用于PLET舷侧安装的悬挂接头设计方法研究

2022-03-11张英李旭熊海荣王波任翠青

石油和化工设备 2022年2期

张英、李旭、熊海荣、王波、任翠青

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

深水海管的终端设施PLET为海管连接其他水下设施提供接口，PLET的安装方式一般有两种，一种为随海管通过作业线一同铺设到海底，另一种方式为使用临时拖拉封头先将海管铺设到海底，然后再将海管起吊并使用悬挂接头将海管悬挂在铺管船舷侧，在悬挂过程中焊接PLET，再整体下放完成海管铺设安装。如果采用通过作业线整体铺设的方式，PLET的设计和安装要考虑其作业线的限制，PLET的尺寸和重量有相当的限制，使PLET的设计和施工存在较大难度。所以对于深水海管（1000米水深以上）的PLET安装，多采用舷侧安装方式。

悬挂接头是PLET舷侧安装的关键部件，是将海管起吊后悬挂在铺管船舷侧的主要受力部件，承担起吊后悬链线段海管的全部重量及由于环境条件和船体运动一起的运动载荷。因此悬挂接头的工程设计是成功完成PLET舷侧安装的关键环节。本文以实际项目为例，研究悬挂接头的初步形状设计、强度分析及应力校核，可为在深水油田开发中海管设计提供一定的参考。

1 悬挂接头初步形状设计

典型的悬挂接头如图2所示：

图1 PLET舷侧安装

图2 悬挂接头

其组成主要包括用于支撑的悬挂盘、加厚管段、锥形过度管段及连接管段，其中悬挂盘主要用于将提升段海管悬挂在舷侧安装设备上，承受管重引起的张力；加厚管段和锥形过度管段主要用于承受悬挂过程中的运动载荷引起弯矩。悬挂盘的尺寸主要根据悬挂设备接口确定，初步形状设计主要是对锥形过度管段的锥形形状进行初步设计。

悬挂接头的抗弯强度性能主要依靠沿加厚管段和锥形过度管段长度变化的抗弯刚度，初步形状设计实质上是根据动态铺设分析提供的设计载荷对接头管段沿长度的最大抗弯刚度进行设计。首先确定用于接头管段与海管连接位置的最大设计弯矩载荷M0，可通过数值方法在悬挂安装动态分析中提取。如图3的简化分析系统，在弯矩M0作用下的转角为θj，F0为端部剪切力：

图3 悬挂接头锥形过度形状分析示意

根据不同位置最大弯曲应力保持相同的原则设计沿接头过度段长度设计截面形状的主要步骤推荐如下：

1）在悬挂安装的动态分析中获取管道和应力接头连接位置的设计载荷，主要包括设计弯矩M0，设计剪切力F0，设计张力T0；

2）确定悬挂接头与海管连接位置的设计转角θj；

3）根据设计要求，设计选取应力接头与立管连接处的曲率半径和对应的抗弯刚度，通过式1/Rj0=M0/EIj0来估算，同时设计曲率半径和抗弯刚度应依据最大可接受弯曲应力来设计，保证设计选定的端部弯曲应力满足标准要求，最大弯曲应力由式σb=EDe0/2Rj0，并根据以上推导各式及设计原则，此弯曲应力沿应力接头长度上通过不同的截面设计保持一致，其中Rj0为接头与管道连接处的曲率半径；

4）选定一个不同位置曲率半径和外径设计的固定比例值αj，满足αj=RjL/Rj0=DeL/De0，一般由于接头过度段为内径一致外径不同的锥形形状，外径上的最大弯曲应力与外径和曲率半径的比例相关，如果沿接头过度段长度位置上的外径与曲率半径比例为固定比例值，则最大的弯曲应力也保持不变。

5）根据式1，计算得到所需的应力接头长度；

6）根据式2，计算得到沿接头过度段设计长度各个位置所需的抗弯刚度，根据接头过度段各个位置所需的抗弯刚度和固定比例αj得到的外径，即得到接头过度段和加厚段在的截面设计形状；

式中kj0=√T0/EIj0，b=(αj-1)/Lj

以上步骤中的式2为理想的截面抗弯刚度函数，但目前实际项目中为了悬挂接头的制造方便和通径要求，一般会将悬挂接头设计为内径与海管内径一致，在悬挂接头连接段的外径与壁厚与海管相同，单一斜率的锥形形状。按照此设计原则不会保证在接头过度段各个位置的弯曲应力完全一致，但两者的差距也很小，可按照不超过最大允许弯曲应力的原则来对设计。

2 强度校核

根据第2章中的初步形状设计方法，确定悬挂接头的初步尺寸形状，由于有限元分析方法，基于ASMEBPVCVIII.2中弹性应力分析方法进行应力分析和校核。

2.1 分析模型

可以使用ABAQUS或ANSYS建立有限元模型，由于悬挂接头为对称结构，可以建立一般模型并采用对称边界条件以提高计算效率。模型使用实体单元，并分段进行网格划分，沿管段壁厚方向至少4个单元，在悬挂盘与支撑结构之间建立表面接触，并将支持结构进行完全边界约束。在悬挂接头与海管连接处施加设计弯矩和轴向力。

2.2 强度校核标准

悬挂接头的强度校核依据规范ASMEBPVCVIII.2，首先应确定悬挂接头的关键应力路径，并对每条关键应力路径进行应力线性化，通过应力线性化获得关键位置的膜应力和弯曲应力，一般膜应力是实体截面上的平均主应力，不包括几何不连续性。局部膜应力是包括不连续性在内的实体截面上的平均主应力。弯曲应力是主应力的一个分量，与到实体截面中心的距离成正比。得到一般膜应力、局部膜应力和弯曲应力后，根据表1进行的标准进行校核。

表1 应力校核标准

3 设计算例

3.1 算例参数

以一条1500米水深的12寸海管PLET舷侧安装为例，设计悬挂接接头并进行强度校核。海管外径为311.1mm，壁厚为20.6mm。首先基于铺管船通过动态悬挂分析得到悬挂接头与海管连接处的弯矩和轴向力，见表2：

表2 设计载荷

3.2 初步形状设计结果

基于式1和式2，得到悬挂接头的初步设计形状见表3和图4

表3 悬挂接头形状设计结果

悬挂盘宽度Collar Width mm 120圆角_1Fillet_1 mm 20x40圆角_2Fillet_1 mm 30x60与悬挂支撑结构间隙Clearance mm 5

图4 悬挂接头形状示意

3.3 有限元模型

使用ABAQUS软件，根据初步设计形状建立实体模型，实体单元选择C3D8R单元，同时在模型中建立支撑设备模型，用于建立悬挂盘与支撑设备接触模拟，在支撑边界施加完全固定边界条件。有限元模型及坐标系统见图5。将表2中的设计载荷施加在接头底部，即与海管的连接处。其中弯矩方向为沿图5中坐标系X轴顺时针方向。