填埋式柔性液体管道的三维有限元分析案例研究外文翻译.doc

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1、郑州轻工业学院本科毕业设计(论文)外 文 翻 译题 目 填埋式柔性液体管道的三维有限元分析案例研究 学生姓名 许斌 专业班级 机械设计制造及其自动化05-2 学 号 200502010216 院 (系) 机电工程学院 指导教师(职称) 王红卫(教授) 完成时间 2009 年 6月 1 日 填埋式柔性液体管道的三维有限元分析案例研究Dr.Wenchao Zhang,Justin TuohyHALLIBURTON WELLSTREAMNewcastle Upon TyneGreat Britain摘要:由于压力和温差的影响传送热流体的管道会有延长的趋势。然而,由于管线的终端一般是固定在刚性结构或设

2、备上,这样管线的延长将在纵向方向被限制,这就是远离管道终端部分的问题所在,其结果就是管道轴向部分被压缩。在许多情况下,一条海底管线必须为防护和绝热的目的被沟填或掩埋。结果,柔性管线的侧向运动被极大的限制,当管线的应变能超过覆盖物和管线自重提供的约束力,就会形成一个过度的向上的位移。对柔性管线而言,这种过度的向上的位移被称为“剧变屈曲”,它可以通过施加足够的向下的约束反力加以抑制,比如:填埋沙包和石块或者设计一种新的可以克服这种现象的管线。在本文中,一段沟填但不掩埋的6英寸管线产品的全三维有限元分析被提出,利用基于剧变屈曲分析理论的WellStream有限元分析法。抗弯刚度效应和剧变蠕动是柔性管

3、道的独有特点,他们被排除在一般载荷,如管线自重,回填预压力,压力,温度分布,规定的力(集中或分散)及位移之外,环境载荷的影响如可导致回填物被冲刷掉的问题也可以得到解决。选择三维有限元分析软件ANSYS来研究这个案例,是由于其独特的特点:参数化设计语言,联系/目标单元及其通用的三维壳体和实体单元可以分别被用来表示柔性管道和海沟土壤。简介:由于压力和温差的影响传送热流体的管道会有延长的趋势。然而,由于管线的终端一般是固定在刚性结构或设备上,这样管线的延长将在纵向方向被限制,这就是远离管道终端部分的问题所在,其结果就是管道轴向部分被压缩。如果管道是平铺在海底则此压缩将导致管道横向移动,以纾缓其应变能

4、,其结果是产生“蜿蜒” 但稳定的结构。如果管道被沟填,沟槽宽度足够但不被掩埋,压缩将导致管线在沟槽中横向变形其结果是长生有限向上位移的“狭窄蜿蜒”。同样,这仍然是一个稳定的结构。但是,一方面,如果沟槽宽度太窄而不能消除管道的过度应变能,管道就只能向上移动。另一方面,沟填的管道可能被覆盖少量的土壤,虽然这样管道的横向移动被极大的限制,但向上的位移却会过大(或不稳定)。最终当管线应变能超过回填物和管道自重提供的约束时,管线会脱离沟槽。对柔性管道而言,这种过度的向上的位移经常被成为剧变屈曲。对于接近剧变屈曲状态的柔性管道而言,重点是,管道相对环境危害将变的脆弱或失去其结构的完整性。影响剧变屈曲的因素

5、包括:安装和挖沟产生的预应力,初始时海底结构和柔性管道的结构性能以及周围媒介如沟槽、回填土或负载。所以,为所有海底管线评估潜在的剧变屈曲以成为普遍的做法,它可以使管线工作在更高的流量、压力和温度下。以上规格的支付要求会显著增加项目预算。根据规格的支付要求会造成更大的风险,引起剧变屈曲从而破坏结构的完整性。此外一旦其成为经济上的制约,其它选项如设计智能路线或给管线预先加压也应该被考虑。为剧变屈曲已经建立了很多模型,但它们中的大多数局限于简化的个人资料,以便于分析模型可以在普遍静平衡的基础上得以发展。重点主要放在关键驱动力和上举反力上,它们决定覆盖物设计而不是模拟管线反应。这些简化方法可能过于保守

