首頁(yè) > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《Digital Engineering Reduces the Cost of Composite Pipe for Oil and Gas Operators》
Magma Global是一家在碳纖維復(fù)合材料開發(fā)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的創(chuàng)新型、快速增長(zhǎng)的海底技術(shù)公司。Magma應(yīng)用最先進(jìn)的材料與制造科學(xué)，為海底石油和天然氣行業(yè)提供創(chuàng)新性解決方案，其產(chǎn)品部署在一些地球上環(huán)境條件最苛刻的地方。
其中一款產(chǎn)品就是M管，它一直被用于世界各地的出油管與跨接管、干預(yù)系統(tǒng)以及懸空引線，以輸送碳?xì)浠衔铩⑺吞烊粴?。M管雖然具有出色的強(qiáng)度，但其柔韌性也毫不遜色。該管不僅具有最小化的彎曲半徑，而且重量輕，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的卷軸交付，并通過較小的船舶進(jìn)行部署。
M管是什么？
M管由兩種高品質(zhì)原材料制成：碳纖維和聚醚醚酮(PEEK)。PEEK是目前性能最佳的熱塑性聚合物。由于PEEK具有耐熱性、耐常用油田化學(xué)品及耐滲透性等特點(diǎn)，其在關(guān)鍵組件中的應(yīng)用已有很長(zhǎng)的歷史。在全自動(dòng)機(jī)器人工藝中，單向碳纖維和PEEK膠帶通過激光逐層融合，形成具有光滑孔的完全粘合結(jié)構(gòu)。由此得到的M管，不會(huì)因油田化學(xué)品（如硫化氫和二氧化碳）而產(chǎn)生降解，這些化學(xué)品在油田開發(fā)中普遍存在，且被證明對(duì)鋼管和柔性管都會(huì)帶來挑戰(zhàn)。此外，PEEK的使用還使M管具有高溫性能和極低的氣體滲透性。
管體變形示例
Magma的高級(jí)工程團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)M管層壓材料層的設(shè)計(jì)，優(yōu)化