采用有限元分析評價螺旋焊管海上管線應用的可能性

孫 宏 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

采用有限元分析評價螺旋焊管海上管線應用的可能性

孫 宏 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

為了使螺旋焊管能夠應用于淺海領域，采用有限元分析法研究了螺旋焊管在不同載荷組合，尤其是S形敷設條件下的響應。重點討論了螺旋焊管與該行業常用的其他類型鋼管的對比。詳細分析和討論了DNV標準中海底管道強調的極限狀態，如破裂、壓潰、軸向拉伸、局部屈曲和復合載荷。分析包含了螺旋焊管的非線性三維有限元模擬，并考慮到了可能會影響其極限狀態的相關公差以及對載荷和安裝條件的響應。研究結果表明，在淺水區使用螺旋焊管沒有太大的問題。

螺旋焊管；海上；有限元分析；極限狀態；S形敷設；應用

由美國挪威船級社（簡稱DNV）和MCS Kenny組織開展的聯合工業項目（JIP）于2009年啟動了對螺旋焊管在海上應用狀況的評價，并依據DNV RP A-203的技術評價程序對最關鍵的技術差距進行識別。螺旋焊管聯合工業項目已經使用有限元分析（FEA）方法開展了第二階段工作，其目標是使螺旋焊管能夠應用于海上淺水領域（最大深度240 m）。其強調了S形敷管程序以及與此相關的載荷和條件。評價的目的是識別不同加載條件下（如軸向拉伸和彎曲)螺旋焊管的響應及其極限狀態，并將這些極限狀態與常用的無縫鋼管/UOE焊管進行比較，依據為DNV OS F101和API RP 1111等行業標準。

行業內普遍認為，在相同的加載條件下螺旋焊管相對于無縫鋼管/UOE焊管使用性能不同。同時，認為現有的應用于海上的設計標準可能不能適用于螺旋焊管。但是，對螺旋焊管與無縫鋼管/UOE焊管的響應分析的比較是非常有意義的，該比較的重要前提是螺旋焊管的材料和制造質量與無縫鋼管/UOE焊管相當，換句話說，螺旋焊管應當符合該行業的用管要求，如DNV OS F101和API SPEC 5L等規范和標準的規定。

1 研究基礎

JIP采取的識別螺旋焊管相關極限狀態的策略包括了有限元模擬。這些模擬的設計參數選擇的基礎來自于已知的無縫鋼管和UOE焊管的極限狀態，尤其是DNV OS F101中所敘述的。因此，考慮了以下極限狀態：破裂、壓潰、屈服（軸向拉伸）、局部屈曲（彎曲和復合加載）和疲勞。

本研究采用的解決方法如下：①UOE焊管的有限元分析，螺旋焊管和UOE焊管模型采用相同的材料性能和焊縫偏差；②DNV極限，這包括了對UOE焊管/無縫鋼管按照DNV OS F101的公式5.19a的預測，其所有的設計因子（α和γ）設為1.0；③API極限，對于破裂及壓潰的極限狀態，分別采用 API RP 11 的公式 2（a）或公式2（b）和公式6（a），對彎曲條件采用API RP 2A公式3.2.3-1c的允許力矩，對于管狀類型乘以1.67可以獲得 “極限承載力”；④彈性極限，這是解析/閉合的彈性解；⑤塑性極限，這是解析/閉合的塑性解，假設沒有應變強化。

1.1 鋼管設計的規格和參數

本研究涉及了常用規格的螺旋焊管，管徑500～2 500 mm，壁厚9～25 mm。 選擇的兩種鋼管規格和其他典型設計參數見表1。對這兩種規格鋼管響應的研究和比較有助于使結論的有效性擴展到更廣泛的管徑和壁厚。另外，假定兩種管徑采用了相同的鋼板/板卷寬度，意味著這兩種規格的鋼管具有不同的螺旋角，這可用于研究鋼板和焊接材料各向異性對鋼管主應力方向的影響，如圖1所示。

表1 鋼管規格和設計參數

圖1 材料各向異性的主方向

1.2 加載條件

目前，業內在大應變條件下使用螺旋焊管作為輸送鋼管的經驗非常有限，特別是由于螺旋焊縫和/或環焊縫材料特性的變化（低強匹配）或應力集中，使用基于應變和位移設計意味著允許在鋼管局部大塑性變形的部位超過屈服強度。此外，在上述條件下還應考慮斷裂擴展問題。因此，本研究只涉及載荷控制情況，即環向應力低于屈服強度。采用了有限元分析來研究在以下載荷控制條件下的過匹配的螺旋焊縫的環向性能和極限狀態:①內部壓力；②外部壓力；③軸向拉伸；④彎曲；⑤復合載荷。

