МСЕ аналіз багатошарових та полігональних труб для виробництва підводних шлангокабелів

FEM analysis of multilayer and polygonal pipes designed for subsea umbilical pipelines

Докладчик

Фролов Ярослав Викторович

Фролов Ярослав Викторович

  • Должность: заведующий кафедрой
  • Звание, степень: проф.; д.т.н.
  • Организация: НМетАУ
  • Подразделение: кафедра "Обработка металлов давлением"
  • Город: Днипро
  • E-Mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. | Направление Другое, Спрейерное охлаждение, Трубы, Холодная и теплая пильгерная прокатка труб


    Аннотация

    Фролов Я.В. МСЕ Аналіз багатошарових та полігональних труб для виробництва підводних шлангокабелів / Фролов Я.В.,  Mirko Schaper , Андреєв А. К., Головко О.М., Гридін О.Ю, Самсоненко А. А., Столбченко М.Ю. // Пластична деформація металів : матеріали наук.-практ. конф. : тез. допов., 22-26 травня 2017 р., м. Дніпро. – Дніпро : [б.в.], 2017. – С. 9-10.

     

    Труби для шлангокабелів, які широко використовуються при видобуванні шельфової нафти та газу, піддаються навантаженням механічного та коррозійного характеру під час їх прокладання та подальшої експлуатації. Забезпечення надійності та довговічності цих труб зумовлено, як правило, використанням інноваційних матеріалів з покращенними властивостями. Однак, використання таких материалів найчастіще призводить до суттєвого підвищення виробничих витрат, а також не завжди та не в повній мірі може гарантувати відповідність вимогам до міцністних та корозійних властивостей.

    Труби для шлангокабелів зі змінними властивостями по поперечному перерізу, які можуть вироблятися у вигляді багатошарової композиції окремих труб із різних матеріалів з необхідним рівнем механічних та корозійних властивостей в кожному шарі, може бути вигідним з точки зору виробничих витрат та результуючої якості всього шлангокабеля. Аналіз поведінки багатошарової труби для шлангокабелів під дією різноманітних навантажень, а також порівняння з поведінкою суцільної труби було проведено за допомогою математичного моделювання на основі методу кінцевих елементів. Використовувані при моделюванні навантаження відповідали навантаженням, які виникають в шлангокабелі під час експлуатації, а також навантаженням, які виникають в трубі під час її механічного випровубання. Показано, що механічні властивості багатошарової труби з одного матеріалу подібні до властивостей суцільної труби з того ж матеріалу. Однак, в багатошаровій трубі, шари якої вироблені з різних матеріалів, може бути досягнуто одночасне підвищення міцністних та пластиних характеристик. Крім того, в багатошаровій трубі виникають менші тангенціальні напруження при прикладенні крутящого моменту, що пояснюється взаємним просковзуванням шарів. Таким чином, багатошарові труби для шлангокабелів можуть мати одночасно підвищенну корозійну стійкість та меньшу вагу у порівнянні з суцільною трубою.  

    Альтернативним варіантом виконання вимог щодо надійності та довговічності труб для шлангокабелів при відносно невеликих виробничих витратах є використання полігональних труб. Два основних типи полігональних труб були розглянуті: тип-«шестигранник» для внутрішньої частини та тип-«зірка» для зовнішньої частини шлангокабелю. Труби такої форми мають більші момент інерції та момент інерції перерізу у порівнянні з круглою трубою. Показано, що використання труб з поперечним перерізом типу-«шестигранник» та типу-«зірка» замість круглих труб дозволяє збільшити загальну гнучкість шлангокабелю. Крім того, використання таких труб запобігає виникненню локальних пластичних деформацій в стінці труби під навантаженням. 

     

    Umbilical pipelines, which are widely used in offshore industry, undergo both mechanical and environmental loads during their mounting and service. To ensure reliability and durability of umbilical pipelines an application of novel materials with advanced properties is required. On the other hand, an application of such materials increases production costs and nevertheless, does not guarantee complete fulfilment of requirements on mechanical properties and corrosion resistance.

