結構尺寸對LNG低溫螺旋波紋鋼管彎曲性能的影響分析

楊志勛　閻軍　盧青針　吳尚華　王剛　岳前進

摘要：

基于ANSYS三維殼模型，依據結構幾何尺寸對LNG低溫螺旋波紋鋼管進行參數化有限元建模.考慮低溫環境下材料力學性能的改變和結構幾何非線性因素，對彎曲載荷作用下低溫螺旋波紋鋼管結構力學性能進行數值模擬；分析管體彎曲失效模式和力學行為特點.改變結構幾何尺寸，分析比較波峰和波谷極值應力以及管道整體力學性能，發現尺寸參數對低溫波紋鋼管力學性能的影響顯著，分析相應的靈敏度規律，最后給出合理的截面尺寸參數.分析結果可以為低溫柔性管道的結構設計提供參考.

關鍵詞：

LNG； 螺旋波紋管； 截面尺寸； 彎曲； 非線性； 數值模擬

中圖分類號： TE953；TB115.1

文獻標志碼： B

Abstract：

Based on 3D shell modeling in ANSYS， a parametrization finite element model is established for a LNG cryogenic helical corrugated steel pipe according to the geometric dimension of structure. Considering the change of material mechanics property under the cryogenic environment and the geometric nonlinearity， the structural mechanics properties of cryogenic helical corrugated steel pipe under bending load are numerically simulated. The bending failure mode and the characteristics of mechanical behavior are presented for the pipe body. Through changing the structural geometric dimension， the stresses at peak and trough points and the global mechanical property of pine are analyzed and compared. It is found that the sectional dimension would influence on the mechanical properties of cryogenic helical corrugated steel pipe significantly and the sensitivity rules of the sectional dimension parameters are presented. Finally， the rational sectional dimension is recommended， which can provide a reference for the structural design of cryogenic flexible pipe.

Key words：

LNG； helical corrugated pipe； sectional dimension； bending； nonlinearity； numerical simulation

0引言

浮式液化天然氣（Floating LNG，FLNG）生產船與LNG穿梭游輪是遠海天然氣開采的新型經濟型開發模式.連接于浮式液化天然氣生產船與運輸船之間用于裝卸液化天然氣的低溫波紋柔性管道，是整個傳輸過程中的關鍵裝備.[13]由于管體彎曲剛度較小，對波浪流等周期性載荷具備較好的柔順性，可保證整個傳輸系統的安全運行.典型低溫波紋柔性管道的結構形式見圖1，主要由內外螺旋波紋鋼管、雙層抗拉鎧裝、防磨層和外護套組成.目前，國外在LNG低溫傳輸管道的設計分析、制造和安裝方面優勢十分明顯.如美國的Goodyear和英國的Dunlop等[4]，而我國還處在初步探索階段.因此，探索發展低溫柔性管道的設計分析和加工制造技術對我國天然氣能源戰略發展具有一定的參考意義.

低溫波紋柔性管道運作示意見圖2.在整個裝卸傳輸過程中，管道整體呈現懸鏈線形式，可有效地緩解船體相對運動導致的管體結構失效.[56]由于受到自身和輸送液化天然氣的重力、船體運動以及低溫環境所致的冰重載荷等作用，管線最底部彎曲處承受較大的彎曲載荷；同時，超低溫環境會使材料力學性能發生顯著變化.[7]低溫柔性管道為多層次、多材料和多接觸低溫工作環境下的復雜結構，其熱絕緣效果主要通過內外螺旋波紋鋼管所形成的真空區域來實現，因此內外螺旋波紋鋼管對于整個管體的力學性能扮演著重要的角色.為確保低溫波紋柔性管道正常運行，在整個管體設計中，螺旋波紋鋼管低溫抗彎力學性能的精確分析評估尤為重要.

國外學者已針對螺旋波紋鋼管結構進行大量研究.其中，BUITRAGO等[8]首先校核得到塑性成型后低溫環境下波紋鋼管的材料本構關系，并通過數值和實驗方法分別在室溫和低溫環境下研究波紋鋼管拉伸、壓縮、彎曲等力學性能.BARDI等[9]和SRIVASTAVA等[10]研究低溫波紋管在拉伸、彎曲、扭轉和內壓下的力學性能，并探究波紋鋼管力學性能對結構尺寸的靈敏度規律.上述研究所建立的數值模型均忽略螺旋角度對結構力學性能的影響.在實際應用中，波紋鋼管均存在一定的螺旋角度，因此先對結構尺寸參數進行分析，確定決定性參數和伴隨參數，進而分別討論各關鍵參數對螺旋結構低溫波紋鋼管彎曲力學行為的靈敏度影響.