因為疲勞涉及到了使用S形敷設過程中和自由懸跨情況下的安裝條件（用于淺水區的主要敷管工藝），所以JIP也考慮了疲勞這一加載條件。為了討論這個極限狀態，鋼管模型承受了軸向和彎曲的加載條件并研究了應力集中。對螺旋焊縫的幾何特征和公差予以重點關注。JIP在現階段的研究并沒有考慮環焊縫以及環焊縫與螺旋焊縫之間相互作用的影響。

1.3 材料建模

有限元模型采用了API STD 1104中的光滑鋼鐵材料模型作為基本條件，按照該標準中不同參數的定義和細節，模型采用了以下形式:

此外，研究螺旋焊管和UOE焊管的響應時假定了一個理想彈塑性模型，其目的是獲得有限元的解。

由于熱軋工藝和鋼板性能，尤其是屈服強度是各向異性的。對于假定的螺旋角，周向的強度更低，如圖2所示。假定各向異性比（縱向對橫向屈服強度）為0.9，這是一個相當保守的數值。

圖2 螺旋焊管的材料各向異性特征

2 有限元模型

該研究采用通用的有限元軟件包Abaqus開發出了非常詳細的、完全非線性的三維殼單元和實體單元有限元模型。為了計算方便，鋼管管體采用了殼單元建模，而螺旋焊縫包括兩側20°的母材和焊偏采用了完整的三維建模，以研究整個壁厚應力分布以及應力和應變集中的細節。鋼管橢圓度有顯著的影響，所以也包括在內。采用了動態耦合方式，鋼管的軸向力和彎距使用參考點施加，其與鋼管的相關自由度動態耦合。有限元模型如圖3所示，邊界條件考慮了管端的自由徑向運動。

圖3 鋼管有限元模型

3 有限元模型的驗證

為了驗證螺旋焊管的模型進行了大量的分析，開發并實施了許多三點和四點彎曲模型，如圖4所示。通過應用管端的不同邊界條件及其對結果的影響，對不同模型的鋼管進行了驗證（尤其是固定端和自由端）。

有限元分析驗證達到了預期的結果，但仍有以下幾點需要進一步證實：①螺旋焊管的極限彎矩通常略大于UOE焊管，因為UOE焊管基于準則預測的極限彎矩有些保守，所以這不能被假定為一般趨勢；②與四點彎曲試驗模型相比，三點彎曲試驗的受彎承載力更低，三點彎曲試驗有限元分析的響應如圖5所示；③有限元預測的四點彎曲試驗受彎承載力略低于DNV OS F101所預測的值，至少部分是由于鋼管的D/t大約為48，略超過準則的適用范圍；④當采用API STD 1104鋼材模型時，螺旋焊管和UOE焊管均顯示出比理想彈塑性材料更高的受極限彎矩，這是因為API STD 1104鋼材模型的應變硬化。

圖4 鋼管有限元模型的驗證

圖5 三點彎曲試驗有限元分析的響應

4 分析與討論

4.1 材料各向異性的影響

為調查彎曲條件下鋼板材料各向異性的重要性，開展了敏感性研究。初步結果表明，材料各向異性的影響并不顯著。這是因為D/t較大，彎曲失效的主要原因是彈性局部屈曲，而不是屈服強度的影響。

4.2 破裂極限狀態

為了研究螺旋焊管的破裂極限狀態并與UOE焊管進行比較，按照圖6所示對鋼管建模，鋼管承受均勻內壓，壓力線性增加直到分解偏離，即材料屈服/破裂狀態。為了只產生環向應力的影響，沒有施加軸向拉伸（端蓋效應），承壓鋼管的應力響應也在圖6中給出。

失效鋼管的詳細觀察結果表明，鋼管母材應力是均勻分布的，焊縫區域則為應力集中。在螺旋焊管上沒有觀察到應變局部化，而是整個截面的整體屈服。然而，對于UOE焊管，沿直焊縫出現了應變局部化。破裂極限狀態分析結果見表2。

圖6 破裂極限狀態的有限元模型和結果

表2 X70級φ660 mm鋼管破裂極限狀態分析結果

4.3 壓潰極限狀態

使用有限元分析預測了螺旋焊管的壓潰承載能力，壓潰極限狀態分析的有限元模型如圖7所示，X52級φ914 mm鋼管壓潰極限狀態分析結果見表3。

圖7 壓潰極限狀態分析的有限元模型（5×）

表3 X52級φ914 mm鋼管壓潰極限狀態分析結果

4.4 軸向拉伸極限狀態

模型中在鋼管管端施加了位移控制的軸向拉伸，同時保持鋼管的另一端軸向固定。使用有限元分析估計的螺旋焊管極限抗拉能力以及實例分析結果如表4和圖8所示。

表4 X52級φ914 mm鋼管軸向拉伸極限狀態分析結果

圖8 軸向拉伸極限狀態分析結果

4.5 局部屈曲極限狀態

試驗中施加了規定的旋轉/彎曲載荷，而鋼管另一端的旋轉則受到約束，以評估鋼管在純彎曲條件下的局部屈曲抗力。在上述條件下螺旋焊管和UOE焊管的響應如圖9所示。使用有限元分析預測的螺旋焊管的受彎承載力以及實例分析如圖10和表5所示。

