基于ANSYS的裝配式管道海面鋪設強度分析

張冬梅，張世富，楊東宇，楊澤林

(中國人民解放軍陸軍勤務學院 a.國家救災應急裝備工程技術研究中心; b.油料系， 重慶 401331)

隨著世界各國對于海洋油氣資源開發的不斷重視，海上運油船作為海洋油氣資源輸轉的關鍵亦得以不斷發展[1]，且近年來運油船的運載能力顯著提升[2]。油船等大型海洋運油設備的應急油料卸載一直是海洋油氣安全的重要研究方向[3-4]。目前，主要有軟質管道以及鋼質管道兩種卸載方式對運油船等大型海上運油設備進行應急油料卸載。采用軟管輸送機動性較好，但管道在海面受波浪力、海流力、風力等多種力的影響較大，管道受力狀況復雜，易產生大位移和變形。因此本文主要利用裝配式鋼質管道進行應急油料卸載。

由于海洋環境特殊，復雜鋼質輸油管道海上沉放過程受各種載荷的影響較大，管線系統在工作過程中會受到相應的阻礙。同時又由于海面管道處于波流力、海浪力、重力及浮力等共同作用[5-6]，且波流力是周期性變化的，因此在計算波浪力時需要依據相應的折減系數對其進行計算，并且利用ANSYS對管道的應力、應變以及變形進行分析以判斷裝配式管道的安全狀態。

1 管道載荷分析計算

選用裝配式管道進行海面漂浮輸送時，管道所受載荷主要有波浪力、海流力、風力、浮力以及自身的重力[7]，同時由于管道漂浮在海面時，整體并未全部浸沒在海中，導致其受力又有所不同，管道主要受力如圖1所示。

圖1 海面管道受力示意圖

要確保管線的固定，則要求在水平方向和垂直方向的受力平衡，即：

1.1 波浪力的計算

目前，主要利用孤立波理論、橢圓余弦波理論、斯托克斯波理論以及線性波理論等[8]用于計算海洋工程結構物的受力。我國學者竺艷蓉根據波高H、波長L、水深d對波浪理論進行合適的選擇[7]，如表1所示。

表1 波浪理論劃分依據

本文按3級海況下采用裝配式管道輸送柴油為計算背景，管道及波浪參數設置如表2所示。

表2 管道基本參數

表3 波浪參數

從表3中可以看出H/L≤0.2，因此本文選用線性波理論計算波的特性參數，再用Morison方程作為波浪力的計算公式。

水平方向：

(1)

垂直方向：

(2)

式中：FH為作用在管道上的單位長度橫向波浪力(N/m)；uc為海流橫向速度(m/s)；FL為作用在管道上的單位長度垂向波浪力(N/m)。

由于波浪力是隨時間呈現周期性變化的，且其峰值力作用的時間較短，因此在對管道進行力學性能分析時應該進行適當的折減，本文根據Ch288—64規范對波浪力進行合理折減[9]，波浪力折減系數如表4所示。

表4 波浪力折減系數

本文設定海況的波長為15.8 m，同時管道實際長度遠大于海浪波長，因此本文可選用0.5做為折減系數。

表5 折減后的波浪載荷

根據本文設計對象所處海面深度，因此計算時裝配式管道海面空管漂流時在水平方向的單位長度波浪載荷分別為淺水區266.5 N/m、過渡區18.83 N/m、深水區11.09 N/m。

1.2 海上漂浮空管海流載荷計算

近岸海流的形成方式主要有兩種，其一是受海面上風力影響，海水借著風提供的動能進行運動，形成海流，這種運動會因為海水的黏滯性慢慢變緩，直至消失；其二是壓力場的影響，由于海水周圍環境時刻變化，周圍溫度及其鹽度的改變都會影響到本身密度的分布，導致海水中壓力場結構的變化，使水中等壓面發生位移，與等勢面形成一定角度，從而產生攜帶海水流動的作用力，形成海流，通常這種力在水平方向。海流在近海岸的流動與波浪相比較緩慢，且速度、周期等參數變化較小，因此本文考慮海流在海水運動過程中是穩定的，只對管線產生阻力作用。管線屬于圓形構件，單位長度上海流載荷計算公式為

