0 引言

漂浮输油软管是一种典型的粘结型复合柔性管，多用于FPSO上原油的近岸外输，其各层结构之间紧密粘结，不会发生相对滑移。漂浮输油软管复杂的结构对其制造工艺提出了较高要求，目前国内对此类产品多依赖进口，对其设计、生产及理论方面的研究均处于起步阶段，缺乏相应的标准及规范^[1]。欧美发达国家及日本的大型橡胶企业有能力设计制造此类漂浮输油软管，石油行业在国际上对此类漂浮输油软管形成的标准规范主要有API 17K^[2]及OCIMF—2009^[3]。

漂浮输油软管在实际应用时，会因为下放或卷筒盘绕等工况带来径向上的压力载荷，可能会造成管体性能下降甚至发生失效。API 17K中明确说明，如果采购方提出要求，生产方需提供漂浮输油软管的径向许用压缩量。OCIMF—2009中详细说明了漂浮输油软管径向压载试验平台的搭建方法及试验步骤。笔者根据相关标准规范要求，以某国产漂浮输油软管为研究对象，利用数值模拟方法来研究漂浮输油软管在径向压力载荷下的性能。

1 漂浮输油软管的结构特点 1.1 分层结构

漂浮输油软管是典型的粘结型复合柔性管，由多层结构组合而成，图 1为漂浮输油软管的纵截面局部示意图。其各层结构有以下特点。

(1) 管体共包含4层橡胶结构，它们的性能略有差异，其中内胶层和外覆层的抗腐蚀、耐酸碱能力更强，而中胶层中嵌入了螺旋钢筋^[4]。

(2) 管体共包含3层帘布-橡胶复合层结构，它们皆由若干层帘布-橡胶复合材料以正负55°交叉的方式重叠布置。

(3) 螺旋钢筋相当于管体的骨架，它镶嵌于中胶层内，采用82B号碳钢，直径为12 mm，螺距为50 mm。

(4) 浮体层的材料为低密度的闭孔泡沫板，厚度为110 mm，它可以使漂浮输油软管在输油时仍处于漂浮状态。

1.2 假定及材料参数

利用有限元方法进行漂浮输油软管的径向压载模拟时，管体模型根据OCIMF—2009中的要求截取长度为500 mm的局部管体，并做以下假定：管道为筒形结构层，不存在缺陷，每一结构层的材料充满所在层的几何空间，各结构层之间无间隙，不存在初始应力及应变^[5]。

漂浮输油软管材料包括碳钢、橡胶、帘布-橡胶复合材料及闭孔泡沫。其中帘布-橡胶复合材料可视为横观各向同性材料，其性能可用5个相互独立的工程常数表示；橡胶及闭孔泡沫为非线性超弹性材料。对于漂浮输油软管，橡胶层及浮体层对承担外部压载的贡献很小，故对其材料特性进行简化以减少计算量，即将两者皆视为各向同性的线弹性材料。螺旋钢筋、橡胶及闭孔泡沫、帘布-橡胶复合材料参数分别如表 1、表 2和表 3所示。

2 漂浮软管径向压载模型 2.1 装配模型建立

利用有限元方法进行漂浮输油软管的径向压载分析时，根据OCIMF—2009要求建立长度500 mm、内径500 mm的局部管体和2块长500 mm、宽400 mm、高300 mm的长方体刚性板，按照压载初始状态进行装配。在ABAQUS中建立模型的关键点如下：对除螺旋钢筋以外的管体采取整体建模、分层赋予材料属性的方法来模拟漂浮输油软管粘结型的特点；利用composite layup指令对帘布-橡胶增强层进行铺设，准确模拟铺设角度及层数；利用embed指令将螺旋钢筋嵌入中胶层^[6]。装配模型如图 2所示。

2.2 网格划分及载荷

漂浮输油软管的径向压载分析是一个接触问题，管体及嵌在其中胶层内的螺旋钢筋均会产生大变形，故二者的网格类型均选取八节点线性六面体单元, 减缩积分, 沙漏控制，即C3D8R；上、下2块刚体板为离散刚体，采用四节点三维双线性刚性四边形，即R3D4对其进行划分网格^[7]，如图 3所示。

