隔水套管分節及扶正分析

中圖分類號：TE54 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0107-04

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.20.024

Abstract：Conductorsarerucialstrucuralcomponentsiofsoreilplatforconstruction，pronetobucklinginstabilityduring uprightperations.ThisstudyutilizesABAQUSfniteelementsoftwaretoconductlinearandnonlinearbucklinganalysesona32 inchconductoangetsofaeteallicss，gthndiilipefetiuclgrssldae thatwhileincreasedwallthicknessimprovesbendingresistance，italsoaddsweight;shorteninglengthsignificantlyenhances upendingstabilityandadjustingdiameterhaslimitedefects.Aditionall，sugestionsaremadetooptimizesectionlengthsby applyingexteralcounterfores.Thefindingsprovideesentialgudanceforconductorsinstalationsafetyanddesignoptiization.

Keywords： conductor; upending analysis;buckling stability; ABAQUS； structural optimization

海上采油平臺的隔水套管一般在駁船甲板上堆放，并從陸地的碼頭運輸至海上油田的施工現場。隔水套管安裝時，一般由浮吊船用吊鉤，從隔水套管的一端，借助內脹式吊樁器或者卡環、鋼絲繩將隔水套管從甲板上扶正豎直后起吊。隔水套管扶正過程中，端部的吊鉤起升緩慢，可以看作一個準靜態過程，受環境影響的動載荷可以采用將重量放大一定倍數的方式進行考慮。扶正時，兩端的扶正工具相當于給隔水套管施加鉸支約束，允許隔水套管在平面內轉動，隔水套管在設計模型上可看作一個細長桿。扶正過程中，隔水套管受自身重力的作用在豎直平面內產生懸垂，理論上中間截面的撓度最大，彎矩最大，應當作為設計重點觀察的危險截面。隔水套管的扶正除了強度和剛度要滿足要求外，穩定性也對施工安全同樣重要。如果忽視了對結構穩定性的觀察，容易產生結構在扶正過程中失穩，產生屈曲變形，造成隔水套管無法使用，產生直接經濟損失或影響平臺投產。因此評估隔水套管扶正時的穩性，研究穩性不足時的改進方向，對保證隔水套管的施

工安全很有意義。

國內外對隔水套管這類細長桿的穩性研究主要集中在線性屈曲分析和非線性屈曲分析2個方面，研究內容驗證了細長壓桿結構在軸壓作用下的彎曲撓度及屈曲荷載，研究了鋼管樁在土體中軸心受壓下的臨界屈曲荷載，但是對于細長桿在受側向力且考慮初始缺陷時的屈曲分析研究較少，難以用來指導實際工程中的隔水套管扶正施工，

本文以國內外學者研究為基礎，考慮隔水套管的建造初始缺陷，在ABAQUS軟件中建立隔水套管扶正的有限元分析模型，針對某32英寸隔水套管進行線性屈曲分析和非線性屈曲分析，研究隔水套管的直徑、壁厚、長度和初始缺陷等因素對隔水套管扶正屈曲應力的影響，并在此基礎上根據規范的規定對最佳隔水套管的長度進行分析研究，對隔水套管的分節和扶正作業有一定的指導意義。

1計算模型

1.1 隔水套管及材料參數

某項目隔水套管及材料的基本參數見表1。

1.2 分析流程

隔水套管的扶正分析，首先需要建立有限元模型，對模型進行線彈性分析，根據規范判斷是否需要進行屈曲分析。可先進行線性屈曲分析，得到套管屈曲的特征值，再進行非線性屈曲分析，得到套管在特點受力情況下的響應。隔水套管扶正屈曲分析流程如圖1所示。

1.2.1 分析模型

隔水套管兩端簡支，在自身重力作用下，在豎直平面內產生彎曲，需要校核套管的長度為多少，或者施加多大的輔助外力后，套管才不會發生屈曲失穩（圖2）。

采用公式計算套管在自身重力作用下，兩端簡支時，最大應力豎直。這部分分析不考慮結構的失穩，僅從線彈性范圍內計算套管的最大應力，以便與非線性屈曲分析的結果進行比較。根據材料力學的知識可知，兩端簡支套管在均勻力作用時，應力最大截面為中間截面，彎曲應力為

式中：Mmax為中間截面的最大彎矩，Mma=ql2 為截面抗彎系數， ，其中 D 為隔水套管的外徑， d 為隔水套管內徑，計算最大彈性彎曲應力為246.83MPa 。

