張英、李旭、熊海榮、王波、任翠青

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

深水海管的終端設(shè)施PLET為海管連接其他水下設(shè)施提供接口，PLET的安裝方式一般有兩種，一種為隨海管通過(guò)作業(yè)線一同鋪設(shè)到海底，另一種方式為使用臨時(shí)拖拉封頭先將海管鋪設(shè)到海底，然后再將海管起吊并使用懸掛接頭將海管懸掛在鋪管船舷側(cè)，在懸掛過(guò)程中焊接PLET，再整體下放完成海管鋪設(shè)安裝。如果采用通過(guò)作業(yè)線整體鋪設(shè)的方式，PLET的設(shè)計(jì)和安裝要考慮其作業(yè)線的限制，PLET的尺寸和重量有相當(dāng)?shù)南拗?，使PLET的設(shè)計(jì)和施工存在較大難度。所以對(duì)于深水海管（1000米水深以上）的PLET安裝，多采用舷側(cè)安裝方式。

懸掛接頭是PLET舷側(cè)安裝的關(guān)鍵部件，是將海管起吊后懸掛在鋪管船舷側(cè)的主要受力部件，承擔(dān)起吊后懸鏈線段海管的全部重量及由于環(huán)境條件和船體運(yùn)動(dòng)一起的運(yùn)動(dòng)載荷。因此懸掛接頭的工程設(shè)計(jì)是成功完成PLET舷側(cè)安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，研究懸掛接頭的初步形狀設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析及應(yīng)力校核，可為在深水油田開發(fā)中海管設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 懸掛接頭初步形狀設(shè)計(jì)

典型的懸掛接頭如圖2所示：

圖1 PLET舷側(cè)安裝

圖2 懸掛接頭

其組成主要包括用于支撐的懸掛盤、加厚管段、錐形過(guò)度管段及連接管段，其中懸掛盤主要用于將提升段海管懸掛在舷側(cè)安裝設(shè)備上，承受管重引起的張力；加厚管段和錐形過(guò)度管段主要用于承受懸掛過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)載荷引起彎矩。懸掛盤的尺寸主要根據(jù)懸掛設(shè)備接口確定，初步形狀設(shè)計(jì)主要是對(duì)錐形過(guò)度管段的錐形形狀進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

懸掛接頭的抗彎強(qiáng)度性能主要依靠沿加厚管段和錐形過(guò)度管段長(zhǎng)度變化的抗彎剛度，初步形狀設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是根據(jù)動(dòng)態(tài)鋪設(shè)分析提供的設(shè)計(jì)載荷對(duì)接頭管段沿長(zhǎng)度的最大抗彎剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先確定用于接頭管段與海管連接位置的最大設(shè)計(jì)彎矩載荷M0，可通過(guò)數(shù)值方法在懸掛安裝動(dòng)態(tài)分析中提取。如圖3的簡(jiǎn)化分析系統(tǒng)，在彎矩M0作用下的轉(zhuǎn)角為θj，F(xiàn)0為端部剪切力：

圖3 懸掛接頭錐形過(guò)度形狀分析示意

根據(jù)不同位置最大彎曲應(yīng)力保持相同的原則設(shè)計(jì)沿接頭過(guò)度段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)截面形狀的主要步驟推薦如下：

1）在懸掛安裝的動(dòng)態(tài)分析中獲取管道和應(yīng)力接頭連接位置的設(shè)計(jì)載荷，主要包括設(shè)計(jì)彎矩M0，設(shè)計(jì)剪切力F0，設(shè)計(jì)張力T0；

