海管附属件有限元分析及不同校核准则比较

张 捷，孙国民，马红旗，蓝国阳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海管附属件有限元分析及不同校核准则比较

张 捷，孙国民，马红旗，蓝国阳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海管系统由海底管道平管、立管、膨胀弯及相关附属件组成。对于平管及立管都有专门的软件进行分析设计，而相关附属件则一般采用通用有限元软件进行分析。采用ANSYS软件对海管附属件进行分析。根据附属件的实际受力情况建立有限元分析模型，得到附属件应力分布，并根据DNV-OS-F101准则及ASME Ⅷ Div2准则分别对其进行应力校核，判断海管附属件是否满足规范要求，保证附属件的安全运行。同时比较了两种校核准则的异同，为以后的项目提供参考。

海洋油气管道；海管附属件；有限元分析；校核准则

0 引 言

在海底管道系统中，不仅有海管平管、立管和膨胀弯，附属件也是不可缺少的组成部分。在钢管系统中，附属件一般包括锚固件及法兰。其中锚固件又分为Ⅰ型锚固件及Ⅱ型锚固件，它们制造工艺一般为铸造。Ⅰ型锚固件用于双层管与双层管的连接；Ⅱ型锚固件用于单层管与双层管的连接。法兰形式多样，主要用途为两大类：一类用于立管悬挂，谓之悬挂法兰，整体成型的悬挂法兰的制造工艺一般也是铸造；另一类用于海管平管、膨胀弯、立管之间的连接，包括焊径法兰、旋转法兰、球法兰、盲法兰等，一般成套使用。

设计时，连接法兰的选型主要由海管尺寸及磅级决定，设计方只需成套采购使用，一般无需有限元分析。而锚固件与悬挂法兰则不一样，需根据实际受力情况经应力分析后，才最终确定其选型。有限元方法可以很好地用于海管设计，是海管设计时应力分析的有效方法之一[1]。锚固件在海管系统中应用广泛，有着连接内外管及阻水的作用，也是双层管中不可缺少的部件[2]。锚固件与悬挂法兰只是形状不一样，其采用的分析手段完全一致，设计方法也大致相同。本文将以锚固件为例，根据某海管设计项目中锚固件受力情况进行有限元分析。列举两种用于附属件校核的较常用校核准则：DNV-OS-F101规范准则[3]和ASME Ⅷ规范准则[4]。分别应用以上两准则对锚固件有限元结果进行应力校核。最后比较两准则的异同，为今后的项目提供参考。

1 锚固件简介

锚固件一般用于海底管道或者较深水、深水的立管双层管与双层管的连接以及立管和膨胀弯处的双层管与单层管之间的连接。

锚固件的结构型式根据它所连接的管线确定。如果管线参数确定，锚固件的参数也就确定了。

锚固件分为Ⅰ型锚件及Ⅱ型锚固件，前者用于双层管与双层管的连接，后者用于双层管与单层管的连接，如图1和图2所示。

图1 Ⅰ型锚固件Fig.1 Type Ⅰ bulkhead configuration

图2 Ⅱ型锚固件Fig.2 Type Ⅱ bulkhead configuration

通常锚固件不管壁厚是多少，其长度规格型式基本一致。具体长度尺寸如表1所示。

表1 锚固件尺寸参数Table 1 Bulkhead configuration parameters mm

注：参数表达的意义如图1和图2所示。

本文将选取南海某项目中立管底部Ⅱ型锚固件及海管平管处Ⅰ型锚固件进行分析。锚固件设计参数如表2所示。

表2 某项目锚固件设计参数Table 2 Bulkhead design parameters of a certain project

锚固件设计时，其外径及壁厚需根据所连接的管线尺寸确定。该项目管线尺寸如表3所示。

表3 锚固件管线设计参数Table 3 Pipeline design parameters of the bulkhead

2 锚固件有限元模型

确定锚固件尺寸及相关工艺数据后，就可进行有限元分析。首先建立有限元模型，其次确定边界条件，最后根据锚固件所受外力情况在有限元模型中输入其所受各方向力及弯矩。

2.1 建立锚固件有限元模型

根据表1及表3确定的锚固件几何尺寸，建立三维几何模型。采用SOLID45实体单元划分网格。该单元由8个节点来定义，每个单元分别有X、Y、Z三个方向平移自由度。同时采用MASS21单元在锚固件两端建立刚性区域，以便后续在锚固件端部施加力及弯矩。最后得到有限元模型。

2.2 施加边界条件及荷载作用

Ⅰ型及Ⅱ型锚固件边界条件如图3和图4所示。

如图3所示，由于Ⅰ型锚固件沿中间截面对称，故取一半模型进行分析，并在中间截面施加6个方向全约束，分别约束住该截面X、Y、Z三个平移方向自由度及三个转动方向自由度。同时在内管内表面及外管外表面分别施加均布荷载模拟其所受内压及外压的作用。最后在内管及外管的端部表面分别施加内管及外管力与弯矩作用。

