王友义（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

基于ABAQUS的海洋立管强度分析

王友义
（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

立管强度校核一般要求进行组合应力校核与椭圆度校核，由于立管受力的复杂性，目前尚没有计算立管应力、变形的通用公式，基于有限元分析软件abaqus/aqua模块，编制环境载荷的INP文件，分析了环境载荷对立管应力变形的影响，为工程实际中海洋立管强度校核提供了理论基础。

海洋立管；有限元；ABAQUS

管道的应力可以分解为三个互相正交的应力——径向应力、轴向应力、环向应力［1］。对于一般的管道环向应力最大，轴向应力其次，径向应力最小，因此强度设计一般基于屈瑞斯卡准则，忽略了轴向应力对管道屈服的影响而采用环向应力准则。

海洋立管受到平台上端节点的拉力，下端海底土壤的支撑力，海水的压力、冲击力、浮力，自身的重力［2］，其受力情况复杂，轴向应力较大，屈瑞斯卡准则可能不适用立管屈服的评估，因此需要进行组合应力强度校核。

由于立管受力的复杂性，目前尚没有计算立管应力的通用公式，本文基于有限元分析软件abaqus/aqua模块，编制环境载荷的INP文件，分析了环境载荷对立管应力变形的影响，为工程实际中海洋立管强度校核提供了理论基础。

按照DNV OS F201（2001）中的要求，应分别对立管的安装状态及生产状态进行校核；组合应力强度应满足［3］：

式中：Cf—设计因子，取1.2；σa—允许组合应力，σpr—径向应力；σpθ—环向应力；σpz—轴向应力。

立管椭圆度校核应满足：

式中：v—泊松比，R—管道平均半径，δ—壁厚。

1　有限元模型

1.1环境载荷

按照中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》的规定波浪理论模型按图1选择；本文算例中的海域：

式中：F为垂直于构件轴线单位长度上的拖拽力，CD为拖拽力系数，CM为质量系数，分别取1.2，2.0。ρw为海水密度，D为立管外径，u为波浪速度矢量。

海流力：，其波浪模型为斯托克斯模型［4］。

立管单位长度上的波浪力和海流力基于莫里森公式计算。

式中，uc为海流流速。

在海水面处的立管部分，海流力与波浪力速度叠加后计算［5］：

图1　波浪模型图

1.2立管长度与模型单元

立管长度按悬链线理论计算：

式中：y—立管顶端距海底的垂直距离；x—立管的水平长度；a—悬链线参数；l—立管长度。

给定参数x、y即可求得立管长度。

立管单元采用剖面为环形的二次梁单元。管道外径为200 mm，壁厚10mm。海底简化为刚性平面。

2　分析步骤

立管服役过程中应避免不可恢复的塑性变形，因此有限元分析为弹性分析，模型还考虑了立管大变形引起的几何非线性和管土间的接触非线性。

在 abaqus 中，分成 4 个分析步骤模拟立管结构：

1）设置管道海底土壤的接触模型，管道与海底的摩擦系数设为 0.3。

2）将 A 点设为铰结，并加载立管的湿重。

3）加载 B 点的位移约束，使 B 点向平台移动。

4）将 B 点固定在平台上，并加载海流、海浪载荷。

另外为防止计算过程的不收敛，将立管y方向位移、YZ、XY平面内的转动均约束为0。有限元模型如图2所示。

3　结论

1）从图3、图4可以看出，在加载海流、海浪载荷后，立管的最大轴向应力值并没有太大的变化，但立管结构发生了改变，而最初立管的失重主要由力管顶部的张力提供，而加载海流、海浪载荷完全后立管的失重主要由底部支撑，最大轴向应力区转移到了底部。与此相对应的，立管安装状态下，立管内压为 0，此时立管底部环向应力最大；立管工作状态下，立管顶部外压为 0，顶部环向应力最大。因此在进行组合应力校核时，安装状态下应校核立管的底部、生产状态下应校核立管顶部。

图2　立管结构分析有限元模型

图3　无环境载荷后立管应力分布图

2）加载环境载荷后立管的总体变形不是很大。证明算例中的立管在海浪条件下不会有管体结构的屈曲发生。

图4　加载环境载荷后立管应力分布图

3）加载载荷后，立管管顶有明显的弯曲，因此校核管道截面的椭圆度时应校核立管的底部和顶部。

［1］ 帅健著.管线力学［M］.北京：科学出版社，2010.

［2］ 董永强.深海钢悬链线立管的分析与设计［D］.哈尔滨工业大学，2008.

［3］ DNV OS F201（2001）：DynamieRisers，DETNORSKEVERITAS，2001.

［4］ 石油和化工工程设计工作手册编委会编.海上油气田工程设计［M］.东营：中国石油大学出版社，2010.

［5］ 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南［M］.北京：石油工业出版社，2011：11-14.

Intensity Analysis of Riser based on ABAQUS

Wang You-yi

The intensity check of riser must include combined stresses and ovality.As the stress of riser is complex，there is no common formula for calculating the stress and strain of riser.This paper writes the input file of the environment load based on ABAQUS/ aqua，the impact of environment load on riser is analyzed.The result provides a theoretical basis for the intensity check of riser.

riser；finite element method；ABAQUS

P756.2

A

1003-6490（2016）05-0148-02