2）確定懸掛接頭與海管連接位置的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角θj；

3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)選取應(yīng)力接頭與立管連接處的曲率半徑和對(duì)應(yīng)的抗彎剛度，通過(guò)式1/Rj0=M0/EIj0來(lái)估算，同時(shí)設(shè)計(jì)曲率半徑和抗彎剛度應(yīng)依據(jù)最大可接受彎曲應(yīng)力來(lái)設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)選定的端部彎曲應(yīng)力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，最大彎曲應(yīng)力由式σb=EDe0/2Rj0，并根據(jù)以上推導(dǎo)各式及設(shè)計(jì)原則，此彎曲應(yīng)力沿應(yīng)力接頭長(zhǎng)度上通過(guò)不同的截面設(shè)計(jì)保持一致，其中Rj0為接頭與管道連接處的曲率半徑；

4）選定一個(gè)不同位置曲率半徑和外徑設(shè)計(jì)的固定比例值αj，滿足αj=RjL/Rj0=DeL/De0，一般由于接頭過(guò)度段為內(nèi)徑一致外徑不同的錐形形狀，外徑上的最大彎曲應(yīng)力與外徑和曲率半徑的比例相關(guān)，如果沿接頭過(guò)度段長(zhǎng)度位置上的外徑與曲率半徑比例為固定比例值，則最大的彎曲應(yīng)力也保持不變。

5）根據(jù)式1，計(jì)算得到所需的應(yīng)力接頭長(zhǎng)度；

6）根據(jù)式2，計(jì)算得到沿接頭過(guò)度段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度各個(gè)位置所需的抗彎剛度，根據(jù)接頭過(guò)度段各個(gè)位置所需的抗彎剛度和固定比例αj得到的外徑，即得到接頭過(guò)度段和加厚段在的截面設(shè)計(jì)形狀；

式中kj0=√T0/EIj0，b=(αj-1)/Lj

以上步驟中的式2為理想的截面抗彎剛度函數(shù)，但目前實(shí)際項(xiàng)目中為了懸掛接頭的制造方便和通徑要求，一般會(huì)將懸掛接頭設(shè)計(jì)為內(nèi)徑與海管內(nèi)徑一致，在懸掛接頭連接段的外徑與壁厚與海管相同，單一斜率的錐形形狀。按照此設(shè)計(jì)原則不會(huì)保證在接頭過(guò)度段各個(gè)位置的彎曲應(yīng)力完全一致，但兩者的差距也很小，可按照不超過(guò)最大允許彎曲應(yīng)力的原則來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)。

2 強(qiáng)度校核

根據(jù)第2章中的初步形狀設(shè)計(jì)方法，確定懸掛接頭的初步尺寸形狀，由于有限元分析方法，基于ASMEBPVCVIII.2中彈性應(yīng)力分析方法進(jìn)行應(yīng)力分析和校核。

2.1 分析模型

可以使用ABAQUS或ANSYS建立有限元模型，由于懸掛接頭為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以建立一般模型并采用對(duì)稱邊界條件以提高計(jì)算效率。模型使用實(shí)體單元，并分段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，沿管段壁厚方向至少4個(gè)單元，在懸掛盤與支撐結(jié)構(gòu)之間建立表面接觸，并將支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全邊界約束。在懸掛接頭與海管連接處施加設(shè)計(jì)彎矩和軸向力。

2.2 強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

懸掛接頭的強(qiáng)度校核依據(jù)規(guī)范ASMEBPVCVIII.2，首先應(yīng)確定懸掛接頭的關(guān)鍵應(yīng)力路徑，并對(duì)每條關(guān)鍵應(yīng)力路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化，通過(guò)應(yīng)力線性化獲得關(guān)鍵位置的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，一般膜應(yīng)力是實(shí)體截面上的平均主應(yīng)力，不包括幾何不連續(xù)性。局部膜應(yīng)力是包括不連續(xù)性在內(nèi)的實(shí)體截面上的平均主應(yīng)力。彎曲應(yīng)力是主應(yīng)力的一個(gè)分量，與到實(shí)體截面中心的距離成正比。得到一般膜應(yīng)力、局部膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力后，根據(jù)表1進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

表1 應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)

3 設(shè)計(jì)算例

3.1 算例參數(shù)