6、并且在某些情况下,它们不能确定危险点和潜在的剧变屈曲风险,这可能导致严重的经济后果。因此重要的是理解管线如何响应各种附加情况,一边获取更高效率的设计,以确保管线的完整性,特别是柔性管道。为了更现实的评估离岸管线的剧变屈曲风险,本文提出了一种有限元分析法。剧变屈曲的分析方法Wellstream的剧变屈曲分析是一种有限元分析法( FEM )。进行该分析是利用ANSYS一种大规模、通用的有限元程序,它利用有限元方法对结构、电子及电磁进行分析。 当把压力、热力条件和管道自重(包括或不包括管道内液体)纳入考虑之中时,非线性、大挠度单元被用来模拟柔性管道、海底和海沟是可行的。另外,集中或分散的预应力和指定

7、的位移也可以得到解决。柔性管道和回填土(或岩石护堤)之间的相互作用可以用非线性弹簧单元或通用接触单元来模拟。更重要的是,根据API规范17J的要求,柔性管道的特点:抗弯刚度和剧变屈曲的影响,也被纳入考虑范围之内。环境载荷的影响,例如:能导致回填物被冲刷掉的洋流因素也被考虑到了。掘沟之后,柔性管道被填埋在沟中并用回填物覆盖,这是考虑柔性管道剧变屈曲分析的初始条件。这是考虑剧变屈曲的初始条件。当柔性管道被加上规定压力和温度载荷之后,它开始变形以释放能量,同时其周围媒介试图阻止其变形,这样一种非线性、与周围媒介相互作用的柔性管道可以被完全接受在WellStream有限元模型建立之中。安装设置一条柔性

8、管道使其笔直无任何偏差几乎是不可能的。柔性管道通常都会被“非直线”安装。多种因素,例如:海底不平坦、柔性管道的结构特点和船只铺设路线等是造成“非直线”的主要原因。通过在一段具有代表性长度的柔性管道中假设一个几何性缺陷,这些都被考虑道了。这个假设的出自按在整个设计管线中的每一段具有代表性的长度单元中。之后,整体长度的有限元模型基于以建立的调查数据被建立。虽然OOS的影响被充分的注意到了,但是过滤后平整海底调查数据依然是必要的,并且去除测量误差和仪器偏差引起的异常是重要的。在使用寿命中,管线中的操作压力和温度能循环多次。两次周期之间的时间间隔可能太短以至于温度没有变化而压力却仍在循环。另一方面,压

9、力和温度可以在每一个负载周期内循环。对管线而言,由于管道下方的沟渠土壤不断脱落,这种操作压力和温度的循环导致回填覆盖物厚度的逐渐减少和管线的逐渐上移这种现象被成为剧变蠕变。分析范围继此前的讨论之后,Wellstream的剧变屈曲分析一般包括四种类型的分析,这取决于项目的要求、有效的输入数据和服务条件的信息。剧变屈曲的初步分析:评估管线系统潜在的剧变屈曲并提出适当的解决措施,例如调度覆盖物。在分析中只有一段代表性长度的管线以假设的几何缺陷被考虑,这样会造成必需的输入信息的极大不确定性。这一分析阶段所做的最重要的假设就是管线的缺陷概况:“非直线”(OOS)概况。详细的剧变屈曲分析:这是为了确定从初

10、始剧变屈曲分析到“实际”管线的剧变屈曲分析是否有足够的回填覆盖物,是否需要添加回填覆盖物,例如;岩石护堤。在这一阶段,基于已经建立的管线、海底和沟渠的调查数据,管线的全场会被分析。请注意,为了确保更有效的分析,通常先进行意见管线的OOS分析。原始数据不可避免的存在多种异常,所以通过使用数据过滤和平整分析工具以去除这些异常是必须而且重要的。剧变蠕变分析:此应用是在管线经历频繁应力循环的地方优化必需的回填物数量。回填覆盖物的厚度决定了设计寿命中允许的最大应力周期的数值。请注意,挖沟或铺设中产生的管线应力预处理结果已经被考虑在剧变蠕变分析之中。在挖沟和铺设阶段给管道加压的目的是预拉伸管道以便于减少随

