灌漿卡箍力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究

穆 頃，王毅堅(jiān)，張 波

(1．中海油能源發(fā)展股份有限公司裝備技術(shù)分公司，天津 塘沽300452;2．吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林132022;3．哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著海洋石油天然氣資源的開發(fā)技術(shù)不斷發(fā)展，海洋平臺結(jié)構(gòu)在其形式和功能上日益復(fù)雜化．由于海上環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)安全要求的增強(qiáng)，現(xiàn)代海洋平臺結(jié)構(gòu)的質(zhì)量日益受到重視．海洋平臺結(jié)構(gòu)具有框架龐大、形式復(fù)雜、造價(jià)昂貴、環(huán)境復(fù)雜和惡劣等特點(diǎn)［1］．在極其復(fù)雜和惡劣的環(huán)境條件中，導(dǎo)致海洋平臺結(jié)構(gòu)受損的危險(xiǎn)性因素包括:地基沖刷、物體掉落、船體碰撞、海水的日益腐蝕、海洋生物的附著、材料老化以及安裝過程中的誤操作等［2］．由于此類原因造成的海洋平臺結(jié)構(gòu)局部受損會降低整個海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性，從而影響正常的油氣資源開發(fā)．海洋平臺作為海洋油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，提高其安全性及可靠性至關(guān)重要．本文將圍繞灌漿卡箍加固裝置進(jìn)行力學(xué)分析及實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證灌漿卡箍對海洋平臺結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)及加固．

1 卡箍加固裝置屈曲理論分析

1.1 灌漿卡箍加固裝置在均勻軸壓作用下的屈曲

假設(shè)管道承受均布軸壓作用，管道在均布軸壓作用下的屈曲變形如圖1所示．管道在均勻軸壓作用下的屈曲臨界值可利用Karman-Donnel非線性屈曲方程進(jìn)行求解，Karman-Donnel方程是1934年Donnel在 Karman板大撓度理論［3］中引入關(guān)于薄殼結(jié)構(gòu)簡化的假設(shè)，得到了簡化的薄壁殼體的平衡方程，從而稱之為Karman-Donnel大撓度平衡方程:

根據(jù)式(1)，經(jīng)推導(dǎo)得管道在均勻軸壓作用下的臨界壓力為

式中:t為管道壁厚，mm;D為管道直徑，mm;μ為泊松比;E為彈性模量，MPa

圖1 均勻軸壓作用下管道對稱屈曲示意圖

利用復(fù)合層等效理論，將安裝卡箍的管道等效為三個勻質(zhì)層［4］，通過均勻軸壓作用下管道的屈曲臨界壓力的求解公式推導(dǎo)如下式

式中:D0為平均直徑，mm

為描述灌漿卡箍對管道的加固效果，選取一系列數(shù)據(jù)，通過式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算與數(shù)據(jù)擬合，對比管道在安裝灌漿卡箍前后的臨界壓力關(guān)系．

表1 管道卡箍尺寸表

將表1中數(shù)據(jù)分別代入式(2)和式(3)，得到未安裝卡箍的管道在均勻軸壓作用下的臨界屈曲壓力和安裝卡箍之后管道在均勻軸壓作用下的臨界屈曲壓力，如表2所示．

表2 卡箍安裝前后臨界壓力值

根據(jù)表2進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，對比管道安裝卡箍前后均勻軸壓作用下屈曲臨界壓力與管道徑厚比的關(guān)系，關(guān)系曲線如圖2所示．

從圖中可以看出，卡箍安裝之后，管道的屈曲臨界壓力與未安裝卡箍的管道相比，明顯的增加了．管道在均勻軸壓作用下的臨界屈曲壓力增大，表明其抵抗外界破壞的能力提高了．由此可見，灌漿卡箍不僅對管道起到良好的維修效果，還對管道有著明顯的加固效果．當(dāng)同樣大小壓力使管道發(fā)生屈曲破壞時，對安裝有卡箍的管道卻不能產(chǎn)生屈曲破壞．從圖中還可看出徑厚比越大，卡箍安裝前后臨界壓力差值越大．隨著徑厚比的增大，臨界壓力差值逐漸成一個水平范圍內(nèi)．

