基于失效模式的深海玻纤增强柔性管截面设计

针对深海油气输送所使用的钢制管道存在耐腐蚀性差、质量大以及柔性小的不足,设计了具有耐腐蚀性强、质量轻、强度高、柔性好等优点的热塑性玻璃纤维(玻纤)增强聚乙烯柔性管,基于海深500 m油井油气输送用玻纤增强柔性管道中的抗压和抗拉增强层截面结构设计要求,通过有限元方法进行了多角度玻纤缠绕设计。结合DNVGL–RP–F119规范和美国船级社相关规范,首先根据柔性管受载工况进行了抗压层和抗拉层缠绕角度的设计,然后通过对抗压层、抗拉层在30 MPa内压、5 MPa外压和588 000 N拉力3种典型工况下的厚度试算以及90 MPa爆破压力校核,最终获得能够满足柔性管技术设计指标要求的增强层厚度为11.6 mm(90°玻纤缠绕抗压层8 mm,+30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm,–30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm)。与传统柔性管使用的单一缠绕角度设计方法相比,所设计的玻纤增强柔性管不需要经过多个工况强度校核进行大量缠绕角度和缠绕厚度试算以确定多种工况下的增强层最优缠绕角度和最少缠绕层数,因此计算量小、设计效率高。     

深海玻纤增强柔性管截面结构设计及强度分析

在深海石油开采中,使用传统的钢制管道作为海底管道和立管,存在耐腐蚀性差、重量大以及柔性小等不足。热塑性玻纤增强柔性管具有重量轻、强度高、柔性好以及耐腐蚀性强等优点,逐步成为海洋管道发展的趋势。针对南海500 m海深油井使用玻纤增强柔性管进行增强层截面结构设计,依据DNVGL-RP-F119规范和美国船级社相关规范,针对柔性管增强层缠绕角度及缠绕层数,依据经验建立±30°~±75°缠绕角度和20层~40层缠绕层数的组合模型。利用ABAQUS有限元软件进行30 MPa内压、60 t拉力和5 MPa外压三种载荷工况下的强度分析,得到满足上述载荷工况的最优缠绕角度为±60°;再进行90MPa爆破压力及拉伸与外压组合工况下的强度校核,最后得到能够满足技术指标要求的增强层最优缠绕角度为±60°和最少缠绕层数为36层。