黎世龍， 候 靜， 劉保權(quán)， 馬美琴,石臣剛， 尹 婷， 孫建幫， 何 俊

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司，海南 ?？?570000；2.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000；3.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

2017年，我國石油的消費(fèi)增長速度快速回升，但是國內(nèi)的原油產(chǎn)量卻已經(jīng)連續(xù)兩年下降，據(jù)估計(jì)我國全年的原油產(chǎn)量約為1.92億噸，同比下降了3.1%，而我國全年的原油表觀消費(fèi)量約為6.1億噸，同比增長6%[1].隨著我國陸地的油氣資源逐漸枯竭，而新能源的開發(fā)利用短時(shí)期內(nèi)還無法有效替代化石燃料，因此我國把海上油氣資源開發(fā)作為能源戰(zhàn)略的重要支撐點(diǎn)[2-3].到目前為止，我國國內(nèi)還沒有成熟的關(guān)于深水柔性管接頭的研究體系，沒有可以完全自主設(shè)計(jì)、制造深水柔性管及其適配接頭的公司和機(jī)構(gòu)，國內(nèi)深水油氣資源開采項(xiàng)目也面臨著只能與國外廠商進(jìn)行合作并承擔(dān)高昂項(xiàng)目支出的境遇.

在石油或天然氣等生產(chǎn)液運(yùn)輸中，深水柔性接頭是運(yùn)輸管道的關(guān)鍵組件，深水柔性接頭內(nèi)部彈性體是深水柔性接頭裝置的關(guān)鍵組件，深水柔性接頭內(nèi)部彈性體能夠顯著降低運(yùn)輸管道之間的運(yùn)動(dòng)力，其可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，具有高抗壓性能，使石油或天然氣等生產(chǎn)液的運(yùn)輸更安全，在高壓、低溫、高鹽環(huán)境等復(fù)雜工況下工作壽命至少在30年以上，并滿足300年的耐疲勞壽命[4-5].

為滿足深水柔性管接頭強(qiáng)度與疲勞壽命，對其進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)與有限元仿真，使其在規(guī)定的工況下滿足疲勞壽命要求.

1 有限元分析

1.1 橡膠層模型建立

1.1.1 橡膠材料選擇海洋溫度常年在-2 ℃到30 ℃，柔性接頭工作海域在20 m左右的深度，遠(yuǎn)高于橡膠的玻璃化溫度，柔性管運(yùn)輸?shù)墓ぷ饕簽槭突蛱烊粴獾壬a(chǎn)液，需要耐油性比較好的橡膠.表1為部分橡膠材料屬性，對于硅橡膠，拉伸強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度等機(jī)械性能較差，在常溫下其物理機(jī)械性能不及大多數(shù)合成橡膠；氟橡膠伸長率較低，僅有150%～300%，密度在橡膠中最大，且造價(jià)較高[6-7].相比較，丁腈橡膠耐油性極好，耐磨性較高，耐熱性好，黏結(jié)性強(qiáng)，對于柔性接頭的工作環(huán)境，能很好地滿足，故選用丁腈橡膠.

表1 橡膠材料屬性

1.1.2 材料參數(shù)仿真中使用的各項(xiàng)物理量數(shù)值單位如表2所示.

表2 物理量數(shù)值單位

仿真所選橡膠材料參數(shù)如表3所示.

表3 橡膠材料參數(shù)

橡膠的超彈性參數(shù)采用單軸拉伸、等雙軸拉伸、平面拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合所得到的本構(gòu)模型[8]，能更加精確模擬橡膠的力學(xué)行為，如表4所示.

表4 超彈性模型

橡膠的黏彈性采用論文的Prony級(jí)數(shù)系數(shù)[9]，如表5所示.

表5 黏彈性本構(gòu)模型參數(shù)

1.1.3 橡膠層建模圖1為橡膠與加強(qiáng)板賦值后效果圖.在對橡膠層進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到橡膠層在軸向拉伸與旋轉(zhuǎn)時(shí)，橡膠層最外側(cè)變形最大，重點(diǎn)是對兩側(cè)橡膠更加精細(xì)地劃分單元體，總共劃分54個(gè)單元體，如圖2所示.再對兩側(cè)通過局部種子加密網(wǎng)格，產(chǎn)生質(zhì)量更好的網(wǎng)格，如圖3所示.指派網(wǎng)格控制屬性，上下兩側(cè)網(wǎng)格類型為六面體，采用掃掠-中性軸算法，得到圖2頂部所示的條形網(wǎng)格.中部層疊橡膠結(jié)構(gòu)比較簡單，網(wǎng)格類型為六面體，采用結(jié)構(gòu)的畫法，如圖2所示黑白相間部位.網(wǎng)格效果如圖4所示.