1截面幾何參數分析

螺旋波紋鋼管是整個低溫柔性管道功能實現的關鍵部件.為研究螺旋波紋鋼管的彎曲力學性能，首先分析結構幾何尺寸.某低溫螺旋波紋鋼管幾何模型見圖3，其宏觀幾何參數包括：內半徑RI，外半徑RO，螺旋節距P，以及螺旋角度θ.

螺旋波紋鋼管沿軸向的截面幾何尺寸見圖4，其由標號為1，3，5的直線和標號為2，4的曲線組成，截面形狀類似于正弦曲線，其主要參數包括厚度T，波高H，波長λ和傾角α.

宏觀和局部剖面幾何參數之間存在著內在聯系.分析得：外半徑RO，內半徑RI，厚度T，波長λ，傾

角α為主控制參數；波紋的高度H，螺旋角度θ，直線段長度L，弧線段半徑r，長度S等為伴隨性參數.主控制參數和伴隨性參數之間的相互關系表達式為

2.2單元選擇和網格劃分

選擇合適的單元類型對有效模擬波紋管的力學行為至關重要.螺旋波紋鋼管壁厚相對于整個管體尺寸而言遠小于1/10，屬于典型的薄殼結構.同時，考慮到材料的非線性以及彎曲載荷過大時變形所產生的幾何非線性因素，本文選用具備塑性大應變分析能力的SHELL43單元.

網格劃分的質量對模型的計算效率和精度有重要影響.考慮到管體中波峰和波谷處為幾何突變點和應力集中點，因此對該區域進行精細劃分.同時考慮到計算效率，對截面相對平緩的區域進行粗略劃分，其軸向截面節點布置方法見圖6.另外，單元的劃分應盡可能均勻統一，避免奇異單元的出現影響結果精度，局部網格劃分見圖7，單元平均尺寸為2.475 mm，并驗證模型的收斂性.

2.3邊界約束與載荷施加

為研究波紋鋼管的彎曲行為力學性能，在管體端部施加彎矩，見圖8.考慮到波紋鋼管端部施加載荷的均一性，首先在端面中心處建立MASS21質量單元，并同該端面鋼管邊界其他節點形成剛性面；同時，考慮到端部效應的影響，在另一端采用對稱約束進行處理.通過對端部剛性面上質量單元節點施加位移轉角進而求解數值有限元模型.

3截面尺寸對力學性能的影響

為準確分析管體的彎曲力學行為特點，分別取表面波峰點和波谷點作為分析研究對象.彎曲載荷下管體上側波峰和波谷的應力分布見圖9.在波峰外表面和波谷內表面應力呈現擠壓狀態，反之，在波峰的內表面和波谷的外表面應力呈現彎曲狀態，見圖10.

取該波峰波谷內外側4個點的應力，見表2.分析比較發現，由于螺旋結構效應的影響，在彎曲載荷作用下，應力最大點發生在波谷外側.因此，本文取該處應力和應變值與管體整體性能的彎曲剛度作為分析比較對象，研究結構幾何尺寸對波紋鋼管的彎曲力學行為的影響.

3.1波高影響分析

波紋鋼管中軸向剖面參數波高表征管體內外徑之間的相對距離，同時反映波紋的皺褶程度.在裝卸液化天然氣的過程中，波紋起伏越小，壓降損失越小，其通流率越好，可節約裝卸時間；反之亦然.同時，波高也對管體彎曲行為有顯著影響.為研究和探索彎曲性能對截面參數波高的靈敏度，對模型施加逐漸增大的彎曲位移轉角，在控制其他參數不變的情況下，分別對波高為0.017，0.019和0.021 m的模型進行彎曲力學行為分析.在不同高度下，彎曲載荷隨位移的變化趨勢見圖11.

由此可知：當曲率小于0.3時，彎矩與曲率關系呈現線性變化趨勢；之后，隨著曲率的逐漸增大，彎矩增加緩慢，表征管體進入塑性強化階段.在控制其他參數不變的情況下，只改變模型波紋截面高度H，在相同的彎曲曲率下，波高越大，管體所承受的彎曲載荷越小，同時，其進入塑性強化階段較低波高截面滯后.考慮管體整體力學性能彎曲剛度時，發現隨著波高的增大，管體彎曲剛度減小，因此增大波高可以有效降低管體的抗彎曲能力，以便適應低溫柔順性管道的順應性設計.

