牛愛軍,牛 輝,苑清英,黃曉輝

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

深水海底管道的抗壓潰屈曲性能試驗(yàn)研究*

牛愛軍1,2,牛 輝1,2,苑清英1,2,黃曉輝1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了明確深水海底管道的抗深水壓潰性能，防止管道發(fā)生壓潰屈曲及屈曲擴(kuò)展破壞，采用有限元模擬及實(shí)物管件外壓測試試驗(yàn)的方法，對開發(fā)的X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm規(guī)格深海用厚壁直縫埋弧焊接鋼管管件在35 MPa均布外壓載荷下的抗深水壓潰屈曲性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。深海高壓模擬試驗(yàn)艙外壓測試試驗(yàn)表明，管件在不承受內(nèi)壓的條件下，最大外壓加載至35 MPa，并保壓15 min，管件無失穩(wěn)、凹陷或壓潰現(xiàn)象，管件的變形屬于彈性變形。研究結(jié)果表明，試驗(yàn)管件的強(qiáng)度能夠承受35 MPa的靜態(tài)外壓載荷，具備抵抗相當(dāng)于3 500 m水深的海底管道的壓潰屈曲能力。

深水海底管道；壓潰；屈曲；有限元分析；外壓

Abstract:In order to define the crushing resistance of deepwater submarine pipeline,prevent pipeline crushing buckling and buckling propagation destruction.The test research on resistance to crushing buckling performance of the developed X70 steel grade Φ914 mm×36.5 mm thick wall SAWL pipe fittings（used for deepwater submarine pipeline）were studied,at 35 MPa uniform external pressure loading,by adopting finite element simulation and real pipe fitting external pressure test.The external pressure test of deep-sea high pressure simulation experiment cabin showed that the maximum external pressure load to 35 MPa without internal pressure,and the pressure holding for 15 minutes,without unstability,concave or crushing phenomenon appeared on fittings and the deformation of fitting belongs to elastic deformation.The experiment results indicated that the strength of the test fittings can withstand 35 MPa static external pressure load,possesses the capacity of resistance to crushing buckling of submarine pipeline equivalent to 3 500 meters water depth.

Key words:deepwater submarine pipeline;crushing;bucking;finite element analysis;external pressure

近年來，世界石油勘探重點(diǎn)已由陸地轉(zhuǎn)向海洋、淺海轉(zhuǎn)向深海，深水和超深水的油氣資源的勘探開發(fā)已經(jīng)成為世界油氣開采的重點(diǎn)領(lǐng)域，深水海底管道也已成為深海油氣開發(fā)工程的重要組成部分[1-2]。由于海洋環(huán)境的特殊性以及海上油氣生產(chǎn)的復(fù)雜性，在低溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的海洋環(huán)境中的海底管道，不僅承受著內(nèi)外壓力、軸向力、彎矩等靜載荷和溫度荷載的聯(lián)合作用，而且還要承受交變的外壓、腐蝕、波浪、海流等動(dòng)載荷的作用，使管道承受著多種載荷的聯(lián)合作用并引發(fā)多種形式的破壞[3-4]。隨著海洋油氣資源勘探開發(fā)邁向深水和超深水海域，對海底油氣管道提出了更高的要求[5]。

壓潰屈曲及屈曲傳播是深水管道受外壓作用下產(chǎn)生的特有現(xiàn)象。當(dāng)前，油氣管道在深海鋪設(shè)過程中的受力性能和屈曲失穩(wěn)引起了廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者對單層管在各種荷載組合作用下的屈曲失穩(wěn)已做了大量深入的研究[6-9]。海底管道承受著自重、外部靜水壓力、管道內(nèi)外溫度差異引起的熱膨脹力、覆蓋物及海床作用力等諸多載荷，在多種載荷的聯(lián)合作用下，深水管道在自身缺陷和外力作用下可能發(fā)生局部的屈曲失穩(wěn)破壞，即管道的壓潰[10]。當(dāng)這種壓潰發(fā)生后，若滿足一定條件還可能發(fā)生屈曲傳播，這不僅大大增加了管道修復(fù)所需的費(fèi)用，同時(shí)也會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的影響[11-12]。完好管道從產(chǎn)生局部壓潰屈曲到屈曲擴(kuò)展整個(gè)過程的立管截面變化過程如圖1[13]所示。研究表明，管道在深海極端環(huán)境中的穩(wěn)定性失效是其破壞的主要模式，一旦發(fā)生局部壓潰，將誘發(fā)屈曲傳播，導(dǎo)致管線整體失效，后果十分嚴(yán)重，因此防止管道壓潰失效是保障深海管道結(jié)構(gòu)安全所必須要解決的關(guān)鍵問題[14]。

