中水浮拱浮力舱的结构强度分析

吕东等

摘要： 针对浅水动态柔性管/缆系统的附件——中水浮拱的浮力舱，介绍其结构特点和功能等，并给出其基本参数；用ANSYS分析浮力舱结构强度，得到壁厚变化对浮力舱的强度和质量影响的一般规律；研究浮力舱在破舱后对中水浮拱整体功能的影响；总结内部隔板与外舱体连接处的倒角半径和浮力舱应力变化曲线，给出最佳倒角半径范围.研究结果可以提高中水浮拱的安全可靠性和设计水平.

关键词： 中水浮拱； 浮力舱； 结构分析； 强度； 壁厚； 倒角半径； ANSYS

中图分类号： TE 53；TB 115.1文献标志码： 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

海洋动态柔性管/缆在海上油气田开采系统中具有举足轻重的作用，作为连接平台与海底采油设备的桥梁，其对环境载荷和浮体运动载荷等有严格的安全要求.对于浅水柔性管/缆的铺设，广泛采取LazyS型线型布置（见图1），主要依靠中水浮拱保持立管形态.这种线型布置可以有效减小管/缆的上部悬挂张力，并且解耦上部浮体结构与海底管道系统之间的运动关系，使其在水中拥有良好的顺应性，有效提高管/缆的使用寿命.[1]

1—上悬链线缆段； 2—下悬链线缆段； 3—中水浮拱缆段； 4—浮体； 5—中水浮拱； 6—系链； 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装备，见图2.中水浮拱由锚链与海床上的重力块连接，用于支撑海洋动态柔性管/缆，使其满足LazyS型线型布置.[2]中水浮拱主要由曲面拱槽和浮力舱2个基本部件组成.前者用于支撑柔性管/缆，后者是中水浮拱的浮力来源.浮力舱是其中最关键的结构，中水浮拱是否满足功能要求主要取决于浮力舱的结构设计是否合理.为设计适合某动态柔性管/缆系统的中水浮拱，需要考虑装备的应用水深、动态柔性管/缆的净浮力要求以及某些特殊情况，对浮力舱排水体积、壁厚和内部结构进行设计分析，并对所设计的浮力舱的净浮力要求、强度要求和特殊情况下的破舱影响进行详细校核.

（a）

1.2中水浮拱浮力舱基本参数

浮力舱主要用来提供浮力，其设计参照压力容器规范第VIII卷[4].为保证中水浮拱在服役阶段能够安全可靠地工作，一般将浮力舱划分为若干舱室，可以避免在特殊情况下因浮力舱的破损而导致中水浮拱整体失效沉没的风险[56]，并且分舱隔板也有加强浮力舱强度的作用.

浮力舱的设计要素主要有浮力舱净浮力、浮力舱总体积、浮力舱基本尺寸和浮力舱分舱数目等.根据所给动态柔性管/缆的详细信息和柔性管/缆系统的各段长度，用相关软件可以分析得到保持LazyS型线型布置的净浮力为39.3 t，而中水浮拱的浮力基本由浮力舱提供，所以认为浮力舱所需提供的净浮力为39.3 t，从而得到拥有双浮力舱的中水浮拱单个浮力舱所需提供的净浮力为19.7 t.考虑到会有破舱的极限情况出现，需要一定的浮力裕量，所以单个浮力舱所需提供的净浮力为 23.5 t.根据阿基米德定律F浮=G排=ρ液·g·V排液可以得到单个浮力舱（以下简称浮力舱）排水体积为28.4 m3.假定浮力舱的质量为5.6 t，参照压力容器规范第VIII卷和动态柔性管/缆等相关信息及参考文献，最终给出浮力舱的基本参数[79]见表2.

2.1分析内容

中水浮拱置于距离海平面-58 m的深度，主要受海水压力、海水动力[10]、内部充气压力和本身重力等作用，为使中水浮拱在应用过程中满足功能和强度要求，确保在使用寿命内不出现严重事故，须对其进行功能和强度校核.中水浮拱浮力舱的校核分析主要有：浮力舱壁厚变化对强度和质量的影响分析、舱室破损情况下浮力舱的功能分析和强度分析及其对整体的影响.

