中水浮拱浮力艙的結構強度分析

呂東等

摘要： 針對淺水動態柔性管/纜系統的附件——中水浮拱的浮力艙，介紹其結構特點和功能等，并給出其基本參數；用ANSYS分析浮力艙結構強度，得到壁厚變化對浮力艙的強度和質量影響的一般規律；研究浮力艙在破艙后對中水浮拱整體功能的影響；總結內部隔板與外艙體連接處的倒角半徑和浮力艙應力變化曲線，給出最佳倒角半徑范圍.研究結果可以提高中水浮拱的安全可靠性和設計水平.

關鍵詞： 中水浮拱； 浮力艙； 結構分析； 強度； 壁厚； 倒角半徑； ANSYS

中圖分類號： TE 53；TB 115.1文獻標志碼： B

Abstract： As to the buoyancy tanks of middle water arch which is the accessory of the dynamic flexible pipe/cable system used in the shallow water， the structure features and functions are introduced and the basic parameters are given； the structural strength of the buoyancy tanks is analyzed by ANSYS， and the general rule of the effect of wall thickness change on the strength and mass of buoyancy tanks is obtained； the effect of buoyancy tank damage on the overall functionality of middle water arch is studied； the curve of buoyancy tank stress and chamfering radius of the connection between internal baffle plate and outer hull is summarized and the scope of the best chamfering radius is given. The research results can improve the safety and reliability and the design level of the middle water arch.

Key words： middle water arch； buoyancy tank； structure analysis； strength； wall thickness； chamfering radium； ANSYS

引言

海洋動態柔性管/纜在海上油氣田開采系統中具有舉足輕重的作用，作為連接平臺與海底采油設備的橋梁，其對環境載荷和浮體運動載荷等有嚴格的安全要求.對于淺水柔性管/纜的鋪設，廣泛采取LazyS型線型布置（見圖1），主要依靠中水浮拱保持立管形態.這種線型布置可以有效減小管/纜的上部懸掛張力，并且解耦上部浮體結構與海底管道系統之間的運動關系，使其在水中擁有良好的順應性，有效提高管/纜的使用壽命.[1]

1—上懸鏈線纜段； 2—下懸鏈線纜段； 3—中水浮拱纜段； 4—浮體； 5—中水浮拱； 6—系鏈； 7—重力基座； 8—海床； 9—海平面

中水浮拱是海洋工程中的浮力裝備，見圖2.中水浮拱由錨鏈與海床上的重力塊連接，用于支撐海洋動態柔性管/纜，使其滿足LazyS型線型布置.[2]中水浮拱主要由曲面拱槽和浮力艙2個基本部件組成.前者用于支撐柔性管/纜，后者是中水浮拱的浮力來源.浮力艙是其中最關鍵的結構，中水浮拱是否滿足功能要求主要取決于浮力艙的結構設計是否合理.為設計適合某動態柔性管/纜系統的中水浮拱，需要考慮裝備的應用水深、動態柔性管/纜的凈浮力要求以及某些特殊情況，對浮力艙排水體積、壁厚和內部結構進行設計分析，并對所設計的浮力艙的凈浮力要求、強度要求和特殊情況下的破艙影響進行詳細校核.

（a）

1.2中水浮拱浮力艙基本參數

浮力艙主要用來提供浮力，其設計參照壓力容器規范第VIII卷[4].為保證中水浮拱在服役階段能夠安全可靠地工作，一般將浮力艙劃分為若干艙室，可以避免在特殊情況下因浮力艙的破損而導致中水浮拱整體失效沉沒的風險[56]，并且分艙隔板也有加強浮力艙強度的作用.

浮力艙的設計要素主要有浮力艙凈浮力、浮力艙總體積、浮力艙基本尺寸和浮力艙分艙數目等.根據所給動態柔性管/纜的詳細信息和柔性管/纜系統的各段長度，用相關軟件可以分析得到保持LazyS型線型布置的凈浮力為39.3 t，而中水浮拱的浮力基本由浮力艙提供，所以認為浮力艙所需提供的凈浮力為39.3 t，從而得到擁有雙浮力艙的中水浮拱單個浮力艙所需提供的凈浮力為19.7 t.考慮到會有破艙的極限情況出現，需要一定的浮力裕量，所以單個浮力艙所需提供的凈浮力為 23.5 t.根據阿基米德定律F浮=G排=ρ液·g·V排液可以得到單個浮力艙（以下簡稱浮力艙）排水體積為28.4 m3.假定浮力艙的質量為5.6 t，參照壓力容器規范第VIII卷和動態柔性管/纜等相關信息及參考文獻，最終給出浮力艙的基本參數[79]見表2.