圖9 局部屈曲極限狀態分析的有限元模型

圖10 局部屈曲極限狀態分析結果

表5 X70級φ660 mm鋼管局部屈曲極限狀態分析結果

4.6 復合加載

研究了彎曲、拉伸及外壓復合加載的影響。圖11給出了螺旋焊管在復合加載下的失效模型實例，圖12給出了螺旋焊管有限元分析在復合加載下的失效實例，即X52級φ914 mm鋼管在水深240 m的響應信息，將失效載荷組合 （如離散的數據點所示）與按照DNV OS F101公式5.19預測的破壞包絡線（如連續曲線所示）進行了比較，對于在同一水深的無縫鋼管，分項設計因子設為1.0。在給出的實例中，螺旋焊管所有失效組合均落在DNV包絡線外側或包絡線上，這表明對于該給定水深，在彎曲和軸向拉伸復合載荷的情況下，這一特定的鋼管規格至少會表現出和無縫鋼管一樣的性能。

圖11 螺旋焊管在彎曲、軸向拉伸及外壓復合載荷下的失效模型

圖12 螺旋焊管和無縫鋼管在載荷組合下的性能對比

4.7 疲勞極限狀態

對于疲勞極限狀態需要識別以下幾點：①在不同加載條件下螺旋焊縫的未知應力集中；②在S形敷設期間，螺旋焊縫與托管架輥子接觸時的未知應力集中；③螺旋焊縫和環焊縫之間可能的相互作用，在相交的位置可能會進一步加劇這個位置的應力集中。

4.8 結果數據分析

將開發出的極限狀態響應參數數據庫與UOE焊管/無縫鋼管的相似DNV數據庫進行分析和比較，其目的是為了識別螺旋焊輸送管道設計參數和公式的適用性（如DNV OS F101）。如果適用，對于新的鋼管類型，應該校準公式參數。最后，對未來DNV規范修訂版關于螺旋焊管部分的可能結論也進行了討論。初步結果表明，在淺水區使用螺旋焊管沒有太大的問題。然而，數據的詳細分析與來自于JIP其他研究的推薦方法，將采取更為具體的措施。

5 結語

采用螺旋焊管有限元模型，比較了不同加載條件下的響應。目前，正在對有限元研究結果的數據庫進行分析，以確定當前規范中的推薦作法和公式是否適用于螺旋焊管管道，如果適用，應對這種新類型鋼管的公式參數進行校準。

初步研究結果表明，在淺水區使用螺旋焊管沒有太大的問題。本研究總體上增加了對螺旋焊管的信心，也沒有發現明顯的缺陷，一系列需要進一步澄清的問題已經通過確認。以后還應該對螺旋焊管的實際應用和對位移控制條件下使用基于應變設計的可行性進行進一步研究。

譯自：ELTAHER A，HAFRI S，JUKES P，et al.Advanced finite element analysis for qualification of spiral welded pipe for offshore application[C]//ProceedingsoftheTwenty-second(2012)International Offshore and Polar Engineering Conference.Greece:Rhodes，2012.

Advanced Finite Element Analysis for Qualification of Spiral Welded Pipe for Offshore

Edited and Translated by SUN Hong
(North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.,Qingxian， 062658， Hebei,China）

For purpose of qualifying spiral welded pipe for offshore shallow water applications,the finite element（FE） study was performed to investigate the response of spiral welded pipe to different loading combinations and particularly to S-lay conditions.An emphasis is placed on how spiral welded pipe compares to other types of pipe more commonly used in the industry.Detailed analysis and discussion are presented on limit states highlighted in DNVs standard for submarine pipelines,such as burst，collapse,axial Tension,local buckling and combined loading.The analyses comprised nonlinear 3D FE simulations of spiral welded pipe,and taking into account relevant tolerances that were likely to affect its limit states and response to loading and installation conditions.The results indicated no major concerns regarding the use of spiral welded pipe in shallow water.

spiral welded pipe;offshore;finite element;limit states;S-lay;application

TE973

B

1001－3938（2015）06-0063-06

孫 宏（1974—），男，高級工程師，工程碩士，主要從事石油輸送鋼管材料與試驗技術工作。

2014-11-18

李 超