图3 Ⅰ型锚固件边界条件Fig.3 Boundary conditions of type Ⅰ bulkhead

图4为Ⅱ型锚固件边界条件示意图。人为将连接单层管的一边(即图4中右端)定义为开始端，将连接双层管的另一端定义为结束端。在结束端的外管上施加6个方向全约束，分别约束住该截面X、Y、Z三个平移方向自由度及三个转动方向自由度。同时在内管内表面及外管外表面分别施加均布荷载模拟其所受内压及外压的作用。最后在内管的开始端及结束端的端部表面分别施加力与弯矩作用。

图4 Ⅱ型锚固件边界条件Fig.4 Boundary conditions of type Ⅱ bulkhead

在进行锚固件有限元分析时，需得到其所受外力情况，以便作为初始条件输入到有限元模型中。在该项目中，Ⅰ型及Ⅱ型锚固件所受外力如表4所示。

表4 锚固件所受外荷载Table 4 External loads for bulkhead

经过划分网格及施加边界条件，输入外荷载后，最终得到锚固件有限元模型，如图5和图6所示。

图5 Ⅰ型锚固有限元模型Fig.5 Finite element model of type Ⅰ bulkhead

完成有限元模型后，运行计算程序，即可得到有限元分析结果。

3 锚固件有限元分析结果校核

完成锚固件有限元计算后，下一步还需进行规范校核，以便确定锚固件在外力的作用下是否满足规范要求。该步骤才是锚固件分析的关键，它包括对有限元结果的后处理及规范的选取校核等。本文将选取海管系统设计中最常用的DNV-OS-F101规范和ASME Ⅷ Div2规范中的准则校核锚固件。

3.1 DNV-OS-F101规范校核

DNV-OS-F101是挪威船级社制定的海管设计强制性规范，是海管设计中使用最多、最权威的规范之一。它在第7章“部件及装配”中规定，海管部件使用因子为0.67[3]。选取锚固件最小屈服应力乘以其使用因子得到其许用应力。选取有限元分析的最大等效应力与其许用用力进行比较。

该项目中Ⅰ型及Ⅱ型锚固件最大等效应力如图7和图8所示。

图7 Ⅰ型锚固件最大有效应力Fig.7 Von Mises stress of type Ⅰ bulkhead

图8 Ⅱ型锚固件最大有效应力Fig.8 Von Mises stress of type Ⅱ bulkhead

校核结果如表5所示。表中UC值即“使用因子校核值”。

表5 DNV-OS-F101规范下锚固件校核结果Table 5 Bulkhead checking result using DNV-OS-F101 standard

*由于锚固件所处环境温度高于50℃，需考虑温度折减效应。按DNV-OS-F101规范要求，应力折减为25.2 MPa。

从校核结果可以看出，该锚固件最大应力小于许用应力，处于安全范围内，满足DNV-OS-F101规范要求；但Ⅱ型锚固件强度利用因子已达94.5%，接近100%，已没有多少安全余量。

3.2 ASME Ⅷ Div2规范校核

ASME Ⅷ Div2规范为美国机械工程师协会制定的锅炉及压力容器规范，其中对锅炉及压力容器附属件提出了一些准则，也适用于海管附属件的校核[5]。其许用应力校准准则[4]如表6所示。

表6 ASME Ⅷ Div2规范锚固件校核准则Table 6 Bulkhead checking criteria of ASME Ⅷ Div2 standard

为应用ASME Ⅷ Div2规范准则校核该锚固件，需对锚固件有限元分析结果进行后处理，提取相应一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次局部薄膜应力+一次弯曲应力[6]。按锚固件受力特征，选择应力较大截面，尤其是端部截面，选取沿壁厚方向路径应力，需提取多个较大应力路径应力。选择的Ⅰ型及Ⅱ型锚固件路径上最大应力如图9和图10所示。

图9 Ⅰ型锚固件线性化应力Fig.9 Linearization stress of type Ⅰ bulkhead

图10 Ⅱ型锚固件线性化应力Fig.10 Linearization stress of type Ⅱ bulkhead

Ⅰ型和Ⅱ型锚固件校核结果分别如表7和表8所示。

表7 ASME Ⅷ Div2规范下Ⅰ型锚固件校核结果Table 7 Type Ⅰ bulkhead checking result using ASME Ⅷ Div2 standard

表 8 ASME Ⅷ Div2规范下Ⅱ型锚固件校核结果Table 8 Type Ⅱ bulkhead checking result using ASME Ⅷ Div2 standard