2.1分析內容

中水浮拱置于距離海平面-58 m的深度，主要受海水壓力、海水動力[10]、內部充氣壓力和本身重力等作用，為使中水浮拱在應用過程中滿足功能和強度要求，確保在使用壽命內不出現嚴重事故，須對其進行功能和強度校核.中水浮拱浮力艙的校核分析主要有：浮力艙壁厚變化對強度和質量的影響分析、艙室破損情況下浮力艙的功能分析和強度分析及其對整體的影響.

2.2浮力艙壁厚對強度和質量的影響

中水浮拱浮力艙的強度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型為簡易模型，見圖3，包含外壓力艙與內部分艙隔板.

（a）完整模型（b）橫切剖面圖

（1）浮力艙的應力隨艙壁厚度的增大而呈現非線性減小，從壁厚為5 mm開始，減小的趨勢逐漸降低，最后趨于穩定.

（2）浮力艙的質量隨艙壁厚度的變大而呈現線性增大.

因此，增大壁厚雖然能夠增大浮力艙的強度，但是自身質量也相應增大，使其所提供的凈浮力下降；減小壁厚能夠提高浮力艙的浮力性能，卻會使其承壓能力降低.由此，根據上述規律進行艙壁厚度的合理選擇.根據規范[4]和動態柔性管/纜的凈浮力要求可知初步給定的壁厚參數符合要求.

2.3中水浮拱浮力艙的艙室破損分析

2.3.1破損1個艙室

中水浮拱是提供浮力的裝置，如果中水浮拱的浮力艙由于某種原因破損，導致艙室進水，那么中水浮拱系統所提供的凈浮力可能無法滿足動態柔性管/纜系統的要求，進而導致整體沉沒，對整個生產系統造成非常嚴重的事故，因此對中水浮拱浮力艙進行破艙分析是一項很有意義的工作.

浮力艙4個艙室的設計容積相等.根據浮力艙的基本設計參數可知，在破損一個艙室后雙浮力艙式中水浮拱的凈浮力為39.7 t，滿足保持LazyS型線型布置的凈浮力要求.

假設浮力艙端部艙室破損，ANSYS模型可以將端部艙室去掉，視為水壓直接作用在破損艙室內部隔板處.端部艙室破損模型和應力分布見圖6.

由圖6可知，在端部艙室破損后隔板與艙體連接邊緣應力值達到647.786 MPa，遠大于材料的許用應力值，是因為隔板與艙體連接處轉角為90°，出現應力集中現象.為阻止浮力艙在破損1個艙室后繼續造成破艙效應而使中水浮拱整體遭到破壞，需要在內部

由圖7可知，修改倒角半徑后的浮力艙應力值為340.07 MPa，小于材料的許用應力值，滿足結構的強度要求.內部隔板與外艙體的倒角半徑決定隔板在承受靜水壓力時應力集中程度，倒角半徑過小不能滿足結構強度要求，倒角半徑過大會增加浮力艙自身質量，因此得到一個合適的倒角半徑大小非常重要，在端部破損情況下承受靜水壓力時應力倒角半徑曲線見圖8.

3結論

針對應用于淺水動態柔性管/纜系統的中水浮拱浮力艙的結構展開研究，給出浮力艙結構的基本參數，研究中水浮拱的浮力艙壁厚對強度和質量的變化規律，浮力艙破艙對整體性能和強度的影響，以及內部隔板和外艙體連接處的倒角對浮力艙強度的變化規律，主要得到以下結論.

（1）在中水浮拱浮力艙基本外形尺寸確定的情況下，浮力艙的壁厚對其強度和質量起決定性的作用.在同樣工作水深處，隨著壁厚的增大，浮力艙的強度將顯著增大，自身應力呈現非線性減??；從某壁厚數值開始，減小的趨勢逐漸降低，最后趨于穩定.隨著壁厚的增大，浮力艙的質量線性增加.在對浮力艙進行設計時，既要考慮浮力艙的自身強度，又要考慮其凈浮力要求，壁厚的選擇對中水浮拱整體性能產生很大的影響.

（2）中水浮拱的作用是產生一定的浮力，浮力艙的破損會使其凈浮力降低，對整個生產系統造成非常嚴重的影響.在破損1個艙室的情況下，凈浮力仍然滿足要求，如果搶修及時則不會對管/纜等生產系統造成過大傷害；當2個艙室破損時，凈浮力損失25%，不能夠滿足設計要求，中水浮拱會整體沉沒.