圖1 深水管道屈曲產(chǎn)生過程

為了增強(qiáng)抵抗屈曲的能力，深海管道在設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇壁厚較大、管徑較小和尺寸精度高的鋼管[15]。因此，分析各種因素對管道靜水壓潰壓力的敏感性影響，從而在管道設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)和運(yùn)營過程中對這些敏感性因素進(jìn)行合理的控制，具有重要的工程意義。本研究采用有限元模型計(jì)算及實(shí)物鋼管外壓試驗(yàn)的方法，對開發(fā)的深海用X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm厚壁直縫埋弧焊管進(jìn)行了35 MPa（相當(dāng)于3 500 m水深壓力）均布外壓載荷下的抗深水壓潰性能試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)鋼管的主要性能

試驗(yàn)鋼管是采用JCOE制管工藝生產(chǎn)的X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm的直縫埋弧焊接鋼管，鋼管具有高強(qiáng)度、大壁厚、小徑厚比（D/t）等深海用管線鋼管的特性。鋼管管體及焊接接頭的力學(xué)性能性能檢測結(jié)果見表1和表2[16]。

表1 試驗(yàn)用X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管拉伸性能

表2 試驗(yàn)用X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊管沖擊韌性（-20℃）

由表1和表2可以明顯看出，試驗(yàn)鋼管具有高強(qiáng)度、高塑性和優(yōu)異的低溫韌性，符合DNVOS-F101《海底管線規(guī)范》的力學(xué)性能指標(biāo)要求，滿足深海用管線鋼管在強(qiáng)度、塑性、韌性等方面的高性能要求。

2 靜水壓作用下鋼管壓潰數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元分析軟件對靜水壓作用下鋼管的壓潰進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在試驗(yàn)前，采用ANSYS特征值屈曲分析預(yù)測靜水壓作用下管件的壓潰載荷，將其作為試驗(yàn)加載的參考值；得出試驗(yàn)結(jié)果后，采用非線性屈曲分析模塊計(jì)算出精確結(jié)果并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2.1 有限元建模

在對深水管道進(jìn)行屈曲分析時(shí)，管道常常被模擬為圓環(huán)或圓柱殼。根據(jù)試件結(jié)構(gòu)的對稱性，結(jié)合有限元分析特點(diǎn)，取管件的1/8模型進(jìn)行有限元建模，如圖2所示。模型中A面、B面、C面均為模型的對稱面，施加了對稱約束，外表面施加35 MPa均布外壓，35 MPa為深海高壓模擬試驗(yàn)艙的最大試驗(yàn)載荷，試件內(nèi)表面壓力為0。管件整體模型采用六面體網(wǎng)格劃分，單元數(shù)110 907，節(jié)點(diǎn)數(shù)434 821。

圖2 管件模型及邊界條件

2.2 有限元結(jié)果分析

根據(jù)管件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立柱坐標(biāo)系，以管件中軸線為柱坐標(biāo)系z軸，以管件徑向?yàn)橹鴺?biāo)系x軸，圖3所示為管件在35 MPa內(nèi)壓載荷下的應(yīng)力分布情況。圖3（a）為軸向應(yīng)力分布，除了端部封板的影響因素外，管件軸向應(yīng)力為228 MPa均布壓應(yīng)力。管件徑向應(yīng)力如圖3（b）所示，管件徑向應(yīng)力較小，并且沿管壁厚度方向由外向內(nèi)逐漸減小。管件整體的Mises等效應(yīng)力分布如圖4所示，管壁內(nèi)側(cè)395 MPa，外壁334 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在封板內(nèi)側(cè)與管件的接縫位置，最大達(dá)到800 MPa，該位置應(yīng)力急劇增大的原因主要是結(jié)構(gòu)的不連續(xù)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。圖5為管件等效應(yīng)變分布情況，管件內(nèi)壁應(yīng)變?yōu)?.002。圖6為管件變形分布情況，其中圖6（a）為徑向變形分布情況，管件徑向最大變形量約0.85 mm。圖6（b）為管件軸向變形分布情況，管件軸向最大變形量約1.05 mm。