圖1 賦予材料屬性后橡膠層Fig.1 Rubber layer after giving material properties

圖2 劃分單元Fig.2 Division unit

圖3 局部種子設(shè)置 圖4 橡膠網(wǎng)格Fig.3 Partial seed setting Fig.4 Rubber grid

1.1.4 載荷與邊界條件設(shè)置為了提高計(jì)算效率，僅分析二分之一模型，分別對延伸管與橡膠層對稱平面采用沿x軸的對稱固定[9]；橡膠層上表面與延伸管接觸面采用綁定約束，橡膠層下表面與閥體采用綁定約束，閥體底部約束三個(gè)方向平動(dòng)自由度與繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，橡膠層側(cè)面施加15 MPa的壓強(qiáng)模擬不可壓縮液體對橡膠的影響；對于初始溫度，考慮到橡膠傳熱較慢，故對于所有部件通過預(yù)定義場分別設(shè)置橡膠層溫度均為65 ℃，內(nèi)表面設(shè)置65 ℃溫度載荷，模擬柔性接頭在海洋環(huán)境下工作時(shí)的溫度變化以及溫度對橡膠的力學(xué)性能的影響，分別加載2 439.5 kN的軸向載荷與21.2°位移/轉(zhuǎn)角載荷于參考點(diǎn)上，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算.

1.2 螺栓、法蘭等模型建立

1.2.1 螺栓、法蘭等建模通過前期理論計(jì)算，螺栓需要的預(yù)緊力比較大，單個(gè)螺栓預(yù)緊力達(dá)到753 300 N，為防止出現(xiàn)壓潰法蘭的情況，同時(shí)模擬15 MPa工作壓力對密封圈的作用，故對上部分四分之一模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，整體三維模型如圖5所示.

圖5 上部分四分之一模型Fig.5 The upper quarter model

1.2.2 載荷與邊界條件設(shè)置因?yàn)槁菟ㄖ苯訑Q入閥體內(nèi)的螺紋孔，無螺母與之配合，故螺栓與閥體螺紋孔采用綁定約束模擬螺栓連接.選擇載荷界面下的螺栓載荷選項(xiàng)，分別對每個(gè)螺栓進(jìn)行加載，通過分割工具在螺栓上分割出加載界面，框選分割面，加載方法為施加力，大小為753 300 N.對于二分之一螺栓，所需要的施加力為完整螺栓的一半.

為方便施加液體壓強(qiáng)，密封圈簡化為矩形橫截面，分別對密封圈四個(gè)面設(shè)置接觸屬性，密封圈左側(cè)面施加15 MPa工作壓強(qiáng).

1.3 壽命計(jì)算理論模型建立

對于橡膠破壞歷程，通常包含兩個(gè)清晰的過程:微裂紋形成、成核的微紋擴(kuò)展直至失效.裂紋成核、生長、最后失效都可以在橡膠的斷裂機(jī)理中被明確定義，同時(shí)，有許多關(guān)于成核階段的觀點(diǎn)也非常值得關(guān)注.針對以上觀點(diǎn)，主要存在兩類預(yù)測橡膠疲勞壽命的方法：一類是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的裂紋萌生形成壽命法，另一類是基于斷裂力學(xué)理論的裂紋擴(kuò)展壽命分析方法[10].前者旨在揭示橡膠元件某局部位置的應(yīng)力、應(yīng)變的變化歷程和該橡膠元件壽命的內(nèi)在聯(lián)系.后者關(guān)注于橡膠元件中某局部位置的微小裂紋的擴(kuò)展過程及其對橡膠元件疲勞壽命的影響[11].

在fe-safe壽命分析軟件中，橡膠疲勞計(jì)算的核心理論為撕裂能法.撕裂能的概念，即裂紋每增長單位面積所需要的能量.這里采用該方法進(jìn)行柔性接頭壽命分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠層分析結(jié)果

圖6為橡膠在垂直載荷下的應(yīng)力應(yīng)變圖，應(yīng)力集中在強(qiáng)化板上部分，數(shù)值遠(yuǎn)低于強(qiáng)化板強(qiáng)度極限，屬于安全范圍，橡膠的破壞主要由應(yīng)變產(chǎn)生，而在垂向載荷下，最大處的對數(shù)應(yīng)變所對應(yīng)的伸長率也低于橡膠的斷裂伸長率，未出現(xiàn)破壞.

圖6 垂直載荷分析下結(jié)果Fig.6 Results under vertical load analysis

如圖7(a)所示，在21.2°轉(zhuǎn)角載荷下，加強(qiáng)板最大應(yīng)力為202.8 MPa，同理，圖7(b)為最大應(yīng)力為20 MPa時(shí)的橡膠應(yīng)力分布圖，個(gè)別位置加強(qiáng)板應(yīng)力超過20 MPa，橡膠整體應(yīng)力在20 MPa以下.圖8為橡膠應(yīng)變分布圖，最大應(yīng)變?yōu)?.99，均滿足安全要求.