不同高度下波谷外側點的應力、應變隨曲率的變化曲線見圖12和13.在彎曲載荷的作用下，應力的時間歷程與材料本構關系幾乎相當.由于螺旋結構形式的緣故，在材料屈服應力之前，波谷外側點應力并未完全表現出線性變化趨勢.曲線走向大致可以分為2個階段：當曲率小于0.3時，隨著彎曲轉角的增大，應力增幅較快；當曲率越過0.3時，隨著彎矩的增加，結構應力隨著載荷的增大增加緩慢.在相同彎曲轉角作用下，只改變模型截面高度H，波高越大結構響應的應力值越小；同時，波高的等差變化并未表明應力的等差變化，反之，波高迅速增大會導致應力明顯減小.

綜上所述，當控制其他參數不變只改變波高時，波高同時影響結構的應力、應變和彎曲剛度等力學性能，并且在相同曲率作用下，波高越大所得到的相同點的應力、應變值越小，彎曲剛度相應較小.因此，軸向截面參數波高的增大可以有效降低管體的抗彎性能，增強低溫柔性管道應用中的安全因數.

3.2螺距影響分析

波紋鋼管宏觀參數螺旋角θ與截面幾何參數波長λ存在一定的相互關系，因此參數波長同樣表征管體截面的皺褶程度，同時也影響著管內液體的流向軌跡.在裝卸液化天然氣的過程中，流體的流向與管體軸線的夾角越小，壓降損失越小，其通流率越好，可明顯節約裝卸時間.同理，截面參數波長也對管體彎曲性能有顯著影響.為研究和探索彎曲性能對結構參數螺距的靈敏度，同樣對模型施加遞增彎曲載荷，在控制其他參數不改變的情況下，對波長分別為0.030，0.035和0.040 m的模型進行彎曲力學行為分析.

不同螺距下彎矩隨曲率的變化曲線見圖14.各曲線趨勢幾乎相同；曲率相同的情況下，螺距越大其承受的彎曲載荷越大.彎曲剛度分析發現螺距越小，其彎曲剛度越小，柔順性愈好.應力、應變隨曲率的變化趨勢見圖15和16.

在相同曲率作用下，隨著螺距增大，應力熱點處所產生的

等效應力呈現單調變化的趨勢，螺距越大其應力越大.應力、應變隨彎曲轉角的變化明顯分為2個階段：當曲率從0到變化到0.3附近時，等效應力隨曲率的增加呈現線性增長趨勢；當曲率繼續增大時，應力增加較為平緩.通過與材料本構關系塑性增強區域相比較，應力變化平緩區域起始于300～400 MPa，其由于螺旋結構形式的影響小于材料的初始屈服應力530.89 MPa.

綜上可知，在控制其他參數不變的情況下，螺距及截面尺寸波長的變化對低溫波紋鋼管結構的整體和局部彎曲力學性能有顯著影響.螺距越大，彎曲剛度越大.欲使低溫柔性管道具備較好的柔性，應盡可能減小螺距.

4結論

本文基于三維殼模型，對某螺旋低溫波紋管進行參數化有限元建模.考慮低溫材料和結構幾何非線性因素，給出彎曲載荷下改變結構高度和螺距尺寸時低溫波紋鋼管結構力學性能的數值模擬結果.分析比較管體整體力學性能彎曲剛度和波谷應力、應變，得到以下結論.

（1）波高影響螺旋波紋管結構應力、應變和彎曲剛度等力學性能，并且在相同曲率載荷作用下，波高越大所得到的波谷外側點的應力、應變值越小，彎曲剛度較小，可保證管體足夠的順應性.

（2）螺距及截面尺寸波長的變化對低溫波紋鋼管結構的整體和局部彎曲力學性能有顯著影響.在相同彎曲轉角下，螺距越大，彎曲剛度越大，應力越大.

（3）通過與材料本構關系塑性增強區域相比較，彎曲性能變化隨曲率變化曲線與低溫下材料本構關系相似.

（4）應力進入平緩區域開始于300～500 MPa，其低于材料屈服應力，原因是受螺旋波紋結構形式的影響.

結構尺寸對低溫螺旋波紋鋼彎曲力學性能的影響顯著，分析相應的靈敏度規律，為低溫柔性管道的結構設計提供有益的參考.

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（編輯武曉英）