圖3 試驗(yàn)管件應(yīng)力分布

圖4 試驗(yàn)管件Mises等效應(yīng)力

圖5 試驗(yàn)管件Mises等效應(yīng)變

圖6 試驗(yàn)管件變形分布情況

根據(jù)管件材料力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度最小值為492 MPa，抗拉強(qiáng)度最小值為628 MPa，而管件的最大等效應(yīng)力為395 MPa，可判定其安全系數(shù)為1.25。由于封板附近最大等效應(yīng)力達(dá)到803 MPa，針對該位置進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，以應(yīng)力變化梯度最大的方向建立路徑，該路徑上的薄膜應(yīng)力為Pm=139.76 MPa，最大彎曲應(yīng)力Pb=335.96 MPa，Pm+Pb=475.72 MPa≤1.25[σ]=615 MPa，滿足ASME Ⅷ應(yīng)力分析設(shè)計(jì)法中的應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，因此管件能夠滿足在承受35 MPa外壓條件下的強(qiáng)度要求。

3 管道壓潰屈曲性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm規(guī)格深海管線鋼管的外壓承載性能測試所使用的主要設(shè)備為深海高壓模擬試驗(yàn)艙，該設(shè)備主要用于水深3 500 m以內(nèi)產(chǎn)品的內(nèi)、外部壓力試驗(yàn)，設(shè)備的參數(shù)艙內(nèi)容積為Φ2 500 mm×5 000 mm，模擬深海壓力0～35 MPa，壓力控制精度±2%，應(yīng)變采集通道數(shù)為32。試驗(yàn)所采用的應(yīng)變采集儀型號為MX1615。

3.2 試驗(yàn)管件

為了測試管件在單純承載外壓下的承壓性能，采用封板對測試鋼管兩端進(jìn)行封堵，封板強(qiáng)度能夠滿足35 MPa的壓力載荷。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，以最大限度減弱端部封板對外壓測試的影響，試驗(yàn)管件選用了較高的長徑比，同時(shí)考慮高壓試驗(yàn)艙的空間尺寸，試驗(yàn)管件的設(shè)計(jì)長度為3 600 mm，長徑比約為4∶1，試驗(yàn)管件的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)管件結(jié)構(gòu)

3.3 試驗(yàn)方案

外壓測試在深海高壓模擬試驗(yàn)艙中進(jìn)行，以清水為介質(zhì)，試驗(yàn)采用分級加壓方式進(jìn)行，壓力分為6級，分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa和35 MPa，最終達(dá)到對艙內(nèi)的海管試件施加35 MPa的均布外壓載荷，每級之間保壓時(shí)間為3 min，加至最高壓力35 MPa后，保壓15 min，要求在穩(wěn)壓期內(nèi)的壓降不超過3%。

3.4 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了排除其他因素對管件抗壓潰屈曲性能測試的影響，采用內(nèi)靜水壓試驗(yàn)對管件的密封性和承壓性能進(jìn)行了測試，內(nèi)壓試驗(yàn)最大試驗(yàn)壓力設(shè)定為21 MPa。經(jīng)計(jì)算分析，在最大內(nèi)壓試驗(yàn)載荷下管件產(chǎn)生的應(yīng)力不超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致管件的塑性變形。內(nèi)壓驗(yàn)證試驗(yàn)采用400 MPa靜水壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行加壓，試驗(yàn)介質(zhì)為清水，試驗(yàn)壓力21 MPa，采用分級加壓方式逐級向管件內(nèi)部施加水壓，壓力分為3級，分別為7 MPa、14 MPa和21 MPa，每級保壓時(shí)間均為3 min，內(nèi)壓加載曲線如圖8所示。剛開始加壓時(shí)，由于管件內(nèi)存在氣體，壓力波動(dòng)相對較大，屬于正?，F(xiàn)象，隨著氣體的排出，壓力趨于穩(wěn)定。在整個(gè)內(nèi)壓試驗(yàn)過程中管件無明顯滲漏，證明了管件兩端封板的焊縫強(qiáng)度及密封性能滿足要求，可進(jìn)行外壓試驗(yàn)。