圖7 21.2°轉(zhuǎn)角下應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution diagram at 21.2° rotation angle

圖8 21.2°轉(zhuǎn)角下應(yīng)變分布圖Fig.8 Strain distribution diagram at 21.2°rotation angle

圖9所示為21.2°時(shí)的扭矩值，因?yàn)榉治瞿Ｐ蜑槎种?，故橡膠層的扭矩值為590 kN/m，根據(jù)提供的扭轉(zhuǎn)剛度曲線可得，21.2°時(shí)所需的扭矩為467 kN/m，誤差略大，為25.6 %，但較大的剛度設(shè)計(jì)能使結(jié)構(gòu)偏安全，因此橡膠體的扭轉(zhuǎn)剛度滿足工程設(shè)計(jì)需要.

圖9 21.2°轉(zhuǎn)角下扭矩圖Fig.9 Torque diagram at 21.2°angle

將Abaqus計(jì)算所得軸向載荷分析步與轉(zhuǎn)角載荷分析步的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果導(dǎo)入到fe-safe中，載入不同載荷下的應(yīng)力應(yīng)變值，按照工況中的加載次數(shù)分別設(shè)置不同的循環(huán)次數(shù)，最終所得的疲勞壽命結(jié)果如圖10(a)與圖9(b)所示.

圖10 橡膠與加強(qiáng)板壽命圖Fig.10 Life diagram of rubber and reinforcing plate

橡膠層最低壽命為3 998年，主要集中在上下內(nèi)側(cè)邊緣與中部局部集中區(qū)域，加強(qiáng)板壽命滿足使用年限，整體的疲勞壽命高于300年，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

2.2 螺栓、法蘭等分析結(jié)果

在螺栓預(yù)緊15 MPa工作壓強(qiáng)、軸向1 219 680 N(因?yàn)闉樗姆种荒Ｐ停瘦S向載荷為實(shí)際的四分之一)載荷工況下，法蘭應(yīng)力分布圖如圖11所示.

圖11 法蘭應(yīng)力分布圖Fig.11 Flange stress distribution diagram

應(yīng)力最大值為288.7 MPa，與理論計(jì)算314 MPa誤差為7.85 %，說明計(jì)算符合真實(shí)情況，且低于法蘭的屈服強(qiáng)度515 MPa，校核安全.

2.3 密封圈分析結(jié)果

密封圈應(yīng)變分布圖如圖12所示.

圖12 密封圈應(yīng)變圖 圖13 密封圈壽命

最大應(yīng)變?yōu)?.28，遠(yuǎn)低于破壞所需應(yīng)變，校核安全.

2.4 整體壽命分析結(jié)果

按照Long Term Fatigue Load Histogram疲勞載荷工況進(jìn)行計(jì)算，圖13為密封圈壽命為84 020年.如圖14所示，螺栓、法蘭因?yàn)樵谄诠r下應(yīng)力應(yīng)變幅值比變化很小，故壽命很長，未出現(xiàn)破壞，二者壽命均高于300年，滿足設(shè)計(jì)要求.因?yàn)橥鈿んw結(jié)構(gòu)簡單，壁厚很厚，面與面之間過渡平滑，無結(jié)構(gòu)薄弱部分與應(yīng)力集中區(qū)域，整體偏向安全，故未將外殼體納入整體的疲勞計(jì)算.

圖14 整體疲勞壽命Fig.14 Overall fatigue life

3 結(jié)論

通過有限元仿真計(jì)算，柔性接頭整體的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，極限工況下各部件應(yīng)力、應(yīng)變均小于許用值.其中法蘭理論計(jì)算應(yīng)力為314 MPa，有限元仿真結(jié)果為287 MPa，誤差為7.85%，滿足工程設(shè)計(jì)需要.橡膠層21.2°時(shí)扭矩值為590 kN/m，與設(shè)計(jì)值467 kN/m誤差略大，為25.6%，但較大的剛度設(shè)計(jì)能使結(jié)構(gòu)偏安全，因此橡膠體的扭轉(zhuǎn)剛度滿足工程設(shè)計(jì)需要.橡膠體極限載荷下的軸向變形量仿真結(jié)果為1.267 mm，因此橡膠體的軸向剛度滿足工程設(shè)計(jì)需要.柔性接頭的整體壽命滿足設(shè)計(jì)要求，其中幾個(gè)關(guān)鍵部件壽命結(jié)果如下：(1)橡膠層最低壽命為3 998年，高于設(shè)計(jì)所需300年；(2)螺栓、法蘭應(yīng)力應(yīng)變幅值比變化很小，計(jì)算結(jié)果未出現(xiàn)破壞；(3)密封圈應(yīng)力應(yīng)變幅值比變化很小，計(jì)算結(jié)果為84 020年，不會(huì)出現(xiàn)失效.可見，柔性接頭滿足極限工況下各部件不破壞，疲勞工況下300年各部件不失效，故柔性接頭強(qiáng)度、剛度、壽命均滿足設(shè)計(jì)要求.