海洋柔性管道螺旋结构弯曲行为的有限元分析

郭泽鹏， 汤明刚， 李生鹏， 郑文慧

(中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

海洋柔性管道作为海上传输油气的重要装备[1]，其特点是由多层独立的复合结构组成，对于深水作业中易出现的受力弯曲、径向拉伸、管道内外压强等载荷工况均具备良好的适应性。典型的海洋柔性管道由金属层和复合物层构成[2]，其中抗拉铠装层是由多股矩形钢丝螺旋缠绕形成的一层保护结构，主要用于承担海洋柔性管道的轴向拉力载荷，避免管道在弯曲状态下发生结构断裂破坏。该类螺旋结构在弯曲载荷作用下的力学行为是管道设计时需考虑的关键因素之一，但由于管道的多层复合结构形式导致结构间存在大量的接触摩擦，该类螺旋结构的滑移形态和应力响应尚未有明确的结论，为管道的设计带来了困难。

Feret等[3]基于最短滑移路径假设认为管道弯曲时钢丝仅发生副曲率的变化，推导出了螺旋钢丝的应力响应并计算得到滑移量。Witz等[4]认为螺旋钢丝仅沿管道轴线方向发生滑移，推导得到了钢丝轴向应力的分布，并依此对钢丝滑移形态进行了推测。Costello[5]基于Love 螺旋曲杆理论，从计算中得到在独立弹簧模型下螺旋钢丝的应力状态。上述理论方法均基于一定假设条件，无法考虑有内部圆柱体的摩擦与支撑作用下的结构行为，因此国内外学者将有限元分析方法引入了螺旋结构弯曲行为研究。汤明刚[6]针对抗拉铠装层建立了管道结构有限元模型，得到了在弯曲作用下的结构应力响应分布，但没有进行层间滑移形态的研究。……