    Pipelines with tailored properties across the wall thickness, which can be produced as a multi-layered composition of separate pipes of different materials with adjusted mechanical properties in each layer, seems to be advantageous in the context of production costs and resulted quality of whole pipeline. A comparative FEM analysis has been performed, to analyze behavior of multi-layered pipe under different types of loading and compare it with behavior of solid pipe. Applied loading types were chosen in accordance with loads, which are common for exploitation conditions of umbilical pipelines, as well loads, which are common for mechanical testing of pipes. It has been shown, that mechanical properties of multi-layered pipes with layers of the same material are similar to those of solid pipe. However, in case of layers of different materials higher strength and ductile properties of the whole composite pipe can be achieved. In addition, tangential stresses in multilayer pipe under twisting load have lower values than in solid pipe due to slippage of layers. Thus, multi-layered pipes exhibit higher corrosion resistance as well as reduced weight in comparison with solid pipe.

    Another possible way to fulfil requirements on reliability and durability of umbilical pipelines with relative low production costs is to apply polygonal pipes. Two main types of polygonal pipes have been studied: “hexagonal-“ for inner part and “star-“ shaped for outer part of umbilical pipeline. These pipes have bigger moment of inertia and second moment of area in comparison with common round pipe. It has been shown, that usage of “hexagonal-“ as well as “star-“ shaped  pipes instead of the round pipes allows to increase flexibility of umbilical in general. In addition, it prevents possible local plastic deformation of pipe‘s wall under payload.

     

    Трубы для шлангокабелей, которые широко применяются при добыче шельфовой нефти и газа, подвергаются нагрузкам механического и коррозионного характера во время их прокладки и дальнейшей эксплуатации. Обеспечение надежности и долговечности этих труб обусловлено, как правило, применением инновационных материалов с улучшенными свойствами. Однако, применение таких материалов ведет к существенному повышению производственных издержек, а также не всегда и не полностью может гарантировать удовлетворение требований к прочностным и корозионным характеристикам.

    Трубы для шлангокабелей с переменными свойствами по поперечному сечению, которые могут производиться в виде многослойной композиции отдельных труб из различных метериалов с необходимым уровнем механических и коррозионных свойств в каждом слое, могут быть выгодными с точки зрения производственных издержек и результирующего качества всего шлангокабеля. Анализ поведения многослойной трубы для шлангокабелей под действием различных нагрузок, а также сравнение с поведением сплошной трубы было осуществлено при помощи  математического моделирования на основе метода конечных элементов. Использованные при моделировании нагрузки соотвествовали нагрузкам, которые испытывает шлангокабель во время эксплуатации, а также нагрузкам, которые возникают в трубе при ее механическом испытании. Показано, что механические свойства многослойной трубы из одного материала сходны со свойствами сплошной трубы из того же материала. Однако, в многослойной трубе, слои которой состоят из различных материалов, может быть достигнуто одновременное повышение прочностных и пластических характеристик. Кроме того, в многослойной трубе возникают меньшие тангенциальные напряжения при приложении крутящего момента, что объясняется взаимным проскальзыванием слоев. Таким образом, многослойные трубы для шлангокабелей могут обладать одновременно повышенной корозионной стойкостью и меньшим весом по сравнению со сплошной трубой.

    Альтернативным вариантом удовлетворения требований к надежности и долговечности труб для шлангокабелей при относительно низких производственных издержках является применение полигональных труб. Два основных типа полигональных труб были рассмотрены: тип-«шестигранник» для внутренней части и тип-«звезда» для наружной части шлангокабеля. Трубы такой формы имеют большие момент инерции и момент инерции сечения по сравнению с круглой трубой. Показано, что использование труб с поперечным сечением типа-«шестигранник» и типа-«звезда» вместо круглых труб позволяет увеличить общую гибкость шлангокабеля. Кроме того, использование таких труб предотвращает возможные локальные пластические деформации в стенке трубы под нагрузкой. 

     

     

    Комментарии (0)

    Оставить комментарий

    Please login to leave a comment.