11、后由于加压和温度升高造成的管道延展(通常是上移)。理想的情况是,在释放应力之后,整个管道被“锁死”在沟渠的回填土之中。即使预压力的效果100%的达到了,但是,周围土壤没有完全锁紧管道及柔性管道的非线性都会不同程度的削弱此效果。因此,有效预压力的概念被引进道剧变屈曲分析中来以补偿在柔性管道中保留预压力效果的损失。即使预压力的效果100%的达到了,但是,周围土壤没有完全锁紧管道及柔性管道的非线性都会不同程度的削弱此效果。因此,有效预压力的概念被引进道剧变屈曲分析中来以补偿在柔性管道中保留预压力效果的损失。有限元模型柔性管道使用管道单元还是用壳体单元来模拟取决于所需分析的水平。管道和壳体单元二者都具

12、备几何、非线性和大挠度性质。周围介质,例如:沟渠土壤、沟渠几何参数及回填覆盖物可以用非线性延展单元后联系单元来加以考虑。这些单元都有广义的非线性变形能力以模拟柔性管道和周围介质的相互作用。请注意,在已经建立的剧变屈曲分析中,只有该例子是用三维实体单元来模拟海底和沟渠的。在分析中,模拟的管线的末端是通常是被固定的,这是保守的,因为所有由于加载载荷引起的伸长都必须发生在这些固定点之间,因此计算后的上移量会大于假设的比较自由的终端条件。剧变蠕变分析模拟剧变蠕变的第一步是建立起柔性管道上移量和回填覆盖物深度之间的关系。这设及到回填覆盖物的深度值在剧变屈曲分析中的具体范围。这个剧变屈曲分析中必需的数值取

13、决于为上移量和回填覆盖物厚度关系所定义的变量的数量。在上移量和回填覆盖物厚度关系被建立之后,可以进行剧变蠕变分析以确定回填覆盖物的最小厚度值及在使用寿命内加载和卸载循环的最大数值。从Wellstream法的经验来看,指数法被认为可以将上移量和回填覆盖物的厚度充分联系起来。这也是假定柔性管道将被锁定在“受压”状态和每次加载和卸载周期之后压力和温度引起的充分变形状态下。这被认为是可接受的,只要周围的持续时间足够长,允许够地和海底空间被填满,这是保守的,因为计算的剧变率将增加。因此,修正上移量于回填覆盖物厚度的指数关系所需的三个最小数据点经由三个不同范围的三个剧变屈曲分析中导出。正如前几节所讨论的,

14、挖沟时加压力的目的是为了在开始施工之前建立一定数量的预应力,这些预应力被用来弥补工作和温度引起的变形。请注意,由于非线性的土壤和柔性管道自身的影响,这一预应力不会100%的起效。所以在剧变蠕变分析之前也要进行沟渠压力影响的灵敏度研究案例研究:填埋式液体管道的三维有限元分析一段柔性管线被沟填在非常硬的海底中。在环境温度、235.0帕的临界压力测试中,管线的许多部分发生屈曲并移出沟渠之外。由于加压,这些屈曲的部分沿着沟沿躺在海底,这些都被随后建立的调查所确认。一段11.6米长的屈曲部分被认为是其结构完整性的最大危险,所以选择这部分管线来评价更高压力和热循环加载时管线的反应。管线“屈曲”部分简介根据

15、所提供的资料,有长度方向的中间对称面的屈曲部分的简介被提出。如图1所示图1:铺设在海底/沟渠中的管线屈曲部分图示如图1所示,下述管线和沟渠/海底的初步关系被确定: 1.管线两头各有2米长的直管线部分放置在沟底。2.中期剖面0.8米放置在海底; 3.两部分管线( 分别长0.4米和0.3米),每部分有一半放置在沟渠壁上建立模型首先,柔性管线被认为是等同均匀的各向同性材料管道。The effective inplane和杨氏模量用如下方法计算:6英寸柔性管道拥有一样的整体尺寸、几何外形、弯曲和轴向刚度。屈曲管线用有几何非线性和大挠度的壳体单元来建模笛卡儿坐标系被用在该分析中,它的原点被建立在指定管线

