章仲怡

（中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300450）

柔性管由于較低的彎曲剛度和較高的體積剛度可以承受較大的彎曲變形而不會(huì)影響軸向強(qiáng)度和壓力完整性。因此，柔性管廣泛用于海上石油和天然氣行業(yè)[1]，作為海上平臺(tái)的連接件提供了和海底設(shè)施之間的永久連接。然而，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了極限強(qiáng)度和疲勞損傷的評(píng)估難度。

海洋環(huán)境和操作壓力變化對(duì)柔性管的疲勞性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。柔性管內(nèi)部層的運(yùn)行及相互作用非常復(fù)雜，其應(yīng)力及其變化幅值的準(zhǔn)確計(jì)算取決于柔性管的整體水動(dòng)力載荷分析及危險(xiǎn)點(diǎn)的確定。本文用于疲勞計(jì)算的水動(dòng)力載荷譜分析涉及2個(gè)步驟：①環(huán)境載荷數(shù)據(jù)的收集和載荷情況的定義，從波浪圖中選擇用于全局分析的環(huán)境荷載情況；②建立OrcaFlex的水動(dòng)力分析模型，對(duì)柔性管道進(jìn)行全局時(shí)域分析，生成沿柔性管的軸向力和力矩的時(shí)程曲線(xiàn)。北部灣某平臺(tái)采用的柔性管（外徑168.33 mm，壁厚15.90 mm）被用于平臺(tái)底部連接海管的彎曲連接處，柔性管的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中每層的形狀及力學(xué)性能都有所區(qū)別。

圖1 柔性管的橫截面結(jié)構(gòu)

1 平臺(tái)海域海況分析

在柔性管的水動(dòng)力分析中有規(guī)則波浪法和不規(guī)則波浪法?；谝?guī)則波浪法的柔性管載荷分析通常導(dǎo)致保守的結(jié)果。不規(guī)則波浪法分析更能代表現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，降低疲勞壽命評(píng)估中的保守度，從而產(chǎn)生更真實(shí)的結(jié)果，更具實(shí)際的價(jià)值。

1.1 平臺(tái)所在海域的風(fēng)浪流整體數(shù)據(jù)

平臺(tái)位于潿洲島西南31 km 處，水深30.3 m。根據(jù)該海域統(tǒng)計(jì)的8 個(gè)方向波浪載荷分布概率表，得到波浪散布分塊表如表1 所示。表1 中，T為波浪周期，s；H為波高，m，表1 中的數(shù)值表示該波浪組合的統(tǒng)計(jì)占比。

表1 波浪散布分塊表 %

環(huán)境參數(shù)通常使用散點(diǎn)圖以單獨(dú)的方式描述，可以從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量活動(dòng)中獲得局部波的散點(diǎn)圖并建立類(lèi)似的波浪散布分塊表。為了從波浪、風(fēng)和海流的獨(dú)立散射圖中獲得疲勞分析的典型海況，必須選擇一種結(jié)合環(huán)境載荷的方法。定義海況的一種可行方法是從波浪散布分塊表中選擇高占比的典型波浪，并將其與一年一遇的極端海況結(jié)合起來(lái)。

1.2 計(jì)算海況選取

單一海況的占比為ηi，所有海況的占比為η總=∑ηi=100%。為精簡(jiǎn)計(jì)算工況，從海域的海浪統(tǒng)計(jì)中篩選出24 個(gè)占比較大的典型海況?，F(xiàn)假定24 種海況的總比例為100%，對(duì)原海況占比進(jìn)行等比例縮放，即各海況占比為ηi′，ηi′ =ηi/（η總/100%）。以北（N）、東北（NE）、東（E）、東南（SE）幾個(gè)占比較大的方向?yàn)槔{(diào)整后的波浪工況占比如表2所示。

表2 波浪工況占比

2 柔性管總體水動(dòng)力分析

2.1 柔性管布置情況

由于某平臺(tái)的大位移，柔性管的疲勞計(jì)算與規(guī)范檢查不匹配。柔性管接頭、錨固件、法蘭位置的計(jì)算疲勞極限較小。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)估和各種方案的比較，決定在底部彎頭和四通處使用柔性管代替鋼管，以抵消平臺(tái)大位移造成的不利影響。柔性管布置示意圖如圖2所示，其柔性管的垂直高度為6 m，并使用彎曲限制器加以節(jié)制其彎曲程度，其中EL表示其水平位置（以水面為0位置）。

