分析报告03

1、编制说明此报告主要是通过ANSYS软件对海上平台的破损管道进行灌浆加固前后的强度、寿命进行对比分析，从而获得灌浆卡箍加固后的强度、寿命的有效数据，为卡箍的设计分析提供有效的数据支持。

海上平台由于意外碰撞、腐蚀、磨损、钢材疲劳、荷载增大以及规范修订（参数和标准趋于严格）等原因，水下钢管杆件和管节点的应力可能会超标，局部结构强度和刚度会超出规范要求，降低了平台整体结构的可靠度，影响海上油气田的安全生产。

针对海上平台损伤的水下钢管件进行加固的主要方法有：平台焊接（干焊、湿焊）、焊趾处理、卡箍、灌浆、复合材料包覆、废弃构建去除、新防腐涂料等方法，国际上比较流行的方法为卡箍维修。

卡箍维修主要分为：1.机械卡箍：靠金属之间摩擦力传力，是卡箍维修的早期形式；2.灌浆卡箍：（1）无剪力键：承载能力优于机械卡箍；（2）剪力键卡箍：承载能力高、性能可靠（与膨胀水泥配合使用）；（3）加压灌浆卡箍：强度由水泥浆与钢管表面的粘结力和由双紧螺栓张紧在交界面上产生摩擦力提供，其加固效果不如剪力键卡箍；3.树脂卡箍：环形空间填充的是树脂而不是水泥浆，具有较高的粘结强度，从而不需要剪力键和外力的螺栓力，由于树脂粘结强度在海水环境条件下的耐久性还无可靠性依据，所以除在混凝土结构中采用过树脂卡箍外，钢结构中还未采用过这种方法。

2、灌浆卡箍有限元分析方案设计2.1 实验目的通过实验验证灌浆卡箍加固后对破损管道的强度、寿命等方面的加强，分析加固前后模拟固定压力作用下的应力集中点、工件形变及各部件寿命。

2.2 实验内容通过三维建模软件Soildworks建立破损管道模型，灌浆水泥模型，灌浆卡箍模型，将模型导入Ansys Workbench 分别进行静力学、疲劳强度分析，收集数据，进行灌浆前后数据对比。

1.分别建立Φ508、Φ426、Φ377、Φ325、Φ219、Φ159、Φ133、Φ108的三维管道模型，对其进行静力学受压强度分析，收集数据。

2.建立Φ508的破损管道的三维模型，采用固定压力进行静力学分析，收集数据。

3.建立匹配Φ508破损管道的水泥浆、灌浆卡箍的三维模型，对灌浆加固后的模型施加同样压力进行静力学分析，收集数据。

4.分别对Φ508破损管道加固前后进行疲劳强度分析，收集数据。

2.3三维建模使用Solidworks软件分别建立实验中用到的各组模型：Φ508×16、Φ426×9、Φ377×9、Φ325×8、Φ219×6、Φ159×4.5、Φ133×14、Φ108×4高800mm的圆柱形管道，Φ508×16高2000mm的破损圆柱形管道及与之配套的水泥浆模型、卡箍模型如图2.1所示。

为了更好的增加水泥浆与卡箍、管道之间的粘结，采用机械预紧，卡箍作用是选用螺栓施加预紧力，灌浆卡箍选用带剪力键的卡箍因为此卡箍承载力高，性能可靠，水泥采用膨胀水泥。

图2.1 三维模型示意图2.4管道静力学分析2.4.1网格划分由于模型非常规整，采用Workbench自带的自动网格划分形式，综合考虑有限元计算结果精度和计算所用时间采用单元尺寸为30mm，如图2.2所示。

图2.2 网格划分2.4.2边界条件将管道的一端固定于地面，在其上步施加压力载荷，压力为200KN,如图2.3所示。

图2.3 边界条件2.4.3结果分析与强度评定管道有限元分析结果，可以看出，最大形变主要发生在与平台接触的管道上表面部分，形变量为0.064mm,如图2.4所示。

最大应力为17.9MPa,如图2.5所示，其他部分应力较小且分布均匀。

最大应力17.9MPa远远小于屈服应力620MPa,属于弹性形变，在承载范围之内。

图2.4 应变位移图图2.5应力图按照上述实验过程分别对φ426×9、φ377×9、φ325×8、φ219×6、φ159×4.5、φ133×4、φ108×4系列杆件有限元分析，杆件长为800mm，施加压力为200KN,其应力应变结果如图2.6~2.19所示。

图2.6 φ426应变图图2.7 φ426应力图图2.8 φ377应变图图2.9 φ377应力图图2.10 φ325应变图图2.11 φ325应力图图2.12 φ219应变图图2.13 φ219应力图图2.14 φ159应变图图2.13 φ159应力图图2.16 φ133应变图图2.17 φ133应力图图2.18 φ108应变图 图2.19 φ108应力图 经过上述一系列实验表明只有当管道为φ108最小应力超出屈服强度620MPa,产生塑性形变，因此对φ108的管道进行卡箍加固后进行对比实验分析，观察卡箍加固对管道产生作用。

