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柔性管道的靜態(tài)有限元分析

發(fā)布于:2024-06-13 21:41
有限元分析

      目前國際上一般參照美國石油學會推薦的《柔性管設計規(guī)范》,該規(guī)范詳細介紹了柔性管道系統(tǒng)及其元件,規(guī)定了柔性管道設計的過程、破壞模型和材料選擇,提出了柔性管道載荷有限元分析、整體響應計算、模型分析以及完整性、可行性分析的方法,同時也對柔性管道的制造、處理、運輸、安裝等給出了相應要求。此外,柔性管設計還可參照:API Spec.RP無粘結柔性管道設計規(guī)范;API Spec.RP 17K-粘結柔性管道設計規(guī)范;ISO 10420海洋立管用柔性管道系統(tǒng);API RP 2RD浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和張力腿平臺的立管設計等。
      某項目采用NKT公司最為典型的5層柔性管結構形式,管徑6英寸,該柔性管截面包括:骨架層、壓力支撐層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層和外護套層。
      骨架層。骨架層是柔性管的主要部分,通常由一條異形鋼帶沿接近0°的方向螺旋自鎖而成截面為S型,各層之間存在一定間隙,以保證結構的柔性。
      壓力支撐層。壓力支撐層是一個由高分子聚合物構成的空心圓管,位于骨架層和抗壓鎧裝層之間,主要起保護作用,防止管道泄漏,并傳遞壓力。壓力支撐層的設計主要是對材料的選取,并考慮壓力的傳遞作用,對載荷進行分析。
      本設計采用的是HDPE(高密度聚乙烯)材料,其最大特點就是耐環(huán)境應力開裂,還能抗蠕變、耐高溫和腐蝕、化學兼容性強。
      抗壓鎧裝層?箟烘z裝層主要是通過防止其內層結構的橢圓化變形來支撐防滲漏的外層。但抗壓鎧裝層不具備顯著承受軸向載荷和彎曲載荷的能力,因為該自鎖金屬異型鋼帶的螺旋纏繞角近乎90°,并且相互之間還存在一定間隙。對于需要承受較高壓力的柔性管而言,可以通過增加一個小角度纏繞的金屬帶,來增強管件徑向的承載力。
      抗壓鎧裝層的設計應使其能抵抗規(guī)定的環(huán)向應力,保證鋼帶之間的間距在要求的限度之內并防止內鎖失效。
      對于無粘結的柔性管,螺旋纏繞的扁鋼可以發(fā)生相互的滑動,因而使得管道具有良好的彎曲柔性。抗拉鎧裝層應按要求的軸向強度進行設計,且應滿足控制鋼帶之間的間距和環(huán)向強度的所有要求,對于不包括承壓鎧裝層的設計尤其如此。
      外護套層是將載荷傳遞到壓力支撐層,起到總體的固定和傳遞載荷的作用。同壓力支撐層一樣,外護套層也是由高分子聚合物(如低密度聚乙烯)構成的空心圓管。外護套層還有一個作用就是隔離,防止環(huán)形空間流體泄漏到層外或防止海水的進入,保護鋼結構不受腐蝕。外護套層的設計應保證其能承受管的彎曲、軸向拉壓、扭轉和外部環(huán)向壓力,以及安裝磨蝕和附屬構件產(chǎn)生的局部荷載效應等。
      柔性管的各管道層都有不同的功能,應對各層進行分析。粗糙型柔性管的主要部分即內骨架層,直接承受了內外壓,故對該層的計算分析是必不可少的。另外,鎧裝層也是受壓和受拉的部件,也需要對其進行分析計算。
      針對柔性管道的靜態(tài)分析主要包括了屈曲分析(壓潰)、承受內壓載荷計算分析及承受拉伸載荷的計算分析,F(xiàn)利用有限元分析軟件ANSYS,對所選取柔性管道進行靜態(tài)分析。


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