深水高强厚壁海底管道抗压溃能力评估方法研究

曹先凡，曹文冉，赵开龙，徐爽，刘振纹

(1. 中国石油集团工程技术研究院 天津300456；2. 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室 天津300456)

深水高强厚壁海底管道抗压溃能力评估方法研究

曹先凡1,2，曹文冉1,2，赵开龙1,2，徐爽1,2，刘振纹1,2

(1. 中国石油集团工程技术研究院 天津300456；2. 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室 天津300456)

深水海底管道一般采用高强钢厚壁管来克服其承受的静水压力，基于高压舱评估其抗压溃能力是一个重要的手段。由于试件两端采用加强板固定，改变了服役环境下管道的边界条件，因此需要分析刚性边界对其抗压溃能力的影响。采用数值模拟方法给出管道服役和试验环境下的抗压溃能力，通过两者的比值，定量给出刚性边界的影响。结合高压舱测试数据，形成了一套高强厚壁管道抗压溃能力的评估方法，可以评价管道的抗压溃能力。

数值模拟 高压舱 高强厚壁管道 抗压溃能力 边界效应

0 引 言

自从1954年Brown&Root公司在美国墨西哥湾铺设第一条海底管线以来，世界各国铺设的海底管线总长度已达十几万公里，铺设深度已至上千米。随着我国南海油气开发的迅速升温，将来对海底管道的需求量将会大增。由于南海平均水深在1,000,m以上，因此，研究深水抗高压的高强厚壁海底管道的抗压溃能力具有重要意义。虽然规范给出了海底管道的压溃校核方法，但静水压溃受到材料属性、建造工艺、几何参数、载荷状态[1-5]等多种因素的影响，采用试验评估其抗压溃能力是一个重要手段。文中联合数值模拟和高压舱试验技术建立了一套深水高强厚壁管道抗压溃能力的评估方法，可以用于评估海底管道的抗压溃能力。

1 试件抗压溃能力的高压舱试验检测

以下给出了试验所用试件、设备、流程和试验结果。

1.1 试件参数

试件的参数如表1所示，其端部为加强板(见图1)。

表1 试件参数Tab.1 Parameter of Specimen

图1 试件Fig.1 Specimen

1.2 试验设备和流程

1.2.1 高压舱

采用了1030高压舱，其内径为1,000,mm，有试实验长度为2,000,mm，最大工作压强为30,MPa，如图2所示。

图2 高压舱设备Fig.2 Hyperbaric chamber

1.2.2 圆度仪

为了考虑椭圆度的影响，采用圆度仪对模型进行测量，如图3所示。

图3 椭圆度测量Fig.3 Ovality measurement

1.2.3 静态应变测试系统

利用TST3826静态应变测试系统进行数据采集，如图4所示。

图4 应变采集系统Fig.4 Collection system of strain data

1.2.4 试验流程

整个模型试验按照图5所示的框架进行，利用高压水泵将水注入蓄压器，由蓄压器向筒内注水加压，试验过程中使用水下摄像系统对模型在高压下的状态进行监测，利用压力传感器和压力表进行试验压力测量，通过电脑屏幕显示，如图6所示。

图5 高压舱试验框架图Fig.5 Process diagram of hyperbaric chamber

图6 高压舱视频和压力数据显示Fig.6 Video and pressure data

1.3 试验结果

试验过程加载至30 MPa时，试件无凹陷、破损，可见试件能够承受30 MPa压强。

2 数值模拟分析边界影响

以下通过数值模拟方法分析了试验和服役环境下管道的抗压溃能力，通过两者的比较定量给出了边界的影响。

2.1 试样抗压溃能力的数值模拟分析

图7 数值模型Fig.7 Numerical model

根据试样参数，采用ABAQUS软件[6]建立数值模型(见图7)。基于弧长法(RIKS)分析了试样的压溃过程和载荷的变化情况，(见图8、9)。由图9可以得到试样的极限抗压溃能力：1P=57.3 MPa。

图8 试样压溃过程示意图Fig.8 Schematic diagram of buckling prosess

图9 载荷-时间历程Fig.9 Load-time history

2.2 试样所对应管道的抗压溃能力

为了研究刚性边界对试样抗压溃能力的影响，加大了模型的长度。根据数值模拟经验，当模型长度为管道直径的20倍，可以忽略刚性边界的影响。此时对应的模拟结果见图10，试样的极限抗压溃能力2P= 48 MPa。

图10 模型压溃示意图及载荷-时间历程Fig.10Schematic diagram of buckling prosess and loadtime history

2.3 边界效应评估

通过两组的极限抗压溃能力的比较可以看出，试样刚性边界使其压溃临界值增大，定义刚性边界放大系数η 如下：

η＝P1/P2＝57.3/48＝1.2

3 管道抗压溃能力评估

试验所加压强3P=30,MPa时，试件没有压溃破坏，可以推导出该管道的抗压溃能力如下：

P0＞P3/η＝30/1.2＝25 MPa

4 结 论

本文基于数值模拟方法分析了刚性边界对高强厚壁海底管道抗压溃能力的影响，联合高压舱物理模型试验建立了一套高强厚壁管道的抗压溃能力评估方法，可以用于深水海底管道抗压溃能力的评估。■

［1］ Timoshenko S P，Gere J M. Theory of Elastic Stability[M]. New York：MeGraw-Hill，1961.

［2］ Corona E， Kyriakides S. On the collapse of inelastic tubes under combined bending and pressure[J]. International Journal of Solids and Structures，1988，24(5)：505-535.

［3］ Sakakibara N，Kyriakides S，Corona E. Collapse of partially corroded or worn pipe under external pressure[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2008，50(12)：1586-1597.

［4］ Nobuhisa S，Ryuji M，Alan G，et al. Local buckling behavior of X100 linepipes[C]. ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(OMAE2003). Cancun，Mexico，2003(3)：67-76.

［5］ 陈铁云，沈惠申. 结构的屈曲[M].上海：上海科学技术文献出版社，1993.

［6］ ABAQUA，Inc. ABAQUS Version 6.9 Documentation[Z].

Evaluation Research on Buckling of Deepwater High-strength Pipeline with Small Radius-thickness Ratio

CAO Xianfan1,2，CAO Wenran1,2，ZHAO Kailong1,2，XU Shuang1,2，LIU Zhenwen1,2
(1. Research Institute of Engineering Technology，CNPC，Tianjin 300456，China；2. Key Laboratory of Offshore Engineering，CNPC，Tianjin 300456，China)

The deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio is usually used to overcome the hydrostatic pressure and its buckling evaluation can be achieved base on the hyperbaric chamber experiment. There is a great difference between the specimen in laboratory and the pipeline in the service for the specimen is fixed by use of rigid plate. It is necessary to analyze this influence caused by the rigid boundary condition. The ratio of buckling bearing capability of the specimen in laboratory and the pipeline in the service was calculated by numerical simulation method，which can evaluate the influence of the rigid boundary condition. Based on the ratio and the buckling bearing capability obtained from specimen，the buckling bearing capability of online pipeline can be achieved. The method has been used to evaluate the buckling bearing capability of deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio.

numerical simulation；hyperbaric chamber；high-strength pipeline with small radius-thickness ratio；buckling bearing capability；affection of boundary condition

TE973

：A

：1006-8945(2016)10-0142-04

2016-09-11