨固件為例，采用基于分析要求設(shè)計方法中的彈塑性應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計分析。該項目海底管道內(nèi)管直徑為273.1 mm，壁厚為14.3 mm，外管直徑為406.4 mm，壁厚為14.3 mm，材質(zhì)等級為API 5L PSL2 X65，材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Ramberg-Osgood模型。其他設(shè)計參數(shù)如表2和表3所示。

表2 錨固件材料屬性

表3 錨固件工藝設(shè)計參數(shù)

ASME Ⅷ Division 2基于分析要求的分析方法將載荷分為設(shè)計壓力載荷、靜載荷、動載荷和地震載荷等9類。結(jié)合海底管道錨固件所受載荷的類型和特點，可確定載荷工況組合如表4所示。

表4 錨固件設(shè)計載荷工況組合

算例未進(jìn)行循環(huán)載荷失效校核，因為海底管道在設(shè)計壽命內(nèi)的啟動關(guān)停循環(huán)次數(shù)通常僅為幾十次至上百次，即載荷循環(huán)次數(shù)較少，依據(jù)疲勞分析篩查準(zhǔn)則，不會引起錨固件的疲勞失效問題。另外，在塑性壓潰失效評估中，項目的服役準(zhǔn)則由用戶自定義為端部橢圓度變化不超過0.5%，內(nèi)外端部相對位移不超過1%。

以正常運行工況下的分析結(jié)果為例，該Ⅱ型錨固件在相應(yīng)載荷組合作用下：

(1)①結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定，如圖2所示，滿足總體準(zhǔn)則。②端部橢圓度變化由小到大依次為0.003‰、0.025‰和0.036‰，分別發(fā)生在雙層側(cè)外管連接端、雙層側(cè)內(nèi)管連接端、單層管連接端，均小于0.5%的接受標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)外端部最大相對位移為0.47%，小于1%的接受標(biāo)準(zhǔn)，滿足服役準(zhǔn)則。

圖2 錨固件應(yīng)力云圖

(2)未發(fā)生崩塌變形破壞，滿足屈曲失效接受準(zhǔn)則。

(3)總等效塑性應(yīng)變εpeq最大值約0.35%，成形應(yīng)變εcf可取0(錨固件在加工過程中采用熱處理工藝)，兩者之和(即累計塑性應(yīng)變)小于三軸應(yīng)變接受標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示，滿足局部失效接受準(zhǔn)則。

圖3 應(yīng)變分析結(jié)果

綜上所述，該錨固件滿足ASME Ⅷ基于分析要求的塑性壓潰失效、屈曲失效和局部失效要求，分析過程清晰明確。

若項目采用彈性應(yīng)力分析法進(jìn)行錨固件設(shè)計分析，則不可避免地存在如下問題：

(1)該錨固件半徑壁厚比的最大值約2.51，小于4，屬于厚壁結(jié)構(gòu)。根據(jù)規(guī)范提示，彈性應(yīng)力分析法的分析結(jié)果，尤其是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，往往也是應(yīng)力最大最危險的區(qū)域，可能產(chǎn)生不保守的結(jié)果，存在一定風(fēng)險。

(2)彈性應(yīng)力分析法在進(jìn)行應(yīng)力線性化時存在困難。①應(yīng)力線性化的位置與接受準(zhǔn)則緊密相關(guān)，但關(guān)于線性化的位置一般只有定性描述而沒有定量要求，因此難以確定應(yīng)力線性化的精確位置，無法與接受準(zhǔn)則準(zhǔn)確匹配；②為獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)力線性化路徑需要同時滿足多項與應(yīng)力分布、壁厚中心線和內(nèi)外壁表面等有關(guān)的要求。在實際執(zhí)行中往往難以同時滿足這些要求，對結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。

4 結(jié) 論

介紹一種基于ASME Ⅷ分析要求的海底管道錨固件彈塑性應(yīng)力設(shè)計分析法，展示其在某實際項目中的應(yīng)用。算例表明，彈塑性應(yīng)力法克服彈性應(yīng)力法一些固有的缺點，不僅分析結(jié)果更精確，而且使用便捷、易于推廣。