（3）內部隔板與外艙體之間如果不采用倒角連接，在艙室破損水壓直接作用于隔板上時，將會在連接處產生應力集中現象，進而繼續擴大破艙效應.最大應力隨著倒角半徑的逐漸增大而呈現降低趨勢，但是同樣會增加自身的質量.選擇合適的倒角半徑會相應提高中水浮拱的整體性能.參考文獻：

[1]孫麗萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的緩波型布置及參數敏感性分析[J]. 中國海洋平臺， 2011， 26（3）： 3742.

SUN Liping， ZHOU Jia， WANG Jiaqi. Lazy wave configuration and parameter sensitivity analysis of deepwater flexible riser[J]. China Offshore Platform， 2011， 26（3）： 3742.

[2]劉小艷. 面向目標油田的動態管纜線型設計與分析[D].大連： 大連理工大學， 2012： 2022.

[3]陳金龍. 海洋動態臍帶纜的整體設計與分析[D]. 大連： 大連理工大學， 2011： 3132.

[4]ASME. 鍋爐和壓力容器規范： 第VIII卷： 第一冊： 壓力容器[S]. 1986.

[5]康莊， 賈魯生， 孫麗萍， 等. 深水塔式立管頂部浮力筒設計分析方法[J]. 中國造船， 2011， 52（4）： 118128.

KANG Zhuang， JIA Lusheng， SUN Liping， et al. Design and analysis methodology of single line offset riser buoyancy can[J]. Shipbuilding China， 2011， 52（4）： 118128.

[6]劉佳寧. 自由站立式立管浮力筒結構設計與分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學， 2011.

[7]董大勤， 袁鳳隱. 壓力容器設計手冊[M]. 北京： 化學工業出版社， 2005： 183308.

[8]孫儒榮. 外壓圓筒的計算圖表[J]. 化工設備設計， 1981， 18（2）： 110.

SUN Rurong. Calculation chart of cylinder under external pressure[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（2）： 110.

[9]黃澤淦. 外壓球殼和凸形封頭的計算圖表[J]. 化工設備設計， 1981， 18（6）： 18.

HUANG Zegan. Calculation charts of spherical shell under external pressure and convex head[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（6）： 18.

[10]COLIN R， BERTRAND V. Hydrodynamic loading on middle water arch structures[C]//Proc ASME 2011 30th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng. Netherlands： 2011.（編輯武曉英）

2.2浮力艙壁厚對強度和質量的影響

中水浮拱浮力艙的強度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型為簡易模型，見圖3，包含外壓力艙與內部分艙隔板.

（a）完整模型（b）橫切剖面圖

（1）浮力艙的應力隨艙壁厚度的增大而呈現非線性減小，從壁厚為5 mm開始，減小的趨勢逐漸降低，最后趨于穩定.

（2）浮力艙的質量隨艙壁厚度的變大而呈現線性增大.

因此，增大壁厚雖然能夠增大浮力艙的強度，但是自身質量也相應增大，使其所提供的凈浮力下降；減小壁厚能夠提高浮力艙的浮力性能，卻會使其承壓能力降低.由此，根據上述規律進行艙壁厚度的合理選擇.根據規范[4]和動態柔性管/纜的凈浮力要求可知初步給定的壁厚參數符合要求.

2.3中水浮拱浮力艙的艙室破損分析

2.3.1破損1個艙室

中水浮拱是提供浮力的裝置，如果中水浮拱的浮力艙由于某種原因破損，導致艙室進水，那么中水浮拱系統所提供的凈浮力可能無法滿足動態柔性管/纜系統的要求，進而導致整體沉沒，對整個生產系統造成非常嚴重的事故，因此對中水浮拱浮力艙進行破艙分析是一項很有意義的工作.

浮力艙4個艙室的設計容積相等.根據浮力艙的基本設計參數可知，在破損一個艙室后雙浮力艙式中水浮拱的凈浮力為39.7 t，滿足保持LazyS型線型布置的凈浮力要求.

假設浮力艙端部艙室破損，ANSYS模型可以將端部艙室去掉，視為水壓直接作用在破損艙室內部隔板處.端部艙室破損模型和應力分布見圖6.

由圖6可知，在端部艙室破損后隔板與艙體連接邊緣應力值達到647.786 MPa，遠大于材料的許用應力值，是因為隔板與艙體連接處轉角為90°，出現應力集中現象.為阻止浮力艙在破損1個艙室后繼續造成破艙效應而使中水浮拱整體遭到破壞，需要在內部

由圖7可知，修改倒角半徑后的浮力艙應力值為340.07 MPa，小于材料的許用應力值，滿足結構的強度要求.內部隔板與外艙體的倒角半徑決定隔板在承受靜水壓力時應力集中程度，倒角半徑過小不能滿足結構強度要求，倒角半徑過大會增加浮力艙自身質量，因此得到一個合適的倒角半徑大小非常重要，在端部破損情況下承受靜水壓力時應力倒角半徑曲線見圖8.

