非黏結柔性立管疲勞損傷特性分析

任 鐵，宋磊建，沈志平，周 佳

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240; 2. 中國船舶與海洋工程設計研究院，上海 200011)

非黏結柔性立管疲勞損傷特性分析

任 鐵1, 2，宋磊建2，沈志平2，周 佳2

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240; 2. 中國船舶與海洋工程設計研究院，上海 200011)

對柔性立管的疲勞損傷特性進行分析，探究抗拉層與抗壓層的疲勞特性，并分析彎曲加強器的存在與否對柔性立管疲勞損傷的影響。研究表明：柔性立管最內層抗拉層上的疲勞損傷最大，從內到外，抗拉層的疲勞損傷依次減??；抗壓層受到的疲勞損傷遠小于抗拉層的疲勞損傷；彎曲加強器的存在可以減小立管的疲勞損傷，并改變抗拉層疲勞危險點的位置。

柔性立管；疲勞損傷；抗拉層；抗壓層；彎曲加強器

海洋立管是連接浮體與海底井口的關鍵設備，通常分為鋼質立管和柔性立管兩種，前者由金屬材料制成，后者由金屬和聚合物復合而成。典型的鋼質立管為鋼制懸鏈線立管，雖然造價便宜，但觸底區域彎曲剛度大，在波浪載荷作用下極易發生屈曲和疲勞問題，且安裝和維護成本較高。而柔性立管彎曲柔性好，可以在保證軸向抗拉能力的同時，承受較大的彎曲變形，通過變形來抵御外界載荷[1]，同時剛度低可避免渦激振動產生的疲勞破壞，且安裝維護成本低、可回收反復利用。因此，現有海洋立管，特別是在動態立管的應用中，約85%為柔性立管。我國柔性立管的研究和應用起步較晚，目前流花11-1和陸豐13-1油田中已開始逐步應用。

柔性立管是由多種結構層組成的復雜結構，從內到外通常包括：骨架層、內護套層、抗壓層、抗拉層、耐磨層和外護套層?？估瓕雍涂箟簩訛槁菪季值慕Y構層，螺旋布局的空間幾何形狀、復雜的材料組成以及接觸滑移的影響使得柔性立管截面力學性能分析和疲勞計算變得格外困難。Zhang等[2]介紹了柔性立管抗拉鎧裝層在海洋環境載荷下的疲勞壽命、塌陷以及軸向壓縮的計算方法，并對抗壓鎧裝層自鎖結構的有限元疲勞分析方法進行了說明；Clayton等[3]單獨分析了立管的每一層，研究中約束柔性立管螺旋鋼帶在其局部坐標系下的轉動，不過其采用的摩擦和接觸分析僅在一些假設條件下成立；Kraincanic等[4]對柔性立管單根螺旋鋼帶的滑移行為進行了研究，在研究過程中假設內壓在立管變形過程中保持不變，忽略立管的變形而引起的內壓變化，動態摩擦系數和靜態摩擦系數相同，同時忽略了單根螺旋鋼帶的彎曲和扭轉剛度；Bahtui等[5]在其研究中，通過有限元軟件ABAQUS對非黏合柔性立管進行了詳盡的數值模擬，通過設置接觸面的方式模擬了柔性立管上下層以及螺旋鋼帶之間的接觸，通過顯式動態分析進行計算，得到的結果與解析解吻合良好，但是由于龐大的節點和單元數目使得計算極為耗時；姜豪[6]提出一個新的非黏結柔性立管簡化模型，在考慮摩擦和接觸等非線性特性，以及骨架層和抗壓層的沿軸向的彈性模量的條件下，運用梁單元和殼單元簡化了建模。實驗研究的拉伸、扭轉、彎曲剛度結果與新建簡化模型計算結果的對比分析，驗證了所建簡化模型的可靠性；趙林等[7]通過查閱API系列規范及相關文獻，總結了海洋立管結構特點及實際運營中所受循環荷載效應，通過對海洋立管進行疲勞分析、疲勞試驗、疲勞試驗失效檢測及驗收標準等方面的分析探討，最終形成一套驗證海洋柔性立管性能及其可靠性的系統方法；唐猛[8]對基于全尺寸疲勞試驗的海洋柔性立管的安全可靠性進行了研究。