圖2 卡箍安裝前后屈曲臨界壓力與徑厚比關(guān)系

1.2 管件在均勻軸壓作用下基于ANSYS的屈曲分析

管件在均勻軸壓作用下的屈曲有限元分析可以更進(jìn)一步驗(yàn)證灌漿卡箍對管件的加固效果．將建好的三維模型導(dǎo)入屈曲分析模塊，添加材料屬性，劃分網(wǎng)格，施加約束載荷，按照十階模態(tài)進(jìn)行求解．分別對管件及安裝卡箍的管件進(jìn)行十階模態(tài)的屈曲分析，求解十階模態(tài)的載荷因子，從而得出每階模態(tài)的屈曲壓力，當(dāng)壓力超過每階所求屈曲壓力時，管件將失穩(wěn)．求解結(jié)果如表3所示．

由于計(jì)算過程中所施加軸向載荷為100 MPa，因此將表3中載荷因子乘以所施加載荷100 MPa可得屈曲壓力，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，分別得出管件及安裝卡箍后管件每階模態(tài)的屈曲壓力，然后進(jìn)行卡箍安裝前后屈曲壓力的比較，關(guān)系曲線如圖3所示．

表3 各階模態(tài)載荷因子

由于計(jì)算過程中所施加軸向載荷為100 MPa，因此將表3中載荷因子乘以所施加載荷100 MPa可得屈曲壓力，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，分別得出管件及安裝卡箍后管件每階模態(tài)的屈曲壓力，然后進(jìn)行卡箍安裝前后屈曲壓力的比較，關(guān)系曲線如圖3所示．

圖3 卡箍安裝前后屈曲壓力對比

從圖中可以看出，在均勻軸壓作用下，安裝有卡箍的管件相比未安裝卡箍的管件每階模態(tài)時的屈曲壓力要大，雖然隨著階數(shù)的增加，其差值逐漸縮小，但也足以證明灌漿卡箍對受損管件的維修加固作用．

上述是從求解數(shù)據(jù)方面對灌漿卡箍的屈曲分析進(jìn)行論證，同時還可以根據(jù)有限元分析云圖得出灌漿卡箍對管件的加固作用，下面分別給出1、3、5、7和9階數(shù)屈曲時的管件加固前后的變形云圖，如圖4～5所示．

圖4 管件加固前各階變形云圖

圖5 管件加固后各階變形云圖

從圖中可以看出管件加固前后變形云圖最大區(qū)別是加固后的管件受卡箍保護(hù)段在承受均勻軸壓作用下不會發(fā)生變形損壞，由此也可得出灌漿卡箍對受損管件的加固維修效果很好．

2 灌漿卡箍力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析

對于直管卡箍采取軸向施壓，對比管道未加卡箍與安裝灌漿卡箍后，到達(dá)屈服極限所需正壓力．為準(zhǔn)確測出管道在不同壓力作用下的應(yīng)力，先進(jìn)行ANSYS仿真分析，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示．

圖6 應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，直管的應(yīng)力基本成均勻分布的趨勢，只有在管道固定端出現(xiàn)應(yīng)力變大的現(xiàn)象，因此將應(yīng)變片貼于管道的中間位置．同時為實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在管道中間位置沿環(huán)向均勻貼4枚應(yīng)變片，四枚應(yīng)變片成十字形分布．應(yīng)變片粘貼情況如圖7所示．

圖7 應(yīng)變片粘貼情況

由ANSYS分析仿真可得，當(dāng)施加壓力達(dá)到50 t時，管道最大應(yīng)力接近管道材料的屈服極限，因此，選用200 t壓力機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝備如圖8所示．施加壓力較小時，應(yīng)力變化不大，因此壓力機(jī)從10 t開始起壓，直至出現(xiàn)屈服現(xiàn)象．

