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