内压载荷下输氢复合柔性管力学性能研究

中国氢能产业正随着碳中和愿景的不断推进而快速发展,由于氢气在钢管中容易引发“氢脆”现象,使用钢管输送氢气存在较大挑战,纤维增强复合柔性管作为一种非金属管道在氢气输送领域备受关注,其结构设计及强度分析是产业化应用的瓶颈。为探讨内压工况下输氢复合柔性管的结构响应,考虑不同层材料的各向同性及各向异性,基于三维各向异性弹性力学,建立了纤维增强输氢复合管道在内压作用下的力学理论模型,并采用数学方法求解管道位移微分方程,进而获得了N层缠绕增强层输氢复合管道在内压作用下的应力应变解析解,计算结果与内压作用下13层输氢复合柔性管的数值计算结果相符。管道的环向应力最大值出现在防渗透层,输氢软管的增强层承担约70%的载荷作用,径向应力绝对值大小随距离管道截面中心点的距离增大而减小。提出的力学行为分析模型及求解方法为设计输氢复合柔性管提供了重要的理论支撑。     

J-lay铺管作业力学分析

目前J-lay铺管法作为深水和超深水铺管的最适用方法广泛应用于深海油气开发。考虑J-lay铺管时管道几何非线性特征以及触地区边界效应,将J-lay铺管模型划分三构件进行力学分析:悬浮段、边界层段以及触地段。建立Orca Flex模型和引入Wang改进二构件模型,通过对比上述三种方法计算J-lay相应构型、轴力、弯矩和剪力分布,验证该三构件模型的可行性和考虑边界效应的必要性。基于Lamé公式计算管道横截面处轴向、径向以及环向应力,对比分析J-lay铺设管道应力分布特征。结果表明:该改进三构件模型能真实有效地模拟J-lay铺管过程中管道受力情况,特别是触地点附近弯矩和剪力变化情况,能为管道疲劳损伤分析提供理论基础。     

海洋玻纤增强热塑性柔性管的理论与数值分析

近年来海洋复合柔性管道逐渐在海洋工程中崭露头角。相对于钢管,复合柔性管凭借其弯曲性能好、重量轻、抗腐蚀能力强等一系列优异的性能在油气开采领域不断受到青睐。本文研究对象为一种三层粘结型玻璃纤维增强的热塑性复合柔性管,该类型管道包含外保护层(高密度聚乙烯HDPE)、中间复合材料增强层以及内衬层(高密度聚乙烯HDPE)。研究内容主要基于三维弹性理论和复合材料层合板理论,建立了玻纤增强热塑性复合柔性管的理论计算模型,推导了复合柔性管在轴对称载荷作用下的平衡微分方程,主要分析了管体在内压载荷作用下的应力与变形规律,并将理论计算结果与ABAQUS数值模拟结果进行比较分析,结论表明理论计算与数值仿真结果具有较好的一致性。最后基于该理论模型,研究了内衬层(外保护层)与增强层相对厚度对柔性管应力和变形的影响规律,结果表明管道的增强层为主要承载构件,在增强层纤维方向的应力远大于其他方向的应力,随着增强层从内向外扩展,纤维方向的应力逐渐减小,且内衬层(外保护层)厚度对管道整体的力学性能几乎没有影响。     

海底双层管单层连接管道结构受力分析

粘性高的海洋石油通常需要通过海底保温管道加温输送.温度变化会引起管道变形,并在管壁内产生较大的温度应力.同时,管道正常运营期间还受到管道内压、外压、管内流体粘滞力和土体摩擦力等环境荷载的作用.复杂的环境可能导致海底管道轴向应力过大发生破坏.为了提高铺管效率,提出了双层管单层连接管道这一特殊管道形式,并从理论上分析温度变化和环境荷载对该管道的影响,计算正常运行时管道不同位置处横截面内最大Von-Mises应力.最后得到了Von-Mises应力沿管道轴线分布情况,发现内管和单层连接管的应力一般比外管大,变径管和内管的焊缝处是Von-Mises应力最大的地方.     

水下生产系统跨接管结构极限承载能力分析

跨接管是水下生产系统的主要构件之一,水下地形变化易导致跨接管两端承受较大边界位移载荷,对水下生产系统的结构安全性产生不利影响。研究并分析了端部相对位移载荷作用下跨接管结构的极限承载能力及跨接管失效模式的特点,表明整体轴向压缩位移分量是导致跨接管结构发生极限破坏的主要因素。在此基础上考虑了内表面周向裂纹对跨接管极限强度的影响。分析结果表明:当裂纹较小时,因弯管截面的椭圆化和塑性屈服,轴向压缩位移很容易使跨接管发生整体压缩失效;当裂纹较大时,因为裂纹韧带区的高应力效应,跨接管会在整体压缩失效之前达到极限状态;最终失效模式取决于裂纹的位置及大小。     

