海底柔性管的扭转故障及猪尾巴失效分析

尽管在实际情况中已经见证了柔性管在上述过程中的失效条件，但在此之前几乎没有进行过研究。但在以前有关柔性管卷取操作的文献中可以找到可能对本章有用的类似研究。Longva和Sævik［1］声称，当管道装载到货船上时，海底承包商在轴距上经历了扭转故障。更确切地说，沿着放置在有限货舱中的垂直轴转台传递的管道发生故障。由于在低张力下进行装载操作，弯曲引起的扭矩可能引起扭转不稳定性，可能在自由跨度上形成环形，如图17.4所示。在他们的研究中，Longva和Sævik［1］给出了四种可能的失效。在Liu等人［3］的文章中可以找到关于拉格朗日-欧拉方法的有关信息。Benson［4］及Bayoumi、Gadala［5］、Mainçon［6］在他们的论文中指出，在不利情况下的卷取操作中，已知扭转会对抗拉铠装层造成螺旋形或各种形式的损坏，从而导致管道损坏。Mainçon［6］还补充说，在某些条件下，柔性管可能沿其轴线滚动，并且可能产生显著的扭矩，这可能导致“猪尾巴”（pig tailing）失效，如图17.5所示，这意味着柔性管产生螺旋形状变形。

图17.4　自由端的环形变形

图17.5　“猪尾巴”失效模式(www.xing528.com)

然而许多研究人员更频繁地研究了关于柔性管的局部分析。Knapp［7］给出了铝芯的单元刚度矩阵，其中考虑了拉伸和扭转的钢筋电缆。该分析首先考虑了由结构变形产生的“内部”几何非线性。Custódio、Vaz［8］提出了一种改进的分析模型，该模型考虑了几何、材料和接触非线性，更准确地预测了管道中的应力和应变。Bahtui等［9］使用有限元分析软件ABAQUS来模拟承受不同载荷的柔性管。在该模型中，在每层之间限定接触元件，而在螺旋铠装层的钢筋束之间不考虑相互作用。Xu等［10］、Bai等［11-12］通过理论方法、试验方法和数值方法分析了非粘结柔性管和粘结柔性管在不同载荷条件下的力学行为。

本章的目的是预测MSFP在运输前的卷取操作过程中的全局力学行为。首先，ABAQUS建立了MSFP的局部分析模型。该模型分别受到拉伸、弯曲和扭转。基于材料力学，可以推导出真实结构的简化材料特性和横截面参数。其次，利用获得的数据建立基于卷取操作的全局分析模型，分析模型的全局力学响应。最后，通过ABAQUS完成一系列参数分析，以获得影响因素。本章给出的结论可以研究MSFP在卷取操作过程中的力学行为，为运输过程提供有价值的参考。