徐 慧郭學(xué)龍

（1.天津大學(xué)； 2中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司）

海上漂浮輸油軟管拉伸特性分析方法的適用性研究*

徐 慧1郭學(xué)龍2

（1.天津大學(xué)； 2中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司）

根據(jù)海上漂浮輸油軟管為具有粘合性及單根纏繞鋼筋加強(qiáng)的多層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用分層組合理論，利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)軟管進(jìn)行整體拉伸特性分析。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，該計(jì)算方法盡管與試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，但在一定程度能夠反映漂浮軟管結(jié)構(gòu)的拉伸特點(diǎn)，可用于軟管結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)估算。

漂浮輸油軟管；分層組合；拉伸特性；有限元分析；拉伸試驗(yàn)

海上漂浮輸油軟管多用于船及船岸油氣輸送，由于其柔性較大，主要承受沿管線長(zhǎng)度方向的拉力，管線具有多層加強(qiáng)尼龍簾線和單根螺旋纏繞的加強(qiáng)鋼筋，結(jié)構(gòu)形式與制造工藝均較為復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)多依賴于進(jìn)口，對(duì)其研究、設(shè)計(jì)、制造等尚不成熟。對(duì)于類似的復(fù)合型管，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行過一些研究：J．F．McNamara［1-2］提出薄壁管組合理論，將加強(qiáng)聚合物視為正交各向異性材料；鄭津洋等［3-4］將鋼絲增強(qiáng)塑料復(fù)合管（PSP）視為三層結(jié)構(gòu)，鋼絲加強(qiáng)復(fù)合層視為線性各向異性；古凡、黃成奎等［5］綜合采用了分層組合法與復(fù)合材料等效方法研究海底輸油軟管；曾季芳［6］認(rèn)為復(fù)合管管體材料均為線性各向同性；徐慧等［7］采用多層組合模型，但考慮了橡膠材料的超彈性特點(diǎn)；岳前進(jìn)等［8-9］提出了海洋柔性管的拉伸試驗(yàn)方法及提高抗拉能力的改進(jìn)方法。可見，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于類似復(fù)合型管的研究普遍采用分層組合模型，并對(duì)管體材料進(jìn)行線性化與均勻化簡(jiǎn)化，但上述文獻(xiàn)均未明確分析這種經(jīng)常采用的方法與實(shí)際情況的吻合度如何。

為此，本文采用軟管材料分層均勻化與線性化假定及分層組合理論，對(duì)一正在研制的粘合型漂浮管線建立有限元分析模型，計(jì)算軟管截面拉伸特性，并將有限元計(jì)算結(jié)果與該軟管的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，力圖通過分析確定計(jì)算方法的適用性。結(jié)果表明，筆者提出的有效軟管拉伸特性簡(jiǎn)化分析方法在初始設(shè)計(jì)階段對(duì)估算軟管的力學(xué)特性、指導(dǎo)今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高效率、節(jié)約研發(fā)成本等均具有非常重要的作用。

1 漂浮輸油軟管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與拉伸特性分析模型

1.1 輸油軟管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1為國(guó)內(nèi)試制漂浮輸油軟管外觀圖，單根漂浮輸油軟管長(zhǎng)度為8.5 m，內(nèi)徑為300 mm，管體兩端有鋼質(zhì)連接法蘭，管體外側(cè)等間距設(shè)置一系列加強(qiáng)箍圈。該漂浮輸油軟管為復(fù)合型管，從內(nèi)到外根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)形式與材料特性的不同分為多個(gè)層，各層在管體兩端與法蘭進(jìn)行有效連接，其橫截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。各結(jié)構(gòu)層具有以下特點(diǎn)：

圖1 國(guó)內(nèi)試制的漂浮輸油軟管外觀圖

圖2 漂浮輸油軟管橫截面示意圖

1）內(nèi)膠層、中膠層與外膠層均為合成橡膠材料，具有耐磨損、抗腐蝕的特點(diǎn)。

2）內(nèi)簾線加強(qiáng)層與外簾線加強(qiáng)層分別包含8層按照正負(fù)55°交叉布置的帶捻尼龍簾線。

3）加強(qiáng)鋼筋為單根大角度纏繞形式，采用45＃鋼，直徑為8 mm，纏繞螺距為60 mm，作為輸油軟管的骨架能夠有效約束管體的變形。

4）漂浮層為高密度輕質(zhì)海綿材料，厚度為80 mm，主要提供輸油軟管的漂浮浮力。

5）外部保護(hù)層涂于漂浮層外側(cè)，能夠防止海水腐蝕管體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2 輸油軟管的拉伸特性分析模型

基于輸油軟管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用分層組合理論，對(duì)輸油軟管進(jìn)行宏觀拉伸特性分析。分析時(shí)不考慮漂浮層及外保護(hù)層影響，并采用以下假設(shè)：