2.2浮力舱壁厚对强度和质量的影响

中水浮拱浮力舱的强度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型为简易模型，见图3，包含外压力舱与内部分舱隔板.

（a）完整模型（b）横切剖面图

（1）浮力舱的应力随舱壁厚度的增大而呈现非线性减小，从壁厚为5 mm开始，减小的趋势逐渐降低，最后趋于稳定.

（2）浮力舱的质量随舱壁厚度的变大而呈现线性增大.

因此，增大壁厚虽然能够增大浮力舱的强度，但是自身质量也相应增大，使其所提供的净浮力下降；减小壁厚能够提高浮力舱的浮力性能，却会使其承压能力降低.由此，根据上述规律进行舱壁厚度的合理选择.根据规范[4]和动态柔性管/缆的净浮力要求可知初步给定的壁厚参数符合要求.

2.3中水浮拱浮力舱的舱室破损分析

2.3.1破损1个舱室

中水浮拱是提供浮力的装置，如果中水浮拱的浮力舱由于某种原因破损，导致舱室进水，那么中水浮拱系统所提供的净浮力可能无法满足动态柔性管/缆系统的要求，进而导致整体沉没，对整个生产系统造成非常严重的事故，因此对中水浮拱浮力舱进行破舱分析是一项很有意义的工作.

浮力舱4个舱室的设计容积相等.根据浮力舱的基本设计参数可知，在破损一个舱室后双浮力舱式中水浮拱的净浮力为39.7 t，满足保持LazyS型线型布置的净浮力要求.

假设浮力舱端部舱室破损，ANSYS模型可以将端部舱室去掉，视为水压直接作用在破损舱室内部隔板处.端部舱室破损模型和应力分布见图6.

由图6可知，在端部舱室破损后隔板与舱体连接边缘应力值达到647.786 MPa，远大于材料的许用应力值，是因为隔板与舱体连接处转角为90°，出现应力集中现象.为阻止浮力舱在破损1个舱室后继续造成破舱效应而使中水浮拱整体遭到破坏，需要在内部

由图7可知，修改倒角半径后的浮力舱应力值为340.07 MPa，小于材料的许用应力值，满足结构的强度要求.内部隔板与外舱体的倒角半径决定隔板在承受静水压力时应力集中程度，倒角半径过小不能满足结构强度要求，倒角半径过大会增加浮力舱自身质量，因此得到一个合适的倒角半径大小非常重要，在端部破损情况下承受静水压力时应力倒角半径曲线见图8.

3结论

针对应用于浅水动态柔性管/缆系统的中水浮拱浮力舱的结构展开研究，给出浮力舱结构的基本参数，研究中水浮拱的浮力舱壁厚对强度和质量的变化规律，浮力舱破舱对整体性能和强度的影响，以及内部隔板和外舱体连接处的倒角对浮力舱强度的变化规律，主要得到以下结论.

（1）在中水浮拱浮力舱基本外形尺寸确定的情况下，浮力舱的壁厚对其强度和质量起决定性的作用.在同样工作水深处，随着壁厚的增大，浮力舱的强度将显著增大，自身应力呈现非线性减小；从某壁厚数值开始，减小的趋势逐渐降低，最后趋于稳定.随着壁厚的增大，浮力舱的质量线性增加.在对浮力舱进行设计时，既要考虑浮力舱的自身强度，又要考虑其净浮力要求，壁厚的选择对中水浮拱整体性能产生很大的影响.

（2）中水浮拱的作用是产生一定的浮力，浮力舱的破损会使其净浮力降低，对整个生产系统造成非常严重的影响.在破损1个舱室的情况下，净浮力仍然满足要求，如果抢修及时则不会对管/缆等生产系统造成过大伤害；当2个舱室破损时，净浮力损失25%，不能够满足设计要求，中水浮拱会整体沉没.