漂浮输油软管径向压载分析的思路是：将装配模型中的下刚体板完全固定，利用上刚体板对软管施加径向压载，即对下刚体板的参考点设置完全固定的边界条件，对上刚体板的参考点设置沿Y轴负方向足够大的位移边界条件，如图 4所示。模拟分析中，上刚体板的下表面与管体上部外表面、下刚体板上表面与管体下部外表面之间形成2对接触相互作用。接触属性的法向行为为硬接触；切向行为为罚函数；摩擦因数为0.7^[8]。此外，为了顺利完成模拟分析，还需限制管体在任意方向上的转动及一端端面在Z方向的移动。

3 计算结果与分析 3.1 径向抗压刚度

利用静态分析步进行非线性运算，可以顺利完成漂浮软管的径向压载模拟过程。图 5为径向压载模拟的位移云图。从图可以看出，下刚体板一直处于完全固定状态，上刚体板对漂浮软管共施加了121.5 mm的径向压缩量。

上刚体板的位移量即是漂浮软管的径向压缩量，而上刚体板所受的反作用大小与其对漂浮软管施加的载荷大小一致，故提取径向压载模拟过程中多组上刚体板参考点的位移-反作用力数值，即可绘制出漂浮输油软管的径向压载-径向压缩量曲线，如图 6所示。图中粗实线为有限元计算结果，细实线为拟合结果。曲线的最初段及最末段明显偏离线性变化规律，而曲线的中间大部皆符合良好的线性变化规律。最初段偏离在趋势线下方是由于浮体层的易压缩；最末段偏离在趋势线的上方是由于螺旋钢筋一定的椭圆化之后承压能力略微下降。

漂浮软管的径向抗压刚度是指漂浮软管在径向压力作用下抵抗变形能力的参数，其值可用径向压力值比径向压缩量计算得出。从中间大部的线性规律阶段可以得出，漂浮软管径向抗压刚度的稳定值约为1 kN/mm。

3.2 各层利用率校核

根据API 17K中表6所述，在不同工况条件下，漂浮软管各层构件的利用率系数应不大于规定值。利用率系数=结构响应/结构承载力，对于不同特性的材料采取不同的利用率校核方式^[9]。

橡胶层以应变为校核准则，并考虑老化的影响；螺旋钢筋以屈服应力为校核准则；将帘布-橡胶复合层看作正交各向异性材料，则其基本强度有3个：X为纵向强度，Y为横向强度，S为剪切强度。以Tsai-Hill提出的复合材料强度理论来评估帘布-橡胶加强层的结构性能，则利用率系数为：

(1)

式中：σ₁、σ₂及τ₁₂分别为对应于X、Y及S的结构响应^[10]。

漂浮输油软管是一种典型的钢筋加强柔性管，其钢筋层是软管抵抗外部压力载荷的主要构件^[11]。故以螺旋钢筋层的响应值作为确定漂浮输油软管径向许用压缩量的标准，根据API 17K，在工厂验收试验下，螺旋钢筋的利用率系数不应超过0.67，即其最大应力不应大于514 MPa。

螺旋钢筋临界利用率时的Mises应力及位移云图如图 7所示。从图可见，螺旋钢筋层的应力极值很接近514 MPa，此时可视为螺旋钢筋的利用率达到0.67。对应的，装配模型的位移云图如图 8所示。从图可见，漂浮输油软管的径向许用压缩量为44.2 mm，对应上刚体板施加的压力载荷为46.56 N。在此载荷下，分别对橡胶层、帘线-橡胶复合层及螺旋钢筋层进行利用率校核，校核结果如表 4所示。

由表 4可以看出，当螺旋钢筋的利用率达到临界值0.67时，3层帘布-橡胶复合层及4层橡胶层的利用率系数均远小于临界值。因此，螺旋钢筋层是漂浮输油软管承担径向压载的主要构件，而帘布-橡胶复合层及橡胶层承受的径向外载较钢筋层低，但其在稳固和防腐方面起重要作用。

4 结论

(1) 国产漂浮输油软管承受径向压载时，螺旋钢筋层为主要承载构件，而帘布-橡胶复合层及橡胶层承受的径向外载比钢筋层小，但其在稳固和防腐方面起重要作用，且螺旋钢筋的应力较大值位于上、下、左、右4个变形较为剧烈的区域，径向许用压缩量为为44.2 mm，对应上刚体板施加的压力载荷为46.56 N。

(2) 漂浮输油软管的径向压载与径向压缩量呈现明显的线性关系，在一段初始压缩量之后，会在相当大的一段压缩量内保持良好的线性关系，漂浮输油软管的径向抗压刚度稳定值约为1 kN/mm，可满足工程实际需要。