数字化工程降低油气运营商复合管的成本

作者:Steve Bell，英国朴茨茅斯Magma Global的分析经理

Magma Global是一家创新型、快速发展的海底技术公司，处于碳纤维复合材料开发的前沿。Magma使用最先进的材料和制造科学，为海底油气行业提供创新的解决方案，其产品适用于地球上一些最恶劣的条件。万博网

其中一种产品是m型管，它已万博网被用于世界各地的输油管线、跳线、干预系统和飞引管，用于输送碳氢化合物、水和天然气。m型管的柔韧性与其强度不相称。它具有最小的弯曲半径，允许它在标准卷轴上交付，加上它的重量轻，使得它可以从较小的船只上部署。

Magma公司的先进工程团队正在不断改进m型管叠层设计，以优化强度和最小化重量，同时确保聚醚醚酮(PEEK)和碳纤维管的制造成本低廉。

最大限度地减少每根新m管中热塑性复合材料的数量，减少了制造过程中使用的化石燃料的消耗。与传统的钢管安装相比，m型钢管的轻质特性也最大限度地降低了安装成本，并允许使用更小的服务容器。此外，m型管道需要较少的海上作业次数，这进一步减少了碳足迹。

万博Ansys Workbench有限元分析(FEA)软件通过真实的模拟模拟，实现了m型管内热塑性塑料的还原，在精确的数值模型的结构响应中复制了实际的测试行为。然后，这将用于再现使用中的负载组合。

在投资Ansys仿真软件之前，Magma的设万博计过程与业内大多数公司一样。工程师会为特定客户的应用开发一些设计，并让它们进行一系列物理测试，这可能既昂贵又耗时。

模拟过程的目标是减少原材料使用量，同时在极短的交货周期内交付m型管，并满足DNV认证要求。DNV是国际认可的注册商和船级社。

热塑性复合管材(TCP)使用寿命条件模拟

Magma工万博程师使用Ansys仿真解决方案，通过虚拟模型对结构测试进行数值模拟。然后将结果用于再现实际的使用寿命负荷组合。Magma Global能够在包括退役在内的整个设计周期内快速生产出超出客户要求的合格产品。

Ansys Workbench有限元分析(FEA)的万博数值模拟使我们的计算机辅助工程(CAE)团队能够通过Workbench中的高效脚本快速考虑不同的选项。可以运行大量的FEA迭代来验证m型管的结构完整性。物理测试的数量已经大大减少;现在他们唯一的目的就是确认模拟结果。每个物理测试也被应变测量，以将结果与数值模型相关联。

通过模拟估算m型管的使用寿命，让客户对我们的产品更有信心。万博网我们不仅共享结构分析结果，包括应力和应变图，而且还与DNV进行接口以获得分类批准。模拟可以帮助我们在石油和天然气领域生产一些最坚固的热塑性复合管材。使用尽可能少的材料，这些管道仍然可以应对石油和天然气组件所要求的极端操作条件。这有助于保持产品成本低，这样我们就可以成功地与其他供应商竞争。

Magma的CAE工艺

虽然复合管的概念看起来相对简单，但实际上数值模型是极其复杂的。该层压板可以包含超过50层，每层都可以优化结构性能，同时保持在制造参数范围内。金属端连接件固定在任何一端，以提供与第三方设备的坚固连接。分析序列模拟产品的使用寿命，包括存储、运输、测试、安装和使用。

第一步通常是使用Orcaflex(针对海底系统的动态分析软件)进行调查，以确定系统的全局响应。提取了局部力和力矩，并将其应用于管体和端件有限元模型。Orcaflex还用于模拟岩浆现场周围管道的转置操作，因为它从制造卷到存储卷或用于提升操作，如下所示。

管体有限元分析

我们开发了自己的管体“Magma Ansys Pre - and - Post Pro万博cessor”(MAPPS)界面，该界面通过Microsoft Excel界面驱动，以创建参数化Ansys参数化设计语言(APDL)脚本。MAPPS为所有Magma工程师提供了一个易于使用的设计工具，即使是那些没有深入了解Ansys软件的工程师。万博

输入参数如下:

• 管几何
• 元素的密度
• 厚度结构:厚度和方向
• 层压板累积
• 外部载荷(压力、轴向力、弯矩等)