圖2 柔性管布置示意圖

2.2 OrcaFlex柔性管模型

參照海管路由位置，利用OrcaFlex軟件建立柔性管模型。采用LINE單元，模擬海洋深度為36 m，鋼管彎曲剛度及拉伸剛度可以查閱文獻(xiàn)選擇，但柔性管彎曲等效剛度及拉伸等效剛度一般取決于管材試驗(yàn)，如無(wú)試驗(yàn)，則可通過(guò)Abaqus 有限元模擬得到，具體數(shù)值在下節(jié)的參數(shù)設(shè)置。將表2 中的風(fēng)浪流載荷參數(shù)輸入至模型中，設(shè)定好邊界條件后，進(jìn)行水動(dòng)力分析可得到柔性立管所受載荷的時(shí)間變化曲線(xiàn)。建立分析模型，其上部的船形部件用來(lái)固定鋼制立管并定義平臺(tái)的橫向位移數(shù)值，以此模擬平臺(tái)位移與海洋載荷對(duì)柔性管的耦合作用。

2.3 參數(shù)設(shè)置

OrcaFlex 模型為管串，包括鋼管、柔性管、彎曲限制器及沙包。其中鋼管和柔性管的內(nèi)、外徑為0.136 5 m 和0.273 1 m。柔性管的等效軸向剛度150 kN/m，沙包質(zhì)量1.0 t，體積0.2 m3。彎曲限制器內(nèi)、外徑為0.24 m和0.5 m，每1 m彎曲限制器質(zhì)量為0.3 t，抗彎剛度120 kN·m2，軸剛度700×103kN，扭轉(zhuǎn)剛度80 kN·m2。附加質(zhì)量系數(shù)1.0，阻力系數(shù)1.2，海床摩擦因數(shù)0.5。流速表層1.12 m/s、中層0.88 m/s、底層0.63 m/s。波浪方向?yàn)?0°，采用不規(guī)則波浪譜（JONSWAP譜），設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，模擬時(shí)間為10 800 s。依據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，選取平臺(tái)位移及運(yùn)動(dòng)周期，以強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的方式施加在平臺(tái)頂部，平臺(tái)上部位移幅值為0.1 m，運(yùn)動(dòng)周期為5.7 s。

2.4 動(dòng)態(tài)時(shí)域分析結(jié)果

柔性管的內(nèi)外壓在一般的操作和生產(chǎn)中波動(dòng)較小[2]，但柔性管由于海洋載荷和自身的重力會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)較大的軸向拉伸載荷。柔性管抗拉鎧裝層一般固定在接頭內(nèi)部的錐體上，在接頭連接處的抗拉鎧裝一般承受最大的拉伸載荷，其顯著影響彈性體的疲勞壽命。

軸向力隨柔性管長(zhǎng)度變化圖如圖3所示，軸向力在靠近平臺(tái)上接頭最大，在接頭連接處的抗拉鎧裝線(xiàn)承受最大的拉伸載荷，在此提取彎矩和軸向力載荷時(shí)程曲線(xiàn)。按照不同工況的波浪和概率，根據(jù)所選的波浪工況的周期，將整體時(shí)間劃分為100 s，按照不同工況下的載荷譜占比，分別提取不同概率對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的載荷時(shí)程曲線(xiàn)，整合得到整體時(shí)長(zhǎng)為100 s 的彎矩載荷和軸向力載荷譜，計(jì)算其彎矩的數(shù)據(jù)平均值為17 kN·m，拉伸力數(shù)據(jù)平均值為23 kN。

圖3 軸向力隨柔性管長(zhǎng)度變化圖

按照OrcaFlex計(jì)算得到荷載時(shí)程曲線(xiàn)，總時(shí)長(zhǎng)為100 s對(duì)應(yīng)的不同幅值下的循環(huán)次數(shù)，彎矩載荷時(shí)域曲線(xiàn)圖和軸向力載荷時(shí)域曲線(xiàn)圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 彎矩載荷時(shí)域曲線(xiàn)圖

圖5 軸向力載荷時(shí)域曲線(xiàn)圖

依據(jù)荷載幅值和平均應(yīng)力帶入柔性管應(yīng)力計(jì)算公式，得到各應(yīng)力的變化幅值與對(duì)應(yīng)的次數(shù)。已知5.5 次循環(huán)形成半個(gè)周期，則通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖的載荷數(shù)據(jù)，得到彎矩幅值-周期數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖6 所示，拉力幅值-周期數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖6 彎矩幅值-周期數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖7 拉力幅值-周期數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在某平臺(tái)立管段的設(shè)計(jì)中，采用一段柔性管替代鋼管的方案，用以減緩由于平臺(tái)位移過(guò)大造成的立管疲勞損傷。采用OrcaFlex 軟件對(duì)立管模型進(jìn)行了整體水動(dòng)力載荷計(jì)算分析，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)處的彎矩和拉伸力進(jìn)行了總結(jié)分析，分析結(jié)果可以用于柔性管的疲勞損傷評(píng)估，從而進(jìn)一步評(píng)估危險(xiǎn)點(diǎn)處的疲勞壽命。