（3）内部隔板与外舱体之间如果不采用倒角连接，在舱室破损水压直接作用于隔板上时，将会在连接处产生应力集中现象，进而继续扩大破舱效应.最大应力随着倒角半径的逐渐增大而呈现降低趋势，但是同样会增加自身的质量.选择合适的倒角半径会相应提高中水浮拱的整体性能.参考文献：

[1]孙丽萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的缓波型布置及参数敏感性分析[J]. 中国海洋平台， 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]刘小艳. 面向目标油田的动态管缆线型设计与分析[D].大连： 大连理工大学， 2012： 2022.

[3]陈金龙. 海洋动态脐带缆的整体设计与分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2011： 3132.

[4]ASME. 锅炉和压力容器规范： 第VIII卷： 第一册： 压力容器[S]. 1986.

[5]康庄， 贾鲁生， 孙丽萍， 等. 深水塔式立管顶部浮力筒设计分析方法[J]. 中国造船， 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]刘佳宁. 自由站立式立管浮力筒结构设计与分析[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2011.

[7]董大勤， 袁凤隐. 压力容器设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2005： 183308.

[8]孙儒荣. 外压圆筒的计算图表[J]. 化工设备设计， 1981， 18（2）： 110.

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

[9]黄泽淦. 外压球壳和凸形封头的计算图表[J]. 化工设备设计， 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.（编辑武晓英）

2.2浮力舱壁厚对强度和质量的影响

中水浮拱浮力舱的强度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型为简易模型，见图3，包含外压力舱与内部分舱隔板.

（a）完整模型（b）横切剖面图

（1）浮力舱的应力随舱壁厚度的增大而呈现非线性减小，从壁厚为5 mm开始，减小的趋势逐渐降低，最后趋于稳定.

（2）浮力舱的质量随舱壁厚度的变大而呈现线性增大.

因此，增大壁厚虽然能够增大浮力舱的强度，但是自身质量也相应增大，使其所提供的净浮力下降；减小壁厚能够提高浮力舱的浮力性能，却会使其承压能力降低.由此，根据上述规律进行舱壁厚度的合理选择.根据规范[4]和动态柔性管/缆的净浮力要求可知初步给定的壁厚参数符合要求.

2.3中水浮拱浮力舱的舱室破损分析

2.3.1破损1个舱室

中水浮拱是提供浮力的装置，如果中水浮拱的浮力舱由于某种原因破损，导致舱室进水，那么中水浮拱系统所提供的净浮力可能无法满足动态柔性管/缆系统的要求，进而导致整体沉没，对整个生产系统造成非常严重的事故，因此对中水浮拱浮力舱进行破舱分析是一项很有意义的工作.

浮力舱4个舱室的设计容积相等.根据浮力舱的基本设计参数可知，在破损一个舱室后双浮力舱式中水浮拱的净浮力为39.7 t，满足保持LazyS型线型布置的净浮力要求.

假设浮力舱端部舱室破损，ANSYS模型可以将端部舱室去掉，视为水压直接作用在破损舱室内部隔板处.端部舱室破损模型和应力分布见图6.

由图6可知，在端部舱室破损后隔板与舱体连接边缘应力值达到647.786 MPa，远大于材料的许用应力值，是因为隔板与舱体连接处转角为90°，出现应力集中现象.为阻止浮力舱在破损1个舱室后继续造成破舱效应而使中水浮拱整体遭到破坏，需要在内部

由图7可知，修改倒角半径后的浮力舱应力值为340.07 MPa，小于材料的许用应力值，满足结构的强度要求.内部隔板与外舱体的倒角半径决定隔板在承受静水压力时应力集中程度，倒角半径过小不能满足结构强度要求，倒角半径过大会增加浮力舱自身质量，因此得到一个合适的倒角半径大小非常重要，在端部破损情况下承受静水压力时应力倒角半径曲线见图8.