1）分層假設(shè)。各部分根據(jù)其結(jié)構(gòu)與材料不同而分為一系列層。

2）粘合假設(shè)。受外力作用時(shí)，內(nèi)部各層不發(fā)生分離，鋼筋完全埋入中膠層中，不沿其孔道發(fā)生滑動(dòng)，始終保持粘合接觸。

3）平斷面假設(shè)。同一截面上各層具有相同的伸長(zhǎng)，始終保持為平面。

4）無缺陷假設(shè)。所有材料均無缺陷，充滿其所在空間，同時(shí)制造工藝不會(huì)引起材料缺陷。

由于管體主要為橡膠結(jié)構(gòu)，橡膠材料特性對(duì)其化學(xué)成分敏感，且加強(qiáng)層中尼龍簾線數(shù)總體數(shù)量大，無法考慮其真實(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故對(duì)橡膠材料以及尼龍簾線加強(qiáng)橡膠部分材料特性進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1）橡膠為典型的非線性超彈性材料，不考慮各部分橡膠材料配比差異的影響，認(rèn)為在小變形條件下（＜10%）所有橡膠材料為各向同性線彈性材料。

2）將單根簾線股視為均勻的尼龍圓柱體，按照復(fù)合材料單向加強(qiáng)理論［10-11］，將簾線加強(qiáng)橡膠單層復(fù)合結(jié)構(gòu)視為均勻的線性各向異性材料。

2 基于ABAQUS有限元計(jì)算的漂浮輸油軟管拉伸特性分析

2.1 有限元計(jì)算模型

圖3 漂浮輸油軟管計(jì)算模型

采用有限元法進(jìn)行理論分析時(shí)，不考慮輸油軟管兩端與法蘭進(jìn)行連接時(shí)結(jié)構(gòu)形式的變化，取管體中間結(jié)構(gòu)均勻部分進(jìn)行建模分析，漂浮輸油軟管有限元計(jì)算模型如圖3所示。為減少兩端邊界約束的影響，同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力與效率，計(jì)算模型長(zhǎng)度取4 mm。為模擬管道的宏觀拉伸特點(diǎn)，一端剛性固定，另外一端可在拉力的作用下軸向移動(dòng)。加載與試驗(yàn)載荷保持一致，最大拉伸載荷取237 k N。在ABAQUS建模時(shí)采取的關(guān)鍵操作技術(shù)為：

1）為模擬多層組合結(jié)構(gòu)，將管體劃分為不同的層，各層分別賦予相應(yīng)的材料屬性，利用COMPOSITE LAYUPS鋪層工具設(shè)置尼龍簾線加強(qiáng)層的材料屬性。

2）假定加強(qiáng)鋼筋不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，鋼筋單元與管體中膠層單建立EMBED約束。

3）在2個(gè)端面中心處建立參考點(diǎn)，并與端面上的節(jié)點(diǎn)建立耦合COUPLING約束。一端參考點(diǎn)剛性固定，另一端參考點(diǎn)能夠自由移動(dòng)，軸向拉力施加在可移動(dòng)的參考點(diǎn)上，輸出該點(diǎn)的拉力值與位移值。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

漂浮輸油軟管拉伸特性有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可以看出，在整個(gè)加載過程中輸油軟管拉力與伸長(zhǎng)量具有近似線性關(guān)系，在最大拉伸載荷為237 kN時(shí)端部伸長(zhǎng)為108.4 mm。從宏觀上將管線視為一受軸向拉伸的桿，根據(jù)其拉力伸長(zhǎng)量關(guān)系得到軟管截面等效拉伸剛度為8 745 k N／mm。

圖4 漂浮輸油軟管拉伸特性有限元計(jì)算結(jié)果

3 有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

為驗(yàn)證該簡(jiǎn)化分析方法對(duì)于漂浮輸油軟管整體拉伸特性分析的適用性，采用理論計(jì)算的工況載荷，對(duì)漂浮輸油軟管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)輸油軟管一端剛性固定，另一端施加軸向拉伸載荷，測(cè)量軸向拉力與端部位移之間的關(guān)系。

3.1 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由于計(jì)算模型長(zhǎng)度與試驗(yàn)軟管長(zhǎng)度不同，因此不考慮長(zhǎng)度因素的影響，僅比較軸向拉力與延伸率之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)過程中輸油軟管整體拉力伸長(zhǎng)量呈非線性特點(diǎn)，并且在相同拉力的作用下，試驗(yàn)延伸率均大于計(jì)算結(jié)果（圖5）。試驗(yàn)結(jié)果表明，在拉伸初始階段（拉力小于50 k N）時(shí)，軟管的拉力延伸率具有明顯非線性特點(diǎn)，受軟管的制造工藝以及制造缺陷等因素的影響，該段的非線性特性很不穩(wěn)定；在拉伸中段范圍內(nèi)（拉力為50～200 k N），軟管拉伸具有近似線性的特點(diǎn)，并且其具有較好的重復(fù)性。因此，分別從整個(gè)拉伸過程及拉伸中段2個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 漂浮輸油軟管有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