考虑温度应力下深海输油立管动力特性及响应研究

考虑深海输油立管管内外温差产生的温度应力以及管内流体流动和管外海洋环境荷载的共同作用,建立了深海输油立管振动微分方程,采用有限元法对输油立管动力特性及动力响应进行求解,并将考虑温度应力及不考虑温度应力的立管动力特性及在波浪作用下的立管动力响应进行了对比。结果表明,对于动力特性,温度应力的存在会使得立管自振频率降低;对于动力响应,会使得波浪作用下动力响应幅值增强而频率略有降低,易引起立管的疲劳破坏。     

考虑椭圆化和材料各向异性的管道极限弯矩承载力解析解研究

已有的管道极限弯矩承载力解析方法忽略了截面的椭圆化变形,且假设管道截面达到全塑性抵抗力,这对于薄壁管道是不合理的。针对这些不足,在已有解析解的基础上,考虑管道截面塑性区的椭圆化变形以及管道轴向与环向材料的各向异性,推导了管道在内压、轴向力和弯矩联合荷载作用下的极限弯矩承载力解析解。并通过定义材料屈服后不同的广义模量,提出了管道极限弯矩承载力的上限解析解和下限解析解。在此基础上,研究了材料各向异性系数、径厚比以及初始荷载等参数对极限弯矩承载力上限和下限解析解的影响,并得到了一些有益的结论。     

基于有限元分析的卷管法管道安装实时研究

采用卷管法铺设管道时,管道和铺设设备之间的接触作用十分复杂,并且管道在弯曲过程中将会产生塑性变形并可能发生局部屈曲,导致管道失效。基于有限元模型(FEM)实时模拟卷管法安装的整个过程,研究管道与铺设设备之间的接触作用;分析管道对于环境载荷和船体运动的动态响应;获得管道的应力应变值以校核局部屈曲。研究结果表明,管道弯矩大部分来源于管道与安装设备间的接触作用,而环境载荷及船体运动对管道的弯曲应力影响较小。     

层间摩擦系数对非黏结柔性管抗拉铠装层轴压屈曲失效模式的影响研究

在柔性管运输、铺设安装和服役过程中,由于其抗拉铠装层钢带为柔性细长螺旋结构,当外部载荷超过临界值时,抗拉铠装层钢带容易发生屈曲失效。考虑非线性材料、几何大变形、层间接触和摩擦等非线性效应的影响,运用ABAQUS有限元软件建立了63.5 mm典型非黏结柔性管8层完整结构模型,研究了在抗拉铠装层不同层间摩擦系数的情况下,非黏结柔性管在轴向压缩载荷作用下的力学性能和屈曲失效模式。研究结果表明,层间摩擦系数对非黏结柔性管的抗压刚度和抗拉铠装层屈曲失效模式有较大影响,层间摩擦系数以0.1和0.2为分界点,抗压刚度和屈曲失效模式均呈现出“三段式”变化规律。研究成果可为海洋非黏结柔性管的结构设计和屈曲失效评估提供技术参考。     

海洋柔性立管弯曲加强器参数敏感性分析

针对海洋立管弯曲加强器所受环境载荷与功能载荷的特点,基于有限元法对某海洋柔性立管弯曲加强器结构进行数值分析。通过有限元分析软件建立了弯曲加强器与柔性立管组合等效模型,重点讨论了弯曲加强器的设计参数对其自身防弯性能的影响,根据弯曲加强器的曲率及柔性立管的应力分布,对弯曲加强器结构进行优化设计,得到结论可供设计参考。     

考虑轴向荷载和外压影响的非黏结柔性管道骨架层失效分析

非黏结柔性管道骨架层由不锈钢材料互锁缠绕而成,主要用于抵抗外压防止软管发生压溃失效.骨架层失效是柔性软管故障的最大风险,骨架层失效模式主要分为压溃失效和拉伸失效.采用非线性有限元方法并且考虑几何大变形、材料非线性、接触和摩擦等非线性效应的影响,对"S"型骨架层结构建立三维有限元模型,进行了单外压作用下的压溃失效分析和单一轴向拉力作用下的拉伸失效分析,而后开展轴向拉力和外压载荷组合作用下骨架层压溃失效分析.结果表明轴向拉力会一定程度上降低骨架层压溃承载力,相关结论可以为柔性软管结构设计和完整性评价提供参考.     

柔性管道骨架层压溃失效机理和安全评价方法研究进展

非黏结柔性管道作为深水油气开发领域的关键设备,是连接海底井口和海洋平台的主要纽带。海洋油气开发水深已经超过了3 000 m,高静水压力是深水软管设计和安全评价的主要挑战,明确深水柔性管道压溃失效机理,并准确地预测柔性管道的压溃压力可以为柔性管道结构设计和安全评价提供依据,柔性管道的压溃压力与骨架层的几何形状以及骨架层之间复杂的相互作用有关,准确高效地预测压溃压力变得极具挑战性。针对柔性管道失效机理研究和压溃压力预测方法进行了总结,指出当前柔性管道压溃失效分析中薄弱的环节,为我国非黏结柔性管道的结构设计和安全评价提供参考。     

