时间：2022-09-25 06:24:43
摘要： 卷管式铺管作业中绝大部分的焊接工作在陆地上完成，铺管速度快.该铺管方式是深海和超深海管道铺设的重要形式之一.卷管式铺管过程中，管道卷入卷筒时对张力有一定要求：张力较小，管道难以卷入；张力较大，管道有可能受到损害.采用Abaqus模拟管道卷入卷筒的过程，并分析管道张力对卷管的影响.分析结果对卷管式铺管的卷管过程具有参考价值.
关键词： 海洋管道； 卷管式铺管； 卷管； 张力； 数值模拟； Abaqus
中图分类号： TE973.1； TB115.1文献标志码： B
引言
铺管船法是海洋油气管道铺设的主流方式之一，一般有S型、J型和卷管式铺管等3种方法[12]，其中，卷管式铺管方法铺管速度快，尤其在深海和超深海铺管，这个特点更为重要.目前，世界上具有代表性的卷管式铺管船有：DEEP BLUE，DEEP ENERGY，EMERALD SEA，BOLD ENDURANCE，AGILE，SEVEN OCEAN和SKANDI NAVICA等.[1]
连续管绝大部分的焊接在陆地上完成，然后卷入卷筒，其中卷管的管道张力为一个重要参数，当张力较小时，连续管难以卷入；而张力太大时，可能会损坏管道，并需要更大动力.本文采用数值模拟方法研究张力对卷管的影响，为卷管式铺管的卷管过程提供参考.
1卷管分析的数值模型
管道卷入卷筒属于非线性问题，包括几何大变形、材料塑性和接触等3种.Abaqus提供3种非线性的模拟方法，本文利用Abaqus模拟该过程，令卷筒逆时针旋转一周作为卷管的代表性工况.
根据TECHNIP公司APACHE铺管船的参数选择数值模型，卷筒直径为16.5 m，轴向长度为50 m，壁厚为0.25 m，采用extrusion方式建立模型.选取体单元C3D8R离散卷筒，共2 600个单元，卷筒离散模型见图1.由于重点关注管道应力和应变状况，并且实际卷筒径向采用支撑，因此变形很小.在模型中，令卷筒的弹性模量远大于X65钢的弹性模量，设为其1 000倍，泊松比为0.3.
图 1卷筒离散模型
APACHE铺管船铺设管道外径范围从50.8 mm到406.4 mm，本文取50.8 mm，壁厚取5.08 mm，管道长度为100 m，离散为100个B31梁单元.材料为X65钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，其塑性属性根据文献[3]确定.模型中X65钢应力塑性应变的关系见表1.
表 1X65钢应力塑性应变关系应力/MPa480625650675塑性应变00.040.080.16
将管道和卷筒组合在一起，见图2.
图 2卷筒和管道的组合
本文选取36个载荷步，模拟卷筒旋转一周.每个载荷步时间周期为1 s，采用自动增量，最大增量步为100，增量步的初始值为0.01，最小增量步为0.000 01，最大增量步为1.0.
建立管道和卷筒之间的接触关系.本文采用位移约束的方式，令卷筒逆时针转动，管道其中一端的端点与卷筒上某点约束在一起，在模型中通过tie方式实现；其他管道节点与卷筒外表面通过接触方式模拟，通过罚函数的形式模拟摩擦行为，摩擦因数为0.3.卷筒和管道的接触关系见图3.
图 3卷筒和管道的接触关系
为方便二者建立接触关系，对卷筒进行分割，见图2和3，可以方便管道端点与相关节点绑定在一起.在卷筒上建立圆柱坐标系，约束卷筒内外表面位移，令36个载荷步卷筒逆时针转动一周.对管道在整体坐标系下建立约束，令施加张力端部分节点只能产生管道轴向位移，在管道另一端施加集中载荷模拟管道张力.计算中张力分别取2，20和200 kN，模型约束示意见图4.
图 4模型约束示意
2数值模拟结果和分析
卷筒转动一周后卷筒与管道的相对位置见图5.
图 5卷筒转动一周后卷筒与管道的相对位置
由于卷管分析时对管道变形和应力情况较为关心，并且分析中管道以梁单元模拟，在显示应力和应变时为一条线，为更清楚地显示管道应力和变形情况，在结果显示中略去卷筒，并仅在管道形成的二维面内显示.张力分别为2，20和200 kN时，卷管过程中2个关键时刻的应力和变形情况分别见图6～8.（a）卷筒转动120°
（b）卷筒转动360°
图 6张力为2 kN作用下卷筒转动120°和360°时
管道的应力、变形示意
图6显示管道从卷筒到F端产生较大的竖向位移，并且最大应力出现在与卷筒初始相接处；图7显示管道从卷筒到F端竖向位移较小，同样最大应力出现在与卷筒初始相接处；图8显示管道从卷筒到F端竖向位移非常小，几乎难以看出，最大应力所处位置在卷管时发生变化，从卷筒初始相接处转移到管道与卷筒连接端附近.
3种工况下管道的最大应力见表2，可知，张力为2和20 kN时，二者的最大应力基本相同，这是因为二者的最大应力主要由管道形成圆环产生；当张力为200 kN时，最大应力比前二者大，这是因为在该工况下张力起到较大的作用，产生较大的拉应力.
由卷管过程中管道最大应力和塑性应变的分析可知，当张力过大时，管道的最大应力过大且出现大量不可恢复的塑性应变，对管道的强度不利，因此，应该根据工程需要选择合适的张力.
张力分别为2，20和200 kN时管道的竖直向位移见图10，可知，A～E段管道的竖向位移和张力反相关，即张力小则竖向位移大，反之亦然；当张力过小时，由于竖向位移过大，将导致分析中断，正好对应于管道难以符合规定卷入卷筒的情况.图 10张力分别为2，20和200 kN时管道的竖直向位移
3结论
（1）管道卷入卷筒包括几何大变形、材料塑性和接触等3种非线性问题.本文利用Abaqus的非线性处理能力，数值模拟管道卷入卷筒的过程，通过约束卷筒的转动位移模拟卷筒的转动.转动中，管道的部分关键节点仅允许轴向位移，利用该软件的接触分析功能模拟管道和卷筒的接触，分析中考虑管道的塑性变形.Abaqus可以直观地模拟出卷管过程中管道的应力和变形情况.
（2）管道的竖向位移与张力具有反相关关系.当张力过小时，竖向位移过大，难以卷入卷筒；当张力过大时，管道的最大应力过大且出现大量不可恢复的塑性应变，对管道的强度不利，应根据工程需要选择合适的张力.
（3）由于卷筒直径的限制，即使最小直径的管道在较小张力作用下仍出现塑性应变，在管道矫直铺设时将出现包辛格效应，需要对管道力学性能作进一步研究.
（致谢：本文工作受到中国石油集团海洋工程重点实验室的支持，现表示感谢！）
参考文献：
[1]2011 survey of worldwide offshore pipeline installation & burial contractors & vessels[DB/OL].[20130801]. http：///content/dam/etc/medialib/platform7/offshore/mapsand_posters/1111PipelayPoster112711APPads.pdf.
[2]张宏， 李志刚， 赵宏林， 等. 深水海底管道铺管设备技术现状与国产化设想[J]. 石油机械， 2008， 36（9）： 201204.
[3]张莉， 张玉凤， 霍立兴， 等. X65管线钢焊接接头低温韧性及安全评定的研究[J]. 中国机械工程， 15（6）： 553556.