圖8 內(nèi)壓加載曲線

通過試驗(yàn)前的有限元理論分析可知，管件在受外壓載荷時(shí)，管壁的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力較大，為應(yīng)力主要分量，因此在管件外壁特定位置粘貼上帶有引線的耐壓防水性應(yīng)變片，并用703硅橡膠對應(yīng)變片進(jìn)行了防護(hù)處理，應(yīng)變片在管件上的布置如圖9所示。通過設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集高壓艙內(nèi)管件軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變載荷數(shù)據(jù)，以監(jiān)測管件在外壓作用下的力學(xué)響應(yīng)情況。

圖9 應(yīng)變片分布圖

3.5 外壓性能測試試驗(yàn)

外壓測試試驗(yàn)最大壓力設(shè)定為35 MPa，按照試驗(yàn)方案分級加壓。管件的外壓加載曲線如圖10所示，試驗(yàn)過程中在加壓至5 MPa后，保壓了約200 min，在保壓期間，最大壓降為0.05 MPa，僅有1%，充分證明了加壓的準(zhǔn)確性。按照試驗(yàn)方案進(jìn)行分級加壓，加載至35 MPa后，保壓15 min，保壓期壓降約0.34 MPa。

圖10 外壓加載曲線

按照圖9所示的應(yīng)變布置方案對應(yīng)變片進(jìn)行了編號，1號應(yīng)變儀的前12個(gè)通道分別為管件12個(gè)測點(diǎn)的周向應(yīng)變，2號應(yīng)變儀的前12個(gè)通道分別為管件12個(gè)測點(diǎn)的軸向應(yīng)變。在加壓過程中的各級保壓期間，對各測點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行了記錄，具體數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 試驗(yàn)管件各分級壓力下的徑向應(yīng)變數(shù)據(jù)

表4 試驗(yàn)管件各分級壓力下的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)

由于試驗(yàn)管件承受的是均布外壓，為了進(jìn)一步降低測試誤差，可將管件同一橫截面的測試值進(jìn)行算術(shù)平均值化處理，由此可得出管件在承受35 MPa均布外壓時(shí)，中部橫截面徑向應(yīng)變?yōu)?1 772 με，對應(yīng)應(yīng)力為-365 MPa，軸向應(yīng)變?yōu)?588 με， 對應(yīng)應(yīng)力為-121 MPa， “-”號表明測試值為壓應(yīng)力。另外，在高壓艙泄壓后，除了異常測點(diǎn)，其他實(shí)時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)基本都恢復(fù)到了初始值，表明管件在加壓過程中的變形量在彈性范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

（1）具有高強(qiáng)度、大壁厚、小徑厚比（D/t）和高尺寸精度等特性的管線鋼管是增強(qiáng)深海管道抵抗壓潰屈曲能力的重要保證。

（2）對X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm直縫埋弧焊接鋼管管件35 MPa外壓下的有限元模型分析結(jié)果表明，試驗(yàn)管件強(qiáng)度能夠承受35 MPa的靜態(tài)外壓載荷。

（3）在深海高壓模擬試驗(yàn)艙中對X70鋼級Φ914 mm×36.5 mm規(guī)格直縫埋弧焊接鋼管管件進(jìn)行承壓性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，管件在不承受內(nèi)壓的條件下，最大外壓加載至35 MPa，并保壓15 min，管件無失穩(wěn)、凹陷或壓潰現(xiàn)象，管件的變形屬于彈性變形，即表明試驗(yàn)管件強(qiáng)度具備抵抗相當(dāng)于3 500 m水深的海底管道的壓潰屈曲能力。

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Test Research on Resistance to Crushing and Buckling Behavior of Deepwater Submarine Pipeline

NIU Aijun1,2,NIU Hui1,2,YUAN Qingying1,2,HUANG Xiaohui1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi，China； 2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TG335.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.002

2017-01-03

編輯：黃蔚莉

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目“深海高壓油氣輸運(yùn)高強(qiáng)厚壁管材關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目號2013AA09A219）。

牛愛軍 （1980—），男，漢，陜西武功人，高級工程師，主要從事油氣管材的新產(chǎn)品開發(fā)、新工藝、新技術(shù)研究工作。