(3)

式中：FC為管線每米上的海流載荷；CC為阻力系數，垂直于管線軸線方向，大多為0.6～1.0，本文取1.0作為系數值；A為垂直于海流運動方向上的投影面積(m2)；uc為海流速度，根據近海岸文獻資料，本文取海流為1.5節，即0.75 m/s；ρ為海水密度。

空管漂浮在海面上時，其中有一部分管線露于海面上，另一部分在海面下，需知道管線在海面下方的投影面積，這樣計算海流載荷才會更加準確。為此建立了海上漂浮空管漂浮模型，如圖2所示。

圖2 海上管線漂浮示意圖

空管情況下一根管線的質量為管線加上連接器的質量，為61 kg，本文取g為9.81 m/s2，一根管線長為6 m，則單位長度下管線的重力為

G=mg/l=61×9.81/6=99.735 N/m

(4)

當管線完全沉入海中，求得浮力為

F浮=ρgD2π/4=195.37 N/m

(5)

從計算結果可以看出，管線的重力大約為完全浸入的最大浮力的一半。對于不同海域來講，海水密度會有大有小，浮力值會上下波動。求解出的h值與0.079 5 m基本相等，因此單位長度投影面積為0.079 5 m2。所以，海上漂浮空管的海流載荷為

0.079 5×0.752=22.43 N/m

(6)

1.3 海上漂浮空管風載荷計算

從本文分析可知，管線系統在海面鋪設后有一半暴露在海面上，這樣管線就會受到風力場帶來的影響。風載荷是海洋工程結構物所受的主要環境載荷之一，影響著管線系統的作業安全，計算時著重要考慮海面空管在風力場中受風面積及風壓值等[10]，通過計算海面空管的風壓值進一步求解風載荷的大小。

空管上風壓表達式為

P=0.613v2

(7)

式中v為海面風速(m/s)，本文設計系統在3級海況下工作，根據世界氣象組織規定，本文設定海況下風速考慮為6.7 m/s。因此，空管風壓為

P=0.613×6.72=27.52 Pa

(8)

單位長度下空管風載荷的計算式為

FS=Ch·Cs·S·P

(9)

式中:Ch為構件在風力場中的高度系數，即管線在海面上的高度；Cs為風力場中構件的結構形狀系數；S為海面空管在風力場中的投影面積(m2)。

本文計算管線在海平面上的高度為0.079 5 m，根據海洋工程風載荷系數規定，高度小于2 m時，Ch取0.64，管線屬于圓柱形構件，Cs取0.5，設定風力水平作用在管線上，因此風載荷為

FS=0.64×0.5×0.079 5×27.52=0.7 N/m

(10)

2 有限元模擬

2.1 模型建立

本文選擇Mechanical中的Static Structural(靜態結構)來進行分析[11]，在Engineering Data下設置鋼質輸油管線的材料，根據輸油管線規范，綜合海上實際鋪設情況，選擇鋼管為雙線性彈塑性模型，材料性能參數如表6所示。

表6 管線雙線性材料性能參數

在Geometry中建立管線靜力學分析模型，因為整個管線系統的受力情況是相同的，如果建立100根管線的模型，既浪費很多的前處理工作時間，也會增加計算難度。因此，模型建立時選用12根管線，每根管子的長度為6 m，共72 m，管線之間采用與其本身相同材質的聯軸器連接，這樣建立的模型可以代表系統受力情況。在不同區域進行分析時，管線強度模型均采用相同的12根管線，只是載荷選取不同，管線鋪設模型如圖3所示。

圖3 管線鋪設模型

2.2 網格劃分

管線是對稱且相對簡單的模型，在分析中若畫成三維網格則，增加了難度，同時施加載荷很容易破壞網格，造成計算不準確。本模型選用的是一維梁單元，通過mesh模塊對網格進行自動劃分，有限元網格大小為30 mm，節點數為4 833，單元數為2 416。管線模型長度較長，為了清晰顯示網格劃分情況，這里選取模型中的一段，如圖4所示。