3结论

针对应用于浅水动态柔性管/缆系统的中水浮拱浮力舱的结构展开研究，给出浮力舱结构的基本参数，研究中水浮拱的浮力舱壁厚对强度和质量的变化规律，浮力舱破舱对整体性能和强度的影响，以及内部隔板和外舱体连接处的倒角对浮力舱强度的变化规律，主要得到以下结论.

（1）在中水浮拱浮力舱基本外形尺寸确定的情况下，浮力舱的壁厚对其强度和质量起决定性的作用.在同样工作水深处，随着壁厚的增大，浮力舱的强度将显著增大，自身应力呈现非线性减小；从某壁厚数值开始，减小的趋势逐渐降低，最后趋于稳定.随着壁厚的增大，浮力舱的质量线性增加.在对浮力舱进行设计时，既要考虑浮力舱的自身强度，又要考虑其净浮力要求，壁厚的选择对中水浮拱整体性能产生很大的影响.

（2）中水浮拱的作用是产生一定的浮力，浮力舱的破损会使其净浮力降低，对整个生产系统造成非常严重的影响.在破损1个舱室的情况下，净浮力仍然满足要求，如果抢修及时则不会对管/缆等生产系统造成过大伤害；当2个舱室破损时，净浮力损失25%，不能够满足设计要求，中水浮拱会整体沉没.

（3）内部隔板与外舱体之间如果不采用倒角连接，在舱室破损水压直接作用于隔板上时，将会在连接处产生应力集中现象，进而继续扩大破舱效应.最大应力随着倒角半径的逐渐增大而呈现降低趋势，但是同样会增加自身的质量.选择合适的倒角半径会相应提高中水浮拱的整体性能.参考文献：

[1]孙丽萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的缓波型布置及参数敏感性分析[J]. 中国海洋平台， 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]刘小艳. 面向目标油田的动态管缆线型设计与分析[D].大连： 大连理工大学， 2012： 2022.

[3]陈金龙. 海洋动态脐带缆的整体设计与分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2011： 3132.

[4]ASME. 锅炉和压力容器规范： 第VIII卷： 第一册： 压力容器[S]. 1986.

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[6]刘佳宁. 自由站立式立管浮力筒结构设计与分析[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2011.

[7]董大勤， 袁凤隐. 压力容器设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2005： 183308.

[8]孙儒荣. 外压圆筒的计算图表[J]. 化工设备设计， 1981， 18（2）： 110.

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

[9]黄泽淦. 外压球壳和凸形封头的计算图表[J]. 化工设备设计， 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.（编辑武晓英）

2.2浮力舱壁厚对强度和质量的影响

中水浮拱浮力舱的强度分析主要采用ANSYS建模分析，有限元模型为简易模型，见图3，包含外压力舱与内部分舱隔板.

（a）完整模型（b）横切剖面图

（1）浮力舱的应力随舱壁厚度的增大而呈现非线性减小，从壁厚为5 mm开始，减小的趋势逐渐降低，最后趋于稳定.

（2）浮力舱的质量随舱壁厚度的变大而呈现线性增大.

因此，增大壁厚虽然能够增大浮力舱的强度，但是自身质量也相应增大，使其所提供的净浮力下降；减小壁厚能够提高浮力舱的浮力性能，却会使其承压能力降低.由此，根据上述规律进行舱壁厚度的合理选择.根据规范[4]和动态柔性管/缆的净浮力要求可知初步给定的壁厚参数符合要求.

2.3中水浮拱浮力舱的舱室破损分析

2.3.1破损1个舱室

中水浮拱是提供浮力的装置，如果中水浮拱的浮力舱由于某种原因破损，导致舱室进水，那么中水浮拱系统所提供的净浮力可能无法满足动态柔性管/缆系统的要求，进而导致整体沉没，对整个生产系统造成非常严重的事故，因此对中水浮拱浮力舱进行破舱分析是一项很有意义的工作.