根据上述数据，利用20节点具有二次行为的层状单元建立了厚复合材料建模所需的三维有限元模型。MAPPS还允许输入单个层属性和检索应力和应变结果。

叠层材料的性能是任何复合材料模型的一个关键方面。我们已经完成了大量的物理测试，以获得这些信息，这些信息构成了我们模拟模型的基础。每个模拟都在专用的分析服务器上运行，只需几秒钟即可完成，这允许使用我们的MAPPS结果图形界面快速优化分层结构。

管体采用极限状态设计方法，按照DNV-ST-F119和DNV-ST-C501进行设计。该方法评估了以下三种失效机制:

1. 基于总应变的纤维主导层失效
2. 轴向载荷作用下管体失效
3. 管体因弹性屈曲而倒塌

由于m型管复合材料层压板由大量不同角度的层压板和潜在的不同材料特性组成，单独评估它们可确保我们不会超过各种失效标准。万博Ansys Workbench有高效的后处理工具来帮助解决这个问题，它们包含以下故障检查:max。应变,马克斯。应力，Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hashin, LaRC和Cuntze。我们使用最大应变破坏准则来仔细评估每层管内的纤维和基体，包括管道长度和层压厚度。

此外，组件结果还将定向到管道系统轴，以确定轴向、箍向和径向值。示例位移和管道轴向应变结果如下所示。

端部拟合有限元分析

末端接头组件由超级双相不锈钢制成，广泛用于海底设备。它由同心组件组成，产生径向压缩压力，将管体夹在中间，而不需要螺栓或钉住连接，否则会损害层压板的完整性。

结构分析使用基于设计团队提供的计算机辅助设计(CAD)几何图形创建的FEA组装模型进行。次要特征，如螺纹，非关键孔和小混合半径，然后使用Ansys SpaceClaim轻松删除。万博

为了考虑外部载荷的作用，在端部管件有限元模型中加入了一段管体。这通常会将管径延长5倍，超出末端接头接口，以消除任何末端影响。进行敏感性研究，以确保在关键区域，例如应力集中，元素密度是足够的。元素质量，即体积与边缘长度的比率，被检查以确保保持最小值0.2。

末端接头的设计符合DNV-OS-F101的F100节，该节要求机械连接器的设计符合ASME VIII第2部。为了验证端头连接件的设计，执行以下设计检查:

• 防塑料塌陷防护
• 局部故障保护
• 符合DNV-RP-F112的氢致应力开裂(HISC)保护

为了准确地模拟通过端部接头组件的载荷路径，确定了各个组件之间的接触，包括摩擦的影响。定义了超双相材料的应力-应变曲线，包括温度的影响。这与接触相结合，意味着分析包括非线性材料和几何的影响。

为了表示不同的使用条件，将顺序加载组合作为一系列非线性步骤应用到有限元模型中。这意味着多达10个加载步骤，包括热膨胀、压力、轴向张力和弯矩。

由于作业者在最终拟合FEA模型中不断提高精度水平，因此复杂性也相应增加，从而延长了求解时间。为了尽量减少这种情况，操作人员优化Ansys求解器参数和CPU核心。万博

作为详细的ASME完整性检查的一部分，操作人员从所有载荷组合的FEA模型中提取构件的应力和应变。这包括冯-米塞斯应力，等效塑性应变和等效塑性应变与三轴应变的比值。为了评估对氢诱导应力开裂(HISC)的保护，操作人员进行了两次进一步的应变检查，其中包括在Workbench中使用线性化技术来提取通过组件壁厚的平均应变值。

呈现虚拟结果有助于作业者了解m型管道的行为。我们的分析提供了清晰、简明的信息，各方可以很容易地进行解释。这样做的结果是风险更低，同时客户的参与度更高，信心更足。

作为我们ISO 9001质量保证体系的一部分，我们对每个新的FEA模型进行了彻底的独立检查，以确保假设是正确的，后续结果是可接受的。技术报告也会提交给客户或DNV进行审查。

未来数码工程发展

我们在数字工程方面的投资使作业者能够以最低的工程成本设计并证明最具成本效益的高性能管道。我们计划扩展Magma标准Ansys材料库，进一步完善完整性检查，自动化结万博果的后处理，并改善接触行为，以进一步减少解决时间。我们的工程工具大大减少了测试时间，并有效和准确地加快项目。