以一條1500米水深的12寸海管PLET舷側(cè)安裝為例，設(shè)計(jì)懸掛接接頭并進(jìn)行強(qiáng)度校核。海管外徑為311.1mm，壁厚為20.6mm。首先基于鋪管船通過(guò)動(dòng)態(tài)懸掛分析得到懸掛接頭與海管連接處的彎矩和軸向力，見表2：

表2 設(shè)計(jì)載荷

3.2 初步形狀設(shè)計(jì)結(jié)果

基于式1和式2，得到懸掛接頭的初步設(shè)計(jì)形狀見表3和圖4

表3 懸掛接頭形狀設(shè)計(jì)結(jié)果

懸掛盤寬度Collar Width mm 120圓角_1Fillet_1 mm 20x40圓角_2Fillet_1 mm 30x60與懸掛支撐結(jié)構(gòu)間隙Clearance mm 5

圖4 懸掛接頭形狀示意

3.3 有限元模型

使用ABAQUS軟件，根據(jù)初步設(shè)計(jì)形狀建立實(shí)體模型，實(shí)體單元選擇C3D8R單元，同時(shí)在模型中建立支撐設(shè)備模型，用于建立懸掛盤與支撐設(shè)備接觸模擬，在支撐邊界施加完全固定邊界條件。有限元模型及坐標(biāo)系統(tǒng)見圖5。將表2中的設(shè)計(jì)載荷施加在接頭底部，即與海管的連接處。其中彎矩方向?yàn)檠貓D5中坐標(biāo)系X軸順時(shí)針方向。

圖5 懸掛接頭有限元分析模型

3.4 有限元分析結(jié)果

通過(guò)有限元準(zhǔn)靜態(tài)接觸分析模擬，懸掛接頭的峰值應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域發(fā)生在接頭圓角過(guò)度和與懸掛設(shè)備發(fā)生接觸的區(qū)域。對(duì)峰值應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力線性化后，獲得臨界區(qū)路徑中的局部膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。關(guān)鍵區(qū)域及線性化路徑見圖6、圖7和圖8。

圖6 關(guān)鍵區(qū)域線性化路徑1

圖7 關(guān)鍵區(qū)域線性化路徑2

圖8 關(guān)鍵區(qū)域線性化路徑3

根據(jù)圖中的關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化，線性化結(jié)果及校核標(biāo)準(zhǔn)見表4，需說(shuō)明的是懸掛接頭一般采用整體鍛造的制造手段，最常選用材料等級(jí)為F65，其屈服應(yīng)力為450MPa。

表4 懸掛接頭形狀設(shè)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

本文著重研究了用于PLET舷側(cè)安裝的懸掛接頭的初步形狀設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析及應(yīng)力校核方法。以實(shí)際1500米水深PLET舷側(cè)安裝項(xiàng)目為例，對(duì)懸掛接頭的形狀及強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并得到如下結(jié)論：

(1) 懸掛接頭主要包括用于支撐的懸掛盤、加厚管段、錐形過(guò)度管段及連接管段，其中加厚管段、錐形過(guò)度管段承受動(dòng)態(tài)彎矩的主要部分，初步形狀設(shè)計(jì)主要是對(duì)錐形過(guò)度管段的形狀進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；

(2) 懸掛接頭的初步形狀設(shè)計(jì)基于沿接頭長(zhǎng)度不同位置最大彎曲應(yīng)力保持相同的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，且一般設(shè)計(jì)為內(nèi)徑與海管內(nèi)徑一致，在懸掛接頭連接段的外徑與壁厚與海管相同，單一斜率的錐形形狀；

(3) 懸掛接頭的峰值應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域多發(fā)生在接頭圓角過(guò)度和與懸掛設(shè)備發(fā)生接觸的區(qū)域，強(qiáng)度校核應(yīng)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化后，針對(duì)膜應(yīng)力和組合應(yīng)力（膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力）分別進(jìn)行校核。