从校核结果可以看出，该锚固件最大应力小于许用应力，处于安全范围内，满足ASME Ⅷ Div2规范要求；Ⅰ型锚固件及Ⅱ型锚固件总体膜应力、局部膜应力和弯曲应力组合均满足规范要求。

3.3 DNV-OS-F101与ASME Ⅷ Div2规范校核准则比较

通过运用DNV-OS-F101规范准则及ASME Ⅷ Div2规范准则校核可知，两规范准则均适用于海管附属件校核，具体设计时可按业主要求及项目特点选择使用。

DNV-OS-F101规范准则只是对结构使用因子提出了要求，在实际中提取等效应力进行校核即可，也不需要对有限元模型结果进行更进一步的后处理工作，简洁明了；相比这定，ASME Ⅷ Div2规范规定了总体膜应力、局部膜应力、弯曲应力及其组合的最大许用应力，设计人员需按其要求辨明应力较大位置，从而提取相应应力，需要针对有限元模型进行大量后处理工作，从而花费更多时间。

正因为DNV-OS-F101规范规定较简单，且规定的部件使用因子较低，故而经常发生管体应力在许用情况之内，而锚固件或悬挂法兰应力超出其要求的情况，这也与实际项目经验不符。实际上锚固件及悬挂法兰等附属件一般壁厚均大于管线，其本身强度也比管线大，从实际项目中可以看到，很少有锚固件及悬挂发生强度破坏的实例。从这方面来看，DNV-OS-F101规范对部件的要求较为保守，不是非常经济；而ASME Ⅷ Div2规范要求则很少会出现这种情况，设计者可以针对应力较大位置分析其膜应力与弯曲应力，进一步判断其是否超出许用应力。故在以后的项目中，如果附属件应力超过DNV-OS-F101规范要求，建议设计人员可以选择ASME Ⅷ Div2规范准则重新校核。

4 结 语

本文通过对海管附属件中的锚固件的有限元分析及校核，得到以下结论：

(1) 有限元分析方法是进行海管附属件设计和分析的有效方式。尤其是运用目前市场上广泛流行的商业化通用有限元软件ANSYS，可以快速、简洁地达到应力分析目的，特别是运用其参数化语言APDL可以批量化完成同一类型、不同规格、不同受力附属件的有限元分析，可以大大提高设计效率、节约工程项目成本。

(2) DNV-OS-F101规范准则和ASME Ⅷ Div2规范准则均适用于海管附属件校核，具体设计时可按业主要求及项目特点选择使用。

(3) DNV-OS-F101规范准则简洁明了,但是较为保守。

(4) ASME Ⅷ Div2规范作为应用较为广泛的规范，针对附属件性线化应力提出要求。当附属件局部点应力超出DNV-OS-F101规范要求时，可针对局部应力点较大截面位置分析其膜应力与弯曲应力，进一步判断其是否超出ASME Ⅷ Div2规范许用应力要求。

[1] 王猛.有限元在海底管道设计中的应用研究[D].天津：天津大学，2004.

[2] 李旭，李庆，杨琥，等.海管设计中锚固件及阻水器选用原则分析[J].海洋工程装备与技术，2014，1(2):177.

[3] Det Norske Veritas. DNV-OS-F101. Submarine pipeline system[S]. 2006.

[4] American Society of Mechanical Engineers. ASME Ⅷ Div.2. Alternative rules for construction of pressure vessels[S]. 2010.

[5] 丁伯民.对ASME Ⅷ-2(2007)——压力容器建造另一规则的介绍与分析[J].压力容器，2008(1):69.

[6] 高炳军,杨国政,董俊华,等.从压力容器有限元分析结果中分解一次弯曲应力的一种方法[J].机械强度,2008(2)：126.

SubseaPipelineAppendageFiniteElementAnalysisandComparisonofDifferentCheckingCriteria

ZHANG Jie, SUW Guo-min, MA Hong-qi, LAN Guo-yang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Subsea pipeline system consists of pipelines, risers, spools and appendages. For pipelines and risers, special softwares is used for analysis and design; for the appendages, common finite element analysis (FEA) software is used. We use the ANSYS software to do the analysis for appendages. Considering the real load of the appendages, FEA model is built, and the stress distribution is obtained. According to DNV-OS-F101 code and ASME Ⅷ Div2 code, stress checking is carried out to estimate if the appendages can meet the requirements and ensure the safe operation. Besides, the comparison between the two checking criteria can provide a reference for future projects.

marine oil and gas pipeline; subsea pipeline appendage; finite element analysis; checking criterion

TE973

A

2095-7297(2015)02-0093-06

2015-02-03

张捷(1986—)，男，工程师，主要从事海洋石油和天然气管道设计与研究工作。