由于进行卡箍加固，因此在卡箍上需要施加预紧力，分别对卡箍施加1MPa,5MPa,10MPa,20MPa 的压强进行对比实验分析，如图2.20所示。

其应力应变结果如图2.21~2.28所示。

图2.20 边界条件图2.20中A 点接地，B 点截面施加200KN 的压力载荷，C 为卡箍简化模型，施加1MPa 压强。

图2.21 1MPa应变图图2.22 1MPa应力图图2.23 5MPa应变图图2.24 5MPa应力图图2.25 10MPa应变图图2.26 10MPa应力图图2.27 20MPa应变图图2.28 20MPa应力图根据上述一系列应力应变图对比分析结果不难看出卡箍的用对管道的加强效果非常明显，当卡箍施加1MPa的载荷时就会对管道的强度到很强的加强作用，其最大应力变为185MPa,已小于管道的屈服强度极限620MPa,满足使用要求，随着卡箍预紧力的增加，管道的最大应力应变越来越小，成线性递减，由此可以得出在承载范围内预紧力的大小与卡箍的加强效果成正比。

上述一系列实验是针对管道及卡箍加固的管道的承载能力进行的静力学分析，考虑到实际运用过程中卡箍的主要作用是针对破损的管道进行加固，因此针对φ508的破损管道及卡箍加固后的破损管道进行承载能力分析，进一步获取更准确的数据。

3、破损管道加固前后有限元分析对比3.1破损管道有限元分析3.1.1 三维模型建立使用Solidworks软件简历破损的φ508管道的三维模型，经简化处理后导入Ansys Workbench软件。

3.1.2网格划分由于工件结构并不复杂，传统的四面体网格划分完全可以满足计算需要，网格尺寸选定15mm,网格划分结果如图3.1所示。

图3.1 网格划分3.1.3 边界条件约束条件与载荷施加如图3.2所示，将破损管道底端与地面固结，在顶端施加固定载荷200MPa.图3.2 边界条件3.1.4结果分析与强度评定有限元分析结果如图3.3~3.6所示，图3.3表明整个管道受压的形变主要出现在平台接触的顶端，在受损面也产生较大的形变位移达到1.16mm,图3.4与图3.5分别显示沿X轴方向与Y周方向产生的位移，可见在破损处发生X周方向最大位移（即发生鼓胀）为0.38mm沿Y轴方向的最大位移发生在施力点为2.18mm,图3.6为应变图，表明应力最大的点出现在破损位置，应力打到779MPa,超过了屈服强度极限620MPa,此处发生塑性形变，易发生断裂，因此可见破损位置的应变大且应力集中，应为重点考察位置。

图3.3 整体应变图图3.4 X轴向应变图图3.5 Y轴向应变图图3.6 应力分布图3.2灌浆卡箍加固后破损管道有限元分析3.2.1 三维模型建立使用Solidworks软件简历破损的φ508管道的三维模型，灌浆水泥浆模型，卡箍模型，装配后经简化处理导入Ansys Workbench软件。

3.2.2 定义材料属性为了更好的模拟计算结果，破损管道选择合金钢材质，灌浆水泥浆选择Workbench内置的混凝土材质，卡箍模型选择不锈钢材质。

3.2.3网格划分由于工件结构并不复杂，传统的四面体网格划分完全可以满足计算需要，网格尺寸选定15mm,网格划分结果如图3.7所示。

图3.7 网格划分3.2.4边界条件由于灌浆卡箍作用时需要施加预紧力，因此在卡箍链接的6组螺栓链接处分别施加6组载荷各为4000N,由于预紧力分析时载荷加载需要分两步施加，因此第一步时先施加G处的与地面固结的约束，以及A~F的螺栓预紧力，分析得到单独施加预紧力的结果以后锁定6组预紧力产生的效果，然后在管道与平台接触的上表面施加200MPa的压力载荷，效果如图3.8所示。

图3.8 边界条件3.2.5结果分析与强度评定有限元分析结果如图3.9~3.12所示，图3.9表明整个组件受压的形变主要出现在平台接触的顶端，在受损面也产生的形变位移达到0.89mm较之1.16mm获得了比较大的提升，,图3.10与图3.11分别显示沿X轴方向与Y周方向产生的位移，可见在破损处发生X周方向最大位移（即发生鼓胀）变为0.026mm沿Y 轴方向的最大位移发生在施力点为1.65mm,对比未加卡箍作用前产生较大的提升，尤其是在X轴方向上缩小一个数量级的位移，有较大作用。

图3.12为应变图，在未加卡箍前应力最大的破损点现在只有153MPa<<779MPa,可见卡箍对于应力集中点的保护起到了很大的作用，综上所述，灌浆卡箍在对破损管道，尤其是发生大范围形变点，应力集中点的保护方面起到很大的作用。

4、破损管道卡箍作用前后疲劳分析对比4.1疲劳简介4.1.1 疲劳概述结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。

疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。

因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。

塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。

一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。

在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳。

接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。

4.1.2 恒定振幅载荷在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起：当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。

否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。

4.11.3 成比例载荷载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷：比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。

相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括：σ1/σ2=constant在两个不同载荷工况间的交替变化；交变载荷叠加在静载荷上；非线性边界条件。