玻纤增强柔性管等效简化模型研究

玻纤增强柔性管作为一种新型海底油气输送管道,具有比强度高、柔度大和抗腐蚀性强等特点,因此在深海油气开发中具有非常广阔的应用前景。玻纤增强柔性管主要由内衬层、增强层和外保护层组成,其中增强层的等效模拟是玻纤增强柔性管设计成功与否的关键。根据玻纤增强柔性管的结构特征和材料特性,选取了四种不同的等效简化模型,对比研究了玻纤增强柔性管在轴向拉压荷载、弯曲荷载以及内压荷载作用下的力学性能。将不同简化模型的计算结果与相应的试验数据进行对比,进行等效模型的优选。研究结果表明,在内压载荷和弯曲载荷作用下,基于Halpin-Tsai模型数值结果与试验结果最为接近。在轴向载荷作用下,采用分离式模型或回形模型计算精度更高,若材料达到屈服状态时,则建议采用分离式模型进行模拟。     

基于ABAQUS的卷管式铺管法管道变形敏感性分析

卷管式铺管法在海管铺设中的应用愈发广泛,在铺设作业中管道会发生几何非线性变形,导致出现复杂的力学性能变化。针对管道在上卷、退卷过程中的屈服变化过程,通过弹塑性理论进行分析,推导出管道退卷后残余轴向应力的解析解;随后利用有限元软件ABAQUS建立模型实例,对比解析解与有限元模型,两者的计算结果基本吻合。基于上述有限元模型,研究上卷时的张力和退卷时的后张力对椭圆度、截面轴向应力和剪切应力的影响,并进行敏感性分析。模拟结果表明张力和后张力变化会影响管道截面的变形程度,退卷后截面上残余的轴向应力远高于剪切应力,并且通过敏感性分析,得到了残余椭圆度、残余应力随张力和后张力变化的规律。研究可为卷管铺设过程中张力和后张力的选择提供参考和借鉴。     

滩海油田海底注水管道施工技术探讨

在滩海油田首次进行海底注水管道的铺设、受其结构等因素的影响,其施工工艺及技术性远比海底输出管道更复杂,难度更大。本文介绍了滩海油田海底注水管道的施工工艺,并对接口内防腐技术,底拖法海管拖运技术、海上接口技术及立管吊装技术做了详细的阐述。     

Nonlinear Static Finite Element Stress Analysis of Pipe-in-Pipe Risers

Owing to the complexity of the pipe-in-pipe (PIP) riser system in structure, load and restraint, many problems arise in the structural analysis of the system. This paper presents a new method for nonlinear static finite element stress analysis of the PIP riser system. The finite element (FE) model of the PIP riser system is built via software AutoPIPE 6.1. According to the specialties of a variety of components in the PIP riser system, different elements are used so as to model the system accurately. Allowing for the complication in modeling the effects of seabed restraint, a technique based on the bilinear spring concept is developed to calculate the soil properties. Then, based on a pipeline project, the entire procedure of stress analysis is discussed in detail, including creation of an FE model, processing of input data and analysis of results. A wide range of loading schemes is investigated to ascertain that the stresses remain within the acceptable range of the pipe material strength. Finally, the effects of the location of flanges, the thermal expansion of submarine pipelines and the seabed restraint on stress distribution in the riser and expansion loop are studied, which are valuable for pipeline designers.     

A numerical model for ultimate soil resistance to an untrenched pipeline under ocean currents

One of the main concerns for pipeline on-bottom stability design is to properly predict ultimate soil resistance in severe ocean environments.A plane-strain finite element model is proposed to investigate the ultimate soil resistance to the partially-embedded pipeline under the action of ocean currents.Two typical end-constraints of the submarine pipelines are examined,i.e.freely-laid pipes and anti-rolling pipes.The proposed numerical model is verified with the existing mechanical-actuator experiments.The magnitude of lateral-soil-resistance coefficient for the examined anti-rolling pipes is much larger than that for the freely-laid pipes,indicating that the end-constraint condition significantly affects the lateral stability of the untrenched pipeline under ocean currents.The parametric study indicates that,the variation of lateral-soil-resistance coefficient with the dimensionless submerged weight of pipe is affected greatly by the angle of internal friction of soil,the pipe-soil friction coefficient,etc.     

An empirical model for flexible pipe armor wire lateral buckling failure load

The current scenario of oil production in ultra deep waters challenges the design of flexible pipes since they have to withstand high pressures, temperatures and dynamic loads during operation. Amongst the known failure mechanisms in flexible pipes, armor wire lateral buckling is of uttermost importance as there is no undisputable model for its prediction. In this work, compressive failure load for tensile armor lateral buckling is calculated for a sample of 29 flexible pipes based on the resolution of a numerical model that considers force and moment equilibrium conditions and geometric compatibility relations from differential geometry concepts. The obtained results are fitted on an equation via symbolic regression. Thus, a simple empirical model to predict compressive failure load is proposed as a function of the radius of tensile armor, wire lay angle and torsional, normal and binormal bending stiffness of the wire cross section. The model assumes the absence of frictional distributed forces in the wire and curvature of the flexible pipe, therefore it provides conservative results. For the 29 flexible pipe sample, the mean absolute percentage error of the empirical results in view of the numerical results was 0.6%.