柔性立管結構復雜、設計和分析難度大，目前，柔性立管的生產和設計僅限于國外的少數公司，如Well Stream，Technip以及NKT等。國內針對柔性立管的研究和應用起步比較晚，柔性立管相關的設計分析技術、理論研究和制造技術比較落后。當前，國家南海油氣開發大戰略正在不斷深入，同時國際石油價格不斷下跌也迫切要求降低油氣開采成本。在此大背景下，柔性立管的國產化可大幅降低其自身價格，再加上柔性立管安裝和維護成本低的優勢，柔性立管正越來越多的受到國內關注，我國也迫切需要掌握柔性立管的設計分析技術。

以某一柔性立管為例，應用有限元軟件BFLEX對該柔性立管進行疲勞分析，研究柔性立管抗拉層和抗壓層的疲勞特性以及彎曲加強器對立管疲勞損傷的影響，從而為我國南海油氣資源開發中柔性立管的應用提供技術儲備。

1 柔性立管計算模型及疲勞載荷工況

1.1柔性立管截面組成

文中的柔性立管為非黏結性立管，由18層結構物組成。其中，骨架層、抗壓層各一層，抗拉層為4層。同時包含一個絕熱層以保證立管管內的溫度。表1給出了各結構層的基本參數，其中抗拉層(Tenslayer-1)為最內層抗拉層，而抗拉層(Tenslayer-4)為最外層抗拉層。表2給出了各結構層的材料性質。

表1 柔性立管各結構層基本參數Tab. 1 Basic properties of each structure layer (mm)

(續表)

表2 立管各結構層的材料性質Tab. 2 Material properties of each layer

1.2彎曲加強器參數

實際的海洋油氣開發中，在柔性立管與海洋平臺連接點處，即立管的頂端，通常安裝有彎曲加強器，從而減小頂部平臺運動引起的彎曲載荷對立管頂端的結構損傷和疲勞損傷。表3給出了彎曲加強器的幾何尺寸值。

表3 彎曲加強器的幾何尺寸Tab. 3 Geometry of bending stiffener (m)

彎曲加強器通常由材料聚氨酯(PU)制造，其彈性楊氏模量通常取為68.5 MPa，在室溫為23℃時，其應—應變值如圖1所示。

圖1 彎曲加強器應力—應變曲線Fig. 1 Stress-strain curve of bending stiffener

1.3疲勞載荷工況

柔性立管的疲勞損傷主要包括：波致疲勞損傷和渦激振動引起的疲勞損傷。由平臺運動以及波流力引起的波致疲勞損傷是立管疲勞損傷的主要來源。對柔性立管的波致疲勞損傷而言，立管頂端與平臺的連接點通常為疲勞危險點。在頂部平臺運動及波流載荷作用下，立管承受的軸向張力、彎矩是影響立管疲勞主要的載荷。表4給出了用于計算立管頂端局部疲勞損傷的疲勞載荷工況，共14個工況，包括最大張力、最大/最小的角位移以及循環次數，其中角位移表示了立管承受的彎曲載荷。

表4 立管頂端局部疲勞分析載荷工況Tab. 4 Load matrix for fatigue analysis of the upend of the riser

1.4S-N曲線

在分析立管的疲勞損傷時，選取使得S-N曲線參數如表5所示[9]。

表5 S-N曲線參數Tab. 5 Parameter of the S-N curve

2 柔性立管疲勞分析有限元模型

采用有限元軟件BFLEX建立帶有彎曲加強器的柔性立管局部有限元模型，將表4中的疲勞載荷工況施加到此有限元模型上，從而獲得立管的疲勞損傷。有限元軟件BFLEX為挪威MARINTEK的SINTEF開發的一款專門用于柔性立管局部力學特性分析和疲勞分析的有限元軟件，該軟件可計算柔性立管各結構層的應力/應變、位移及疲勞損傷[10]。

圖2為帶有彎曲加強器的柔性立管有限元模型示意圖。其中，立管模型的長度為15 m，彎曲加強器的長度為7 m。立管兩端的邊界條件為自由支持，彎曲加強器的左端與立管模型的左端剛性連接，而彎曲加強器的右端自由。立管與彎曲加強器均采用Pipe52單元進行建模，單元長度均為0.05 m，立管與彎曲加強器之間的接觸作用采用Cont130單元進行模擬。需要指出的是，從圖1中可以看出，彎曲加強器的材料聚氨酯為非線性材料。計算時為考慮彎曲加強器材料非線性性能的影響，在利用軟件BFLEX建立彎曲加強器的有限元模型時，將彎曲加強器的材料定義為非線性材料，根據圖1輸入應力—應變關系曲線，并在計算時打開非線性開關。