采用ABAQUS軟件的Risk方法進行隔水套管扶正非線性屈曲分析，繪制位移和屈曲荷載曲線。非線性屈曲分析被稱為不穩定倒塌和后屈曲分析，其分析結果可以得到結構釋放應變能的轉折點及結構失穩后的后屈曲響應，針對本例模型有很好的模擬作用。

從套管屈曲過程的受力云圖（圖3一圖5）可以看出，套管從平躺狀態進行扶正，從動作開始到結束，套管的中間截面一直是受力和變形最大的截面，如果發生屈曲，也是首先從中間截面開始蔓延。從圖6曲線可以看出，套管在受力約為 32t 的時候發生屈曲，而此套管的自重為 34.53t ，因此在套管達到最大彈性應力之前就已經發生屈曲。此結果說明，在對套管扶正進行分析時，不能僅以彈性結果作為依據進行評估，還應對穩性結果進行評估，

1.2.2 分析方法

根據GB50017—2017《鋼結構設計標準》，鋼管鋼材牌號為Q345的鋼材，壁厚在 16～30mm 之間時，抗彎強度設計值 f=335MPa ，結構整體穩定性判斷的公式為

式中： φ 為穩定系數，根據套管的長細比和材料特性從

GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中查表可知 φ= 0.706，據此判斷上述公式的左邊等于 349MPa ，右邊為 335MPa ，因此不滿足規范要求，需要采用其他方法降低套管的彎曲應力。

2 敏感性分析

分析得到套管扶正的分析方法和結果后，針對各個參與因素進行敏感性分析，以得到套管扶正的屈曲關鍵影響因子，為優化設計和預防風險提供目標和方向。采用控制變量的方法，研究壁厚、長度、直徑等因素對隔水套管扶正最大彎曲應力的影響

2.1隔水套管壁厚對彎曲應力的影響

隔水套管壁厚對彎曲應力的影響如表2和圖7所示。由圖7可知，壁厚不同的隔水套管，產生屈曲變形的受力拐點幾乎相同，說明調整壁厚對改變隔水套管的柔度沒有太大的幫助，但是降低壁厚可以降低隔水套管的自重，減小隔水套管在考慮穩性時的彎曲應力。

2.2隔水套管長度對最大彎曲應力的影響

隔水套管長度對中間節點集中力和位移的影響顯著變大，如表3和圖8所示，考慮到縮短長度后，隔水套管的自重顯著下降，雖然發生屈曲時的受力上限沒有多大的減小，但是對比其他因素，減小長度對受力的改變最為明顯。

2.3隔水套管直徑對最大彎曲應力的影響

隔水套管直徑對套管受力性能的改變主要是改變了截面的抗彎系數W，其效果與改變壁厚類似，雖然增加直徑對提高抗彎性能有幫助，但是同時也增加了重量，增加隔水套管的受力，對中間節點應力的改善被抵消了一部分（表4）。

2.4套管合理分節分析

在敏感性分析的基礎上，根據前面計算模型的校核對隔水套管分節和扶正進行分析，根據分析結果可知： ① 隔水套管的壁厚越厚，抗彎性能越好，但是壁厚增加，將會增加隔水套管的自重，使隔水套管在中間截面的彎曲應力增加； ② 縮短隔水套管的長度能有效提升隔水套管的抗彎性能，提高隔水套管扶正的穩定性，并且縮短套管能減小自重。按前述的計算結果，直徑為32英寸，壁厚為1英寸的隔水套管，合理分節的長度約為 60～65m 。

3結論

1）隔水套管扶正的計算分析應考慮套管的長細比帶來的失穩風險，不能僅從彈性受力的角度檢查危險截面的彎曲應力，根據GB50017—2003《鋼結構設計規范》，考慮穩性之后，許用應力約為不考慮穩性時許用應力的 70% 。

2）隔水套管的分節還應從施工船舶的能力入手，在滿足扶正分析的前提下，盡可能最大發揮施工船舶吊高能力，減少隔水套管的分節，提高海上施工效率。

3）如果為了發揮施工船舶的能力，優化隔水套管分節，調整直徑和壁厚不是有效的手段。

4可以考慮從隔水套管中間截面施加與重力反方向的外力，減少中間截面的受力，這樣可以增加隔水套管的長度，發揮施工船舶能力。

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