圖8 壓力實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在施壓過程中，將4枚應(yīng)變片按照順序進(jìn)行編號并由應(yīng)變儀記錄4枚應(yīng)變片所測出的應(yīng)變，求出平均值ε0，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變公式σ=Eε0以求出應(yīng)力值，根據(jù)實(shí)際直管材料為冷軋鋼板，根據(jù)機(jī)械手冊冷軋鋼的楊氏模量取E=2．05×1011，當(dāng)壓力機(jī)施加壓達(dá)到47 MPa時，材料發(fā)生屈服．

直管力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成后，再對安裝有卡箍，并且灌漿完成的直管進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)．以驗(yàn)證灌漿卡箍對管道的加固及維修效果．安裝有卡箍的管道無法在管道外側(cè)粘貼應(yīng)變片，因此將應(yīng)變片粘貼于管道內(nèi)側(cè)，如圖9所示．由于在管道內(nèi)部粘貼應(yīng)變片比較困難，因此，在本次實(shí)驗(yàn)中，只在管道中間環(huán)向位置直線方向粘貼2枚應(yīng)變片．

在施壓過程中，對安裝有卡箍的直管進(jìn)行施加壓力時與對未安裝卡箍的直管施加的壓力數(shù)值相同，以驗(yàn)證灌漿卡箍對管道的加固及維修效果．將2枚應(yīng)變片進(jìn)行編號并記錄，求出平均值ε0，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變公式σ=Eε0以求出應(yīng)力值，根據(jù)實(shí)際直管材料為冷軋鋼板，根據(jù)機(jī)械手冊冷軋鋼的楊氏模量取E=2．05×1011，當(dāng)壓力機(jī)施加壓力達(dá)到47MPa時，材料發(fā)生屈服．?dāng)?shù)據(jù)記錄結(jié)果見表4所示．

圖9 應(yīng)變片粘貼位置圖

表4 安裝有卡箍的直管力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

將未安裝卡箍的直管的力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與安裝有卡箍的直管的力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表5所示．

表5 卡箍安裝前后直管力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

從表格中可以看出材料未發(fā)生屈服之前，相同壓力下，安裝有卡箍的直管的應(yīng)力明顯比未安裝卡箍的直管的應(yīng)力減小了，并且差值成逐漸增加的趨勢．

為明確表示卡箍安裝之后對受損管道的加固及維修效果，將表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)繪圖，如圖10所示．

圖10 卡箍安裝前后直管應(yīng)力對比

從圖10可以看出，安裝灌漿卡箍后的直管，相同正壓力下直管中心的軸向應(yīng)力值明顯下降，并且差值成增加的趨勢，很好地說明了灌漿卡箍對平臺立管的加強(qiáng)作用，也同時與上述理論分析結(jié)果相對應(yīng)．

3 結(jié) 論

根據(jù)海洋平臺水下局部受損結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和加固課題的研究目標(biāo)，本文主要研究灌漿卡箍加固裝置對受損管件的加固及維修效果，分別從屈曲理論分析、有限元屈曲分析及灌漿卡箍力學(xué)實(shí)驗(yàn)3個方面進(jìn)行了分析，并且均能證明灌漿卡箍在海洋平臺受損結(jié)構(gòu)維修及加固方面的簡便可行性，有利于大幅度提高海洋平臺的安全性及可靠性．

［1］ 展旭和．膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍長期承載性能的試驗(yàn)研究［D］．青島:中國海洋大學(xué)，2012:1-3．

［2］ 崔洪宇，趙德有．基于支持向量機(jī)的導(dǎo)管架式海洋平臺振動主動控制研究［J］．振動與沖擊，2008，27(10):156-160．

［3］ 吳香國，安偉光．分布軸對稱缺陷對薄壁圓柱殼屈曲可靠性影響［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(6):635-638．

［4］ 王諾思．纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管外壓及組合荷載下的屈曲性能研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2013:34-40．

［5］ American Petroleum Institute．Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-WorkingStressDesign［R］．API RP2A-WSD．2000，356-367P．

［6］ Reed R L，Snith J K．The structural repair of a north sea platform using underwater wet welding techniques［C］．OTC 6652P．

［7］ MSL Engineering Ltd．Assessment of repair techniques for ageing or damaged structures［J］．Final Project Report，MSL Doc．，Ref．C357R001，Rev 1，2004，83-112．