圖4 管線網格劃分

2.3 載荷與約束施加

海上管線承受載荷運用本文載荷計算中的結果，模型總長為72 m，管線模型受到均布載荷，計算結果為：淺水區水平、垂直方向的波浪載荷分別為19 188 N和5 690.9 N；過渡區水平、垂直方向的波浪載荷為1 355.8 N和748.8 N；深水區水平、垂直方向的波浪載荷為798.48 N和686.88 N；海流載荷為1 615 N；風載荷為50.4 N。

文獻研究結果表明，在4級海況下，淺水區的管跨不超過6 m，過渡區是18 m[10]。本系統海上漂浮階段是前期過程，在3級海況下，選用3個管線固定(即管跨18 m)的方式，這樣的做法合理，同時也會相應減少海上工作量，即約束為每3根管子一固定，管線兩端同樣采用固定約束。載荷和約束施加如圖5所示。圖5中：X方向為管線所在軸線方向；Y為垂直于軸線的水平載荷方向；Z為垂直載荷方向。

3 結果分析

系統能否穩定的關鍵因素是管線在載荷的作用下的變形、應力和應變結果，取這3種求解圖分析。

1) 管線各區域變形結果

圖6為3種區域管線變形分布。從仿真結果可以看出：管線最大變形位置發生在錨固間中點處，淺水區為107.64 mm，過渡區為17.52 mm，深水區為14.156 mm。由撓度計算公式計算撓度值，水平和垂直方向載荷的算術平方和作為總載荷，可得：在錨固間距離為18 m時，淺水區計算后管線允許的最大撓度為570 mm，過渡區管線最大撓度為82 mm，深水區管線最大撓度為67 mm。因此，從理論上分析在此錨固方式下，管線在不同區域的變形均未超過最大值，處于安全狀態。

但在實際作業中，海上管線系統連接器最大可偏轉3°～4°，以4°為極限值作為管線的偏轉角度，在轉角較小時有sinθ=θ，再根據錨固點間的管線長度可以求出最大允許撓度值，計算后結果為627.8 mm，管線的變形遠小于最大允許撓度值。當管線以加強連接器連接時，最大偏角為1°～2°，計算的最大允許撓度值為314 mm，同樣大于管線的最大變形值。因此，從變形結果來看，管線是安全的。

圖5 三種區域載荷與約束圖

圖6 三種區域管線變形分布

2) 管線各區域等效應力分布結果

圖7為3種區域管線等效應力分布圖。從仿真結果可得：管線系統的最大等效應力發生在錨固點處，其中淺水區、過渡區、深水區管線的最大應力值分別為203.66、28.645、22.527 MPa。鋼管材料的屈服應力為448 MPa，管線是安全的。

3) 管線各區域應變結果

圖8為三種區域管線應變分布。有限元模擬結果顯示：淺水區最大應變值為0.000 97，過渡區最大應變值為0.000 14，深水區最大應變值為0.000 11。

在工程實際中，通常判定固體構件是否超過極限的最主要標準就是等效應力，認為在最不利的載荷條件下，應力值如果在屈服應力范圍內，構件就是安全的[12]。這種判定標準實施多年，但一些構件在工程實踐中仍會出現斷裂或失效的狀況，因此還要依據應變準則對管線的安全與否進行檢驗。材料力學中應變與應力的關系為

σ=Eε

(11)

解得

(12)

由此分析可得，模擬后的各區域管線最大應變值均未超過屈服應力下的最大應變0.002 164，管線是安全的。

圖7 三種區域管線等效應力分布

圖8 三種區域管線應變分布

4 結論

本文主要分析了裝配式管道采用漂浮輸送進行油船應急油料卸載時的受力狀態，并對管道影響較大的力進行了計算，然后利用ANSYS軟件進行海上漂浮空管的強度分析。分析結果表明：在采用每3根管線的長度錨固時，管道最大變形值為107.64 mm，最大應力值為203.66 MPa，最大應變為0.000 97，均未超過屈服極限值。研究結果說明采用的錨固距離是比較合理的，且從各個分析值可以看出均與管道的極限值有一定的差距，留有一定的安全余量，分析結果可為確定油船應急油料卸載時管道的錨固距離及實際工程作業提供相關理論依據。