對(duì)整個(gè)拉伸過程進(jìn)行分析，試驗(yàn)點(diǎn)的近似擬合曲線為

式（1）中：x為延伸率，%；y為拉力，10 k N；擬合精度系數(shù)R2＝0.99，擬合精度較高。

根據(jù)應(yīng)變能一致的原則，得到軟管的等效線性拉伸剛度特性。要求軟管與其等效線性管在相同變形情況下應(yīng)具有相同的應(yīng)變能，即在伸長(zhǎng)量為u時(shí)應(yīng)變能為U1與U2應(yīng)滿足

式（2）～（4）中：ε為應(yīng)變能之差；U1為等效線型管應(yīng)變能，J；U2為實(shí)際管應(yīng)變能，J；E為彈性模量；A為管道截面積；L為管長(zhǎng)；μ為管道伸長(zhǎng)量；T為軸向拉力。

軟管的等效線性拉伸剛度為

以軟管試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，得到軟管的等效線性拉伸剛度為5 969 k N／mm，與有限元計(jì)算結(jié)果相差－31.74%。

對(duì)拉伸中段分析時(shí)，不考慮拉伸初始階段的影響，對(duì)拉力在50～200 k N范圍內(nèi)的試驗(yàn)點(diǎn)按照最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到的擬合直線為

此時(shí)，R2＝0.97，得到拉伸中段等效拉伸剛度為11 137 k N／mm，與有限元計(jì)算結(jié)果相差27.35%。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，有限元計(jì)算結(jié)果雖不能準(zhǔn)確模擬漂浮輸油軟管在拉伸初始階段的非線性特點(diǎn)，但能夠在一定程度上體現(xiàn)軟管拉伸特性，并與拉伸中段的近似線性拉伸剛度較接近，因此該模型能夠用于漂浮輸油軟管初始設(shè)計(jì)階段的拉伸特性近似估算。

3.2 差異原因分析

從上述對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的主要差異在于計(jì)算結(jié)果不能體現(xiàn)管線等效拉伸剛度隨延伸率變化的特點(diǎn)，分析其原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）計(jì)算模型假設(shè)所有材料為均勻無缺陷的，同時(shí)制造工藝引起的內(nèi)部初始缺陷問題也未考慮，但實(shí)際軟管存在一定的初始材料缺陷及工藝缺陷。

2）計(jì)算模型將尼龍簾線加強(qiáng)橡膠復(fù)合材料簡(jiǎn)化為均勻的線性各向異性材料，忽略了尼龍簾線受拉退捻以及簾線橡膠界面非均勻影響。

3）計(jì)算模型假設(shè)各部分受載后不會(huì)發(fā)生破壞，但實(shí)際軟管可能會(huì)由于制造工藝問題在受載時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，且該破壞在外觀上難以發(fā)現(xiàn)。

4）拉伸試驗(yàn)須按照一定的速度緩慢加載，導(dǎo)致軟管產(chǎn)生一定的蠕變，而計(jì)算模型并未考慮材料的蠕變特性。

由于目前難以從理論上評(píng)估材料及工藝的初始缺陷程度，且復(fù)合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)理論中對(duì)簾線加強(qiáng)復(fù)合材料的非線性特性研究尚不成熟，所以目前對(duì)復(fù)合型管分析時(shí)通常采取忽略材料及工藝缺陷，將材料特性均勻化和線性化簡(jiǎn)化的方法。盡管近似方法的分析精度并不高，但對(duì)于復(fù)合型管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語

盡管本文所用分析模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，但在一定程度能夠反映漂浮軟管結(jié)構(gòu)的拉伸特點(diǎn)，可用于軟管結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)階段的拉伸特性估算。為準(zhǔn)確估算軟管的力學(xué)特性和指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)簾線加強(qiáng)橡膠材料的非線性特點(diǎn)以及可能出現(xiàn)的管體層間分離破壞問題還需進(jìn)一步研究。

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Feasibility study of method analyzing floating flexible oil hose tensile property

Xu Hui1Guo Xuelong2
（1.Tianjin University，Tianjin，300072；2.China National Petroleum Offshore Engineering Co.Ltd.，Beijing，100028）

Floating flexible oil hose is characterized structurally with multi layers bonded and single steel winding reinforced，so the tensile property of a floating flexible hose is analyzed by the multi-layered method and FEM software ABAQUS．Comparison with the tensile test results shows that though the method used here is not precise enough，it can reflect the hose’s tensile property approximately．So the method can be used to estimate the structural property in the initial design stage．

floating flexible oil hose；multi-layered method；tensile property；FEM method；tensile test

2013-03-21改回日期：2013-06-30

（編輯：葉秋敏）

*中國(guó)海洋石油總公司科技項(xiàng)目“16寸漂浮軟管國(guó)產(chǎn)化試制研究”部分研究成果。

徐慧，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事船舶及海洋工程科研工作。地址：天津市衛(wèi)津路天津大學(xué)建筑工程學(xué)院（郵編：300072）。