在計算表4給出的每組疲勞載荷工況作用下立管的疲勞損傷時，角位移施加在立管模型的左端，張力載荷施加在立管模型的右端。如圖2所示。對于每組工況，最大角位移與最小角位移之間包含40個載荷步。

圖2 帶有彎曲加強器的柔性立管有限元模型示意Fig. 2 Sketch of FEM model for the flexible riser with bending stiffener

3 結果分析與討論

3.1抗拉層疲勞分析結果

圖3給出了表4中的疲勞工況14作用下立管4層抗拉層的疲勞損傷沿立管軸向的分布云圖。

圖3 疲勞工況14作用下立管四層抗拉層的疲勞損傷沿立管軸向分布云圖Fig. 3 Distribution of fatigue along the riser's axis for 4 tensile armour layers in fatigue load case 14

從圖中可以看出，4層抗拉層的疲勞損傷主要發生在距立管頂端4.5～6 m之間。由于彎曲加強器的長度為7 m，因此立管抗拉層疲勞的最大點位于彎曲加強器的內部、靠近彎曲加強器底部的位置處，而不是在立管的最頂端。因此，對于帶有彎曲加強器的柔性立管，雖然立管頂端，即與船體連接處的彎曲載荷最大，但是其疲勞損傷不是最大的。

圖4為所有載荷步下，彎曲曲率沿立管軸向的分布圖。從圖中可以看出，在立管4.5～6 m之間，立管彎曲曲率的變化幅值是最大的，這與立管各層抗拉層的疲勞損傷在立管軸向上的分布趨勢是一致的。立管彎曲曲率與疲勞之間的對應關系表明了本計算模型的設置是合理的，計算結果可信。

圖4 各載荷步下彎曲曲率沿立管軸向的分布Fig. 4 Distribution of curvature along the riser's axis at each load step

表6給出了各疲勞載荷工況下立管各抗拉層的疲勞危險點處的疲勞損傷以及總的疲勞損傷。

表6 立管4層抗拉層疲勞危險點處的疲勞損傷Tab. 6 Fatigue damage of the four tensile armour layers at the fatigue’s dangerous point

表6顯示：從內到外，4層抗拉層總的疲勞損傷分別為9.94×10-4、1.05×10-4、4.95×10-6和1.71×10-8；由內到外，各抗拉層的疲勞損傷依次減小，最內層抗拉層的疲勞損傷最大，最外層抗拉層的疲勞損傷最小。這是因為抗拉鎧裝層為螺旋結構，在彎曲載荷的作用下，抗拉鎧裝層會產生滑移的趨勢，從而產生層間摩擦力，由于內壓的作用，最內層抗拉層受到的層間摩擦力最大，而最外層抗拉層受到的層間摩擦力最小。在軸向張力、彎曲載荷以及層間摩擦力作用下，螺旋鎧裝層的應力可分解為沿螺旋方向的環向應力、徑向應力以及垂直螺旋方向和徑向的切向應力。對于鋼制立管，其環向應力垂直于立管的軸向方向，為彎曲載荷引起的，彎曲半徑越大，環向應力越大。而對于螺旋結構的抗拉鎧裝層，軸向張力、彎曲載荷以及摩擦力對環向應力均有貢獻，且軸向張力對環向應力的貢獻大于彎曲載荷。對于抗拉鎧裝層，由軸向張力和彎曲載荷引起的三個應力分量基本相同，而最內層抗拉層受到的層間摩擦力最大，因此由層間摩擦力導致的應力也最大，從而使得最內層抗拉層的疲勞損傷最大。上述結論表明：在對柔性立管進行疲勞分析時，通常只需關注立管最內層抗拉層的疲勞損傷值。

3.2抗壓層與抗拉層疲勞損傷對比分析

圖5為各疲勞工況下立管最外層抗拉層及抗壓層的疲勞應力幅值。從圖中可以看出，在同一疲勞工況下，抗壓層的疲勞應力幅值遠小于立管最外層抗拉層的應力幅值，這表明在同樣的疲勞工況下，抗壓層所承受的疲勞損傷遠小于立管最外層抗拉層的疲勞損傷。結合3.1節的結論可知，在分析柔性立管的疲勞損傷時，通常只需要關注立管最內層抗拉層的疲勞損傷。

