数字化工程为油气运营商降低复合管材成本

作者:Steve Bell, Magma Global分析经理，朴茨茅斯，英国

Magma Global是一家创新、快速发展的海底技术公司，在碳纤维复合材料开发方面处于领先地位。Magma采用最先进的材料和制造技术，为海底油气行业提供创新的解决方案，并将产品部署在地球上一些最恶劣的条件下。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管线和跳线、干预系统和飞管，输送碳氢化合物、水和天然气。m型管的柔韧性与其强度相悖。它有一个最小的弯曲半径，允许它在标准卷轴上交付，再加上它的重量轻，使得它可以从更小的船只上部署。

Magma先进的工程团队不断改进m管层压板层的设计，以优化强度和最小化重量，同时确保聚醚醚酮(PEEK)和碳纤维管具有成本效益。

最大限度地减少每个新m型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-pipe的轻质特性还可以最大限度地降低安装成本，并允许使用更小的服务容器。此外，m型管需要更少的海上作业，这进一步减少了碳足迹。

万博Ansys Workbench有限元分析(FEA)软件通过逼真的模拟，在精确的数值模型中复制了结构响应的实际测试行为，从而减少了m型管中的热塑性塑料。然后用它来重现服务中的负载组合。

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，并对其进行一系列物理测试，这可能既昂贵又耗时。

模拟过程的目的是减少原材料的使用量，同时在很短的交货时间内交付m型管，并满足DNV的资格要求。DNV是一家国际认可的注册商和船级社。

热塑性复合管(TCP)使用寿命条件模拟

Magma工万博程师利用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载组合。Magma Global可以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择。可以运行多次有限元迭代来验证m型管的结构完整性。体检的次数已大大减少;现在他们唯一的目的是确认模拟结果。每个物理测试也都是应变测量，以将结果与数值模型相关联。

通过模拟估算m管的使用寿命，让我们的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需的极端操作条件。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过程

虽然复合管的概念看起来相对简单，但实际上其数值模型是极其复杂的。层压板可以包含50层以上，每层都可以优化结构性能，同时保持在制造参数范围内。金属末端接头固定在两端，提供与第三方设备的牢固连接。分析序列模拟了产品的使用寿命，包括储存、运输、测试、安装和操作。

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，并将其应用于管身和管端拟合有限元模型。Orcaflex还用于模拟Magma现场周围管道的转置操作，当管道从制造卷筒上到存储卷筒上或进行吊装操作时，如下图所示。

管体有限元分析

我们开发了自己的管体“Magma Ansys Pre and Post Process万博or”(MAPPS)接口，该接口通过Microsoft Excel界面驱动，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

需要输入的参数如下:

• 管几何
• 元素的密度
• 铺层配置: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，采用具有二次行为的20节点分层单元建立了厚复合材料建模所需的三维有限元模型。MAPPS还允许输入单个层的属性和检索应力和应变结果。

铺装材料的性能是任何复合材料模型的一个关键方面。我们已经完成了广泛的物理测试来获得这些信息，这些信息构成了我们模拟模型的基础。每个模拟都在专用分析服务器上运行，只需几秒钟即可完成，这使得层压板结构可以使用我们的MAPPS结果图形界面快速优化。

管体按照DNV-ST-F119和DNV-ST-C501的要求，采用极限状态设计方法进行设计。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破坏
2. 轴向载荷作用下管体失效
3. 管体因弹性屈曲而坍塌

由于m型管复合材料层压板是由许多不同角度的层压板组成的，并且可能具有不同的材料特性，因此对它们进行单独评估可以确保我们不会超过各种失效标准。万博Ansys Workbench具有高效的后处理工具来帮助解决此问题，它们包含以下故障检查:max。应变,马克斯。应力，蔡武，蔡山，哈信，LaRC和Cuntze。我们使用最大应变失效标准来仔细评估每层中的纤维和基体，包括管道长度和层压厚度。

此外，组件结果也定向到管道系统轴，以确定轴向，环向和径向值。位移和管道轴向应变结果示例如下所示。

末端拟合有限元分析

末端配件组件由超级双相不锈钢制成，这种材料广泛用于海底设备。它包括一组同心组件，可以产生径向压缩压力，将管体夹在中间，而不需要螺栓或固定连接，否则会影响层压板的完整性。

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装配模型进行。次要特征，如螺纹，非关键孔和小混合半径，然后使用Ansys spacecclaim轻松去除。万博

为了考虑外部载荷的作用，末端管件有限元模型包括管体的一段。这通常延伸到管道外径的五倍，超出了末端接头界面，以消除任何末端效应。进行敏感性研究，以确保在关键领域，例如应力集中，元素密度足够。检查元素质量，即体积与边缘长度的比率，以确保保持最小值0.2。

端部接头按照DNV-OS-F101第F100节设计，该节要求机械连接器按照ASME VIII第2部分设计。为了验证末端配合的设计，执行以下设计检查:

• 防止塑性坍塌
• 本地故障保护
• 根据DNV-RP-F112，防止氢引起的应力开裂(HISC)

为了准确地模拟通过末端装配的载荷路径，需要确定各个部件之间的接触，包括摩擦的影响。定义了超级双相材料的应力应变曲线，并考虑了温度的影响。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。

为了表示每一种使用状态，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。这意味着可以应用多达10个负载步骤，包括热膨胀，压力，轴向拉力和弯矩。

由于操作者不断提高末端拟合有限元模型的精度水平，复杂性随之增加，求解时间也随之延长。为了尽量减少这种情况，操作人员对Ansys求解器参数和CPU内核进行了优化。万博

作为详细的ASME完整性检查的一部分，操作人员从所有负载组合的FEA模型中提取组件应力和应变。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。为了评估对氢引起的应力开裂(HISC)的保护，操作人员进行了两次进一步的应变检查，包括使用Workbench中的线性化技术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型管的行为。我们的分析提供了清晰、简明的信息，各方都能很容易地理解。这样做的结果是降低了风险，同时提高了客户的参与度和信心。

作为iso9001质量保证体系的一部分，我们对每个新的有限元模型进行彻底的独立检查，以确保假设是正确的，随后的结果是可接受的。技术报告也提交给客户或DNV审核。

未来数字工程的发展

我们在数字工程方面的投资使作业者能够以最小的工程成本设计并证明最具成本效益、高性能的管柱。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。我们的工程工具极大地缩短了测试时间，有效而准确地加快了项目的进度。