16、中心线的末端。Z轴位于指定管线的轴线方向,Y轴垂直于沟底向上,X轴则由右手定则来确定。根据这项调查提供的数据,“屈曲”部分被认为是对称的,因此只有一半被分析。其结果是产生一段总长15.6米的“屈曲”管线模型。在分析中也做了如下假设:1.模型末端沿沟渠方向的位移是不被允许的。这被认为是恰当的,因为模型末端各有两米长的直线部分并且其总长15.6米同总长几百米的管线相比也是微不足道的。另外管线中的残余应力也会限制“屈曲”部分的轴向扩展。这个假设同时也是保守的,因为所有因为加载引起的伸长必须发生在两个末端之间。因此计算得到的上移量会大于有更大自由度的建模得到的上移量。2.管线和海底/沟渠的相互作用被考

17、虑用非线性“压缩”单元或联系单元来模拟。联系单元只有在海底/沟渠用三维实体单元来建模是才能被使用。3.对于莫尔库仑法,杜拉克一普拉格选项被认为是合适的近似值,它被认为适用于摩擦材料,如:土壤、岩石和混凝土。4. 柔性管线的刚度滞后效应也被考虑其中。数据输入6英寸柔性管道模型的属性被提供在Wellstream管道设计数据表中。该产品被设计用在内压超过21.5兆帕、设计温度超过85摄氏度和水深超过110米的工程中。分析中用到的主要数据列于表1表1.分析中用到的管线数据海底是非常硬的粘土,沟渠是宽0.4米、深0.36米的长方形,土壤数据用不到。所以一些土壤属性的标准值都是假设的.表2和表3分别列出了

18、非线性“压缩”单元和三维实体单元的必要数据。表2.非线性“压缩”单元用到的土壤属性表3.三维实体单元用到的土壤属性有限元模型和负载案例图2显示了一段用壳体单元模拟的屈曲管线放置在海底/沟渠中(用三维实体单元模拟的)。请注意,由于是对称的,所以只分析了模型的一半。加载数据如下所示:1. 在环境温度为12摄氏度、内压23.5Mpa下进行泄露测试。2. 工作内压21.4Mpa,工作温度72摄氏度。表4:最大位移表5:最大平面力表6:最大力矩图三A:工作压力和温度下横向位移图 图三B:工作压力和温度下横向位移图图三C:工作压力和温度下轴向位移图图4A:工作压力和温度下单位长度下的横向力 图4B:工作压

19、力和温度下单位长度下的横向力图4C:工作压力和温度下单位长度下的剪力 图5A:工作压力和温度下单位长度下的扭转力结果本文中列出了在不同温度、工作压力下的屈曲管道的有限元结果。最大位移量如表4所示,半模型不同温度的位移等高线图如图3所示。表5和表6分别列出了最大截面力和力矩。这些结果被当作输入数据,为随后的用WellStream专用软件做结构整体性分析。图4和5显示了不同温度下的the in-plane force和力矩等高线图,同样,只显示一半模型。请注意,the in-plane force和力矩适用于局部坐标系和单元坐标系其X轴和Y轴分别位于管道的径向和轴向方向。结束语在基于剧变屈曲分析理

20、论的WellStream有限元分析法的详细叙述之后,本文提出了一个沟填但不掩埋的6英寸管线产品的全三维有限元分析。限元理论能更适于评估离岸管线的剧变屈曲可能性,本案例的研究为其提出了论证 。虽然,据说有潜在的原理和方法更适用于其它管线系统。致 谢作者要感谢HALLIBURTON WELLSTREAM发展与研究基金对该研究的持续支持和协助。参考文献1Courbon,T.,“The Equilibrium of a Heat Beam Resting Over a Rigid Horizontal Plane”,J.of Mech.Appl.Vol.4,No.4,1980.2Pedersen,P.

21、T.and Michelsen,J.,“Upheaval Creep of Buried Heated Pipelines with Initial Imperfection”,J. Marine Structures,Design,Construction and Safety, Vol.1,19883Pedersen,P.T.and Michelsen,J.,“Large Deflection Upheaval Buckling of Marine Pipelines”,Proceedings of Behaviour of Offshore Structures,Trondheim,No

22、rway,June 19884Palmer,A.C.,Ellinas,C.P.,Richards,D.M.and Guijt,J,“Design of Submarine Pipelines against Upheaval Buckling”,OTC 6335,May 19905Richards,D.M.,“Cover Design for Short Hot Pipelines”,OPT-1996,14 February 19966API Specification 17J,Specification for Unbonded Flexible Pipe,Second Edition,November 1999.

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