浮力舱4个舱室的设计容积相等.根据浮力舱的基本设计参数可知，在破损一个舱室后双浮力舱式中水浮拱的净浮力为39.7 t，满足保持LazyS型线型布置的净浮力要求.

假设浮力舱端部舱室破损，ANSYS模型可以将端部舱室去掉，视为水压直接作用在破损舱室内部隔板处.端部舱室破损模型和应力分布见图6.

由图6可知，在端部舱室破损后隔板与舱体连接边缘应力值达到647.786 MPa，远大于材料的许用应力值，是因为隔板与舱体连接处转角为90°，出现应力集中现象.为阻止浮力舱在破损1个舱室后继续造成破舱效应而使中水浮拱整体遭到破坏，需要在内部

由图7可知，修改倒角半径后的浮力舱应力值为340.07 MPa，小于材料的许用应力值，满足结构的强度要求.内部隔板与外舱体的倒角半径决定隔板在承受静水压力时应力集中程度，倒角半径过小不能满足结构强度要求，倒角半径过大会增加浮力舱自身质量，因此得到一个合适的倒角半径大小非常重要，在端部破损情况下承受静水压力时应力倒角半径曲线见图8.

3结论

针对应用于浅水动态柔性管/缆系统的中水浮拱浮力舱的结构展开研究，给出浮力舱结构的基本参数，研究中水浮拱的浮力舱壁厚对强度和质量的变化规律，浮力舱破舱对整体性能和强度的影响，以及内部隔板和外舱体连接处的倒角对浮力舱强度的变化规律，主要得到以下结论.

（1）在中水浮拱浮力舱基本外形尺寸确定的情况下，浮力舱的壁厚对其强度和质量起决定性的作用.在同样工作水深处，随着壁厚的增大，浮力舱的强度将显著增大，自身应力呈现非线性减小；从某壁厚数值开始，减小的趋势逐渐降低，最后趋于稳定.随着壁厚的增大，浮力舱的质量线性增加.在对浮力舱进行设计时，既要考虑浮力舱的自身强度，又要考虑其净浮力要求，壁厚的选择对中水浮拱整体性能产生很大的影响.

（2）中水浮拱的作用是产生一定的浮力，浮力舱的破损会使其净浮力降低，对整个生产系统造成非常严重的影响.在破损1个舱室的情况下，净浮力仍然满足要求，如果抢修及时则不会对管/缆等生产系统造成过大伤害；当2个舱室破损时，净浮力损失25%，不能够满足设计要求，中水浮拱会整体沉没.

（3）内部隔板与外舱体之间如果不采用倒角连接，在舱室破损水压直接作用于隔板上时，将会在连接处产生应力集中现象，进而继续扩大破舱效应.最大应力随着倒角半径的逐渐增大而呈现降低趋势，但是同样会增加自身的质量.选择合适的倒角半径会相应提高中水浮拱的整体性能.参考文献：

[1]孙丽萍， 周佳， 王佳琦. 深水柔性立管的缓波型布置及参数敏感性分析[J]. 中国海洋平台， 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]刘小艳. 面向目标油田的动态管缆线型设计与分析[D].大连： 大连理工大学， 2012： 2022.

[3]陈金龙. 海洋动态脐带缆的整体设计与分析[D]. 大连： 大连理工大学， 2011： 3132.

[4]ASME. 锅炉和压力容器规范： 第VIII卷： 第一册： 压力容器[S]. 1986.

[5]康庄， 贾鲁生， 孙丽萍， 等. 深水塔式立管顶部浮力筒设计分析方法[J]. 中国造船， 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]刘佳宁. 自由站立式立管浮力筒结构设计与分析[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2011.

[7]董大勤， 袁凤隐. 压力容器设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2005： 183308.

[8]孙儒荣. 外压圆筒的计算图表[J]. 化工设备设计， 1981， 18（2）： 110.

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

[9]黄泽淦. 外压球壳和凸形封头的计算图表[J]. 化工设备设计， 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.（编辑武晓英）