3結論

針對應用于淺水動態柔性管/纜系統的中水浮拱浮力艙的結構展開研究，給出浮力艙結構的基本參數，研究中水浮拱的浮力艙壁厚對強度和質量的變化規律，浮力艙破艙對整體性能和強度的影響，以及內部隔板和外艙體連接處的倒角對浮力艙強度的變化規律，主要得到以下結論.

（1）在中水浮拱浮力艙基本外形尺寸確定的情況下，浮力艙的壁厚對其強度和質量起決定性的作用.在同樣工作水深處，隨著壁厚的增大，浮力艙的強度將顯著增大，自身應力呈現非線性減??；從某壁厚數值開始，減小的趨勢逐漸降低，最后趨于穩定.隨著壁厚的增大，浮力艙的質量線性增加.在對浮力艙進行設計時，既要考慮浮力艙的自身強度，又要考慮其凈浮力要求，壁厚的選擇對中水浮拱整體性能產生很大的影響.

（2）中水浮拱的作用是產生一定的浮力，浮力艙的破損會使其凈浮力降低，對整個生產系統造成非常嚴重的影響.在破損1個艙室的情況下，凈浮力仍然滿足要求，如果搶修及時則不會對管/纜等生產系統造成過大傷害；當2個艙室破損時，凈浮力損失25%，不能夠滿足設計要求，中水浮拱會整體沉沒.

（3）內部隔板與外艙體之間如果不采用倒角連接，在艙室破損水壓直接作用于隔板上時，將會在連接處產生應力集中現象，進而繼續擴大破艙效應.最大應力隨著倒角半徑的逐漸增大而呈現降低趨勢，但是同樣會增加自身的質量.選擇合適的倒角半徑會相應提高中水浮拱的整體性能.參考文獻：

[1]孫麗萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的緩波型布置及參數敏感性分析[J]. 中國海洋平臺， 2011， 26（3）： 3742.

SUN Liping， ZHOU Jia， WANG Jiaqi. Lazy wave configuration and parameter sensitivity analysis of deepwater flexible riser[J]. China Offshore Platform， 2011， 26（3）： 3742.

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[4]ASME. 鍋爐和壓力容器規范： 第VIII卷： 第一冊： 壓力容器[S]. 1986.

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[6]劉佳寧. 自由站立式立管浮力筒結構設計與分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學， 2011.

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[10]COLIN R， BERTRAND V. Hydrodynamic loading on middle water arch structures[C]//Proc ASME 2011 30th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng. Netherlands： 2011.（編輯武曉英）

2.2浮力艙壁厚對強度和質量的影響

中水浮拱浮力艙的強度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型為簡易模型，見圖3，包含外壓力艙與內部分艙隔板.

（a）完整模型（b）橫切剖面圖

（1）浮力艙的應力隨艙壁厚度的增大而呈現非線性減小，從壁厚為5 mm開始，減小的趨勢逐漸降低，最后趨于穩定.

（2）浮力艙的質量隨艙壁厚度的變大而呈現線性增大.

因此，增大壁厚雖然能夠增大浮力艙的強度，但是自身質量也相應增大，使其所提供的凈浮力下降；減小壁厚能夠提高浮力艙的浮力性能，卻會使其承壓能力降低.由此，根據上述規律進行艙壁厚度的合理選擇.根據規范[4]和動態柔性管/纜的凈浮力要求可知初步給定的壁厚參數符合要求.

2.3中水浮拱浮力艙的艙室破損分析

2.3.1破損1個艙室

中水浮拱是提供浮力的裝置，如果中水浮拱的浮力艙由于某種原因破損，導致艙室進水，那么中水浮拱系統所提供的凈浮力可能無法滿足動態柔性管/纜系統的要求，進而導致整體沉沒，對整個生產系統造成非常嚴重的事故，因此對中水浮拱浮力艙進行破艙分析是一項很有意義的工作.

浮力艙4個艙室的設計容積相等.根據浮力艙的基本設計參數可知，在破損一個艙室后雙浮力艙式中水浮拱的凈浮力為39.7 t，滿足保持LazyS型線型布置的凈浮力要求.

