摘要：海管凹陷是海管内检测过程中经常发现的缺陷形式，但由于海底管道的复杂性及维修的经济性，无法立即对管道进行维修，从而威胁管道的安全运行，如何对凹陷海管进行完整性评价是亟待解决的问题之一。文章利用有限元方法，对凹陷进行仿真模拟分析，给出合理的完整性建议，保障安全运行的条件下降低管道运行成本。其结果表明，ϕ355.6 mm的海底单层管道的数值分析结果与实际工程中的变形、应力分布等结果接近，研究结果可为工程设计和理论研究提供参考。

　　关键词：海底管道；凹陷；有限元方法；完整性评价

　　0引言

　　在海管管道中，部分海管存在凹陷，其对管道受力带来较大威胁，管道可能会面临承压不足而失效的问题。但是由于海管所处环境的特殊性，无法及时验证和修复。通过查阅资料和文献，可通过理论分析、有限元数值模拟的方法对含凹陷管道的成型机理以及力学特性进行分析，主要包括含有凹陷管道的剩余强度和含凹陷海底管道在各种载荷作用下的屈曲现象。

　　1管道概况

　　1.1管道结构

　　本文研究的海底管道为单层管，管径为355.6 mm，管长为89.56 km，具体的海管结构参数如表1所示。

　　1.2凹陷概况

　　经内检测，管道存在1个深度超过6%的凹陷，具体凹陷参数如表2所示。

　　2评价方法

　　2.1弯矩分析

　　对目标凹陷管段进行评价前，应综合考虑安装工况、服役工况、环境工况对管段弯矩的影响，同时考虑拖曳力及惯性力引起的弯矩、管道浮重引起的弯矩、管道路由半径引起的弯矩。当凹陷位置处于悬跨段且悬跨段位于管道侧向位移区间内时，凹陷位置的总弯矩为：

　　当凹陷位置处于管道侧向位移区间内且凹陷处无悬跨情况时，凹陷位置的总弯矩为：

　　2.2轴向力分析

　　通过热膨胀分析和屈曲原理，计算由温度和压力引起的膨胀力。管道端部的膨胀长度可采用应变平衡方法来计算，此方法总结了由温度(关键因素)、压力和摩擦力引起的管道内的总应变，如下所示：

　　3状态评价

　　凹陷管段的受力情况及边界条件确定后，本项目采用材料力学解析解和有限元两种方法对凹陷的服役状态进行评价分析。结合凹陷及变形的材料力学分析结果，将有限元分析得出的Von Mises应力与之对比分析，综合识别影响管道运行安全的风险因素及位置，并给出合理的检维修建议。

　　3.1材料力学方法

　　3.1.1 Von Mises应力

　　Von Mises应力(米塞斯应力或等效应力)由凹陷管段的纵向应力和环向应力综合求解得到。分析时，将实际Von Mises应力与管材的临界应力进行比较，考虑服役安全系数后，判定凹陷管段的服役许用情况。

　　凹陷管段的Von Mises应力为：

　　式中：σH为环向应力；σL为纵向弹性应力；τc为侧向剪应力。

　　3.1.2临界应力

　　凹陷管段局部屈曲校核过程中用到的管材临界应力可依据DNVGL ST F101—2017标准计算获得。

　　管材的特征屈服强度为：

　　其中：

　　管材的特征抗拉强度为：

　　其中：

　　对凹陷管段进行局部屈曲校核时，按照DNG OS F101—2013标准要求，采用特征屈服强度和特征抗拉强度代替材料的最小屈服强度SMYS和最小抗拉强度SMTS进行临界应力校核，并考虑安全系数η。

　　3.2有限元法

　　凹陷管段的有限元建模及分析的主要内容包括：对凹陷处的管段进行有限元建模、网格划分、定义单元类型和材料属性。

　　3.3整体屈曲校核

　　凹陷管段的整体结构校核的目的是确保运行工况下的管道强度符合继续使用的要求。

　　在服役条件下，管道极限状态类别为ULS(ultimate limit state)。基于凹陷管段的受力分析，在组合载荷校核中采用其对应的弯矩和轴向力。外压为海水压力，内压为管道的最大许用工作压力。

　　3.4屈曲扩展校核

　　管道凹陷(尤其是弯折凹陷)可能会导致屈曲扩展[5]。如果屈曲发生，触发扩展屈曲机制的最小压力差即为扩展压力。根据DNVGL ST F101—2017，只有当局部屈曲发生时，屈曲才会发生扩展。抵抗局部屈曲的条件为：

　　3.5剩余强度分析

　　3.5.1局部屈曲剩余强度

　　采用DNVGL RP F101 Part B方法—许用应力法进行剩余强度分析。根据凹陷管段的几何尺寸和应力集中情况，计算出缺陷管道的失效压力(即剩余强度)，然后再将该失效压力乘以基于初始设计参数的安全系数，得到最终的安全工作压力[7]。

　　3.5.2整体屈曲剩余强度

　　根据管道的基础数据，运用DNV许用应力法中关于腐蚀管道剩余强度的校核公式，对管道局部腐蚀强度进行校核分析。计算海管的弯矩和热应力，为强度校核提供数据输入支持。DNVGL ST F101—2017针对承受弯矩、轴向力和内外压差的管道应该满足以下方程：

　　其中：

　　以管道内压pi为变量，当内压pi升高到某一压力时，达到临界状态，此时pi的取值为抵抗整体屈曲的剩余强度。

　　4计算结果

　　4.1受力分析

　　弯矩计算结果如表3所示。

　　4.2状态评价

　　4.2.1弯矩计算结果

　　采用有限单元法获取待测凹坑管道的应力集中系数。建立无凹陷管道模型后，对该模型分别施加内压、轴向力和弯矩，得到无凹陷管道的名义应力。其应力分布如图1所示。

　　然后，建立带凹陷的管道模型，对该模型分别施加内压、轴向力，得到带凹陷管道的最大名义应力，用带凹坑管道仅受内压时的最大名义应力除以无凹坑管道仅受内压时的名义应力即可得到当前带凹坑管道的环向应力集中系数。轴向应力集中系数以此类推。故屈曲管道模型的应力分布如图2所示。

　　基于有限元建模分析，获取三处凹陷位置的应力集中情况如表4所示。

　　4.2.2局部屈曲校核结果

　　对凹陷进行局部屈曲校核，结果如表5所示，通过解析解和有限元方法，得到的校核结果均为危险。

　　4.2.3整体屈曲校核结果

　　整体屈曲校核通过计算UC值后与1比较，判定整体屈曲状态的许用性，校核结果如表6所示。

　　屈曲扩展主要由管道外压过载引起[5]，其计算结果如表7所示，通过计算得出管道处于安全状态。

　　4.3剩余强度计算

　　针对凹陷位置，管段抵抗局部屈曲和整体屈曲的剩余强度计算结果如表8所示，通过两种方法计算的局部屈曲强度接近，整体屈曲强度达到28.957 MPa。

　　5结论

　　利用有限元方法，对海底管道凹陷进行仿真模拟分析，得出以下结论：

　　(1)管道整体屈曲校核结果为安全，屈曲扩展结果为安全；

　　(2)该凹陷管道在各种工况下的Von Mises应力均已超过管材的临界应力(管材的SMYS为448 MPa)，局部屈曲校核为危险；

　　(3)凹陷剩余强度均小于管道的设计压力，说明该管道已经不满足当前管道的设计压力要求；

　　(4)建议立即对该凹陷位置进行修复，凹陷处修复前，管道运营压力不得高于4.45 MPa。

　　参考文献：

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