圖5 各疲勞工況下立管最外層抗拉層及抗壓層的疲勞應力幅值Fig. 5 Fatigue stress range of the outermost tensile armour and pressure armour in different fatigue load cases

3.3彎曲加強器對立管疲勞損傷的影響

為了研究彎曲加強器的存在對柔性立管疲勞損傷造成的影響，在BFLEX中建立不帶彎曲加強器的柔性立管模型，并將表4中的疲勞工況14施加在模型上，計算柔性立管各抗拉層的疲勞損傷。

表7給出了疲勞工況14作用下有無彎曲加強器時立管各抗拉層的疲勞損傷。從表7可以看出，柔性立管在有無彎曲加強器時，最內層抗拉層上的疲勞損傷都是最大的，且由內到外，抗拉層上的疲勞損傷都是減小的。但是，在沒有彎曲加強器的情況下，立管各抗拉層的疲勞損傷遠大于有彎曲加強器下的疲勞損傷。

圖6給出了有無彎曲加強器存在下柔性立管最內層抗拉層的疲勞損傷沿立管軸向的分布云圖。從圖6可以看出，在沒有彎曲加強器存在的情況下，立管抗拉層疲勞損傷最大值點發生在立管的最頂端，也就是與船體的連接處，沿著立管的軸向向下，疲勞損傷迅速減小。這與有彎曲加強器存在的情況下立管疲勞損傷的分布是不同的。

圖6 有無彎曲加強器時立管最內層抗拉層的疲勞損傷分布云圖Fig. 6 Distribution of the fatigue for the innermost tensile armour layer with/without bending stiffener

4 結 語

利用有限元軟件BFLEX對柔性立管的疲勞損傷特性進行了分析，探究了立管抗拉層與抗壓層的疲勞特性，同時分析了彎曲加強器的存在與否對柔性立管疲勞損傷的影響，得到如下結論：

1) 柔性立管最內層抗拉層上的疲勞損傷最大，且從內到外，抗拉層上的疲勞損傷依次減小，最內層抗拉層上的疲勞壽命決定著整條立管的疲勞壽命；

2) 同樣的疲勞載荷工況下，抗壓層受到的疲勞損傷遠小于抗拉層的疲勞損傷，在分析柔性立管的疲勞壽命時，可忽略對抗壓層疲勞壽命的分析；

3) 彎曲加強器的存在可以減小立管疲勞損傷，增加立管的疲勞壽命；

4) 彎曲加強器的存在會轉移立管疲勞危險點的位置，從頂端懸掛點轉移至靠近彎曲加強器末端，從而防止立管的頂端發生疲勞損傷集中，避免立管與船體的連接點發生疲勞破壞。

[1] 陳希恰. 深海柔性立管結構力學特性分析[D]. 上海: 上海交通大學, 2014. (CHEN Xiqia. Analysis of the mechanical property for deepsea flexible riser[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2014. (in Chinese))

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[9] API SPEC 17J, Specification for unbonded flexible pipe[S]. Washington D C: API Publishing Services, 2008.

Analysis of the fatigue characteristics of unbonded flexible riser

REN Tie1, 2, SONG Leijian2, SHEN Zhiping2, ZHOU Jia2

(1. State Key Lab of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design amp; Research Institute of China, Shanghai 200011,China)

In this study, the fatigue characteristics of a flexible riser were analyzed; the fatigue characteristics of tensile armor layer and pressure armor layer were studied and the effects of the bending stiffener on the fatigue damage of flexible riser were also investigated. The results show that the fatigue damage of the innermost tensile armor layer is the largest, and the fatigue damage reduces from inside layer to outside layer. Besides, the fatigue damage of the pressure armor layer is far less than that of the tensile armor layer. The existence of bending stiffener can decrease the riser fatigue damage and change the position of the fatigue’s dangerous point.

flexible riser; fatigue analysis; tensile armor layer; pressure armor layer; bending stiffener

1005-9865(2017)06-0101-08

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.012

2016-12-31

工業和信息化部高技術船舶科研項目“深海半潛式生產平臺總體設計關鍵技術研究”

任 鐵(1985-)，男，碩士研究生，主要從事深水立管、平臺總體和結構設計的研究。

宋磊建(1987-)。E-mail: songleijian@163.com