假設浮力艙端部艙室破損，ANSYS模型可以將端部艙室去掉，視為水壓直接作用在破損艙室內部隔板處.端部艙室破損模型和應力分布見圖6.

由圖6可知，在端部艙室破損后隔板與艙體連接邊緣應力值達到647.786 MPa，遠大于材料的許用應力值，是因為隔板與艙體連接處轉角為90°，出現應力集中現象.為阻止浮力艙在破損1個艙室后繼續造成破艙效應而使中水浮拱整體遭到破壞，需要在內部

由圖7可知，修改倒角半徑后的浮力艙應力值為340.07 MPa，小于材料的許用應力值，滿足結構的強度要求.內部隔板與外艙體的倒角半徑決定隔板在承受靜水壓力時應力集中程度，倒角半徑過小不能滿足結構強度要求，倒角半徑過大會增加浮力艙自身質量，因此得到一個合適的倒角半徑大小非常重要，在端部破損情況下承受靜水壓力時應力倒角半徑曲線見圖8.

3結論

針對應用于淺水動態柔性管/纜系統的中水浮拱浮力艙的結構展開研究，給出浮力艙結構的基本參數，研究中水浮拱的浮力艙壁厚對強度和質量的變化規律，浮力艙破艙對整體性能和強度的影響，以及內部隔板和外艙體連接處的倒角對浮力艙強度的變化規律，主要得到以下結論.

（1）在中水浮拱浮力艙基本外形尺寸確定的情況下，浮力艙的壁厚對其強度和質量起決定性的作用.在同樣工作水深處，隨著壁厚的增大，浮力艙的強度將顯著增大，自身應力呈現非線性減??；從某壁厚數值開始，減小的趨勢逐漸降低，最后趨于穩定.隨著壁厚的增大，浮力艙的質量線性增加.在對浮力艙進行設計時，既要考慮浮力艙的自身強度，又要考慮其凈浮力要求，壁厚的選擇對中水浮拱整體性能產生很大的影響.

（2）中水浮拱的作用是產生一定的浮力，浮力艙的破損會使其凈浮力降低，對整個生產系統造成非常嚴重的影響.在破損1個艙室的情況下，凈浮力仍然滿足要求，如果搶修及時則不會對管/纜等生產系統造成過大傷害；當2個艙室破損時，凈浮力損失25%，不能夠滿足設計要求，中水浮拱會整體沉沒.

（3）內部隔板與外艙體之間如果不采用倒角連接，在艙室破損水壓直接作用于隔板上時，將會在連接處產生應力集中現象，進而繼續擴大破艙效應.最大應力隨著倒角半徑的逐漸增大而呈現降低趨勢，但是同樣會增加自身的質量.選擇合適的倒角半徑會相應提高中水浮拱的整體性能.參考文獻：

[1]孫麗萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的緩波型布置及參數敏感性分析[J]. 中國海洋平臺， 2011， 26（3）： 3742.

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[2]劉小艷. 面向目標油田的動態管纜線型設計與分析[D].大連： 大連理工大學， 2012： 2022.

[3]陳金龍. 海洋動態臍帶纜的整體設計與分析[D]. 大連： 大連理工大學， 2011： 3132.

[4]ASME. 鍋爐和壓力容器規范： 第VIII卷： 第一冊： 壓力容器[S]. 1986.

[5]康莊， 賈魯生， 孫麗萍， 等. 深水塔式立管頂部浮力筒設計分析方法[J]. 中國造船， 2011， 52（4）： 118128.

KANG Zhuang， JIA Lusheng， SUN Liping， et al. Design and analysis methodology of single line offset riser buoyancy can[J]. Shipbuilding China， 2011， 52（4）： 118128.

[6]劉佳寧. 自由站立式立管浮力筒結構設計與分析[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學， 2011.

[7]董大勤， 袁鳳隱. 壓力容器設計手冊[M]. 北京： 化學工業出版社， 2005： 183308.

[8]孫儒榮. 外壓圓筒的計算圖表[J]. 化工設備設計， 1981， 18（2）： 110.

SUN Rurong. Calculation chart of cylinder under external pressure[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（2）： 110.

[9]黃澤淦. 外壓球殼和凸形封頭的計算圖表[J]. 化工設備設計， 1981， 18（6）： 18.

HUANG Zegan. Calculation charts of spherical shell under external pressure and convex head[J]. Chem Equipment Des， 1981， 18（6）： 18.

[10]COLIN R， BERTRAND V. Hydrodynamic loading on middle water arch structures[C]//Proc ASME 2011 30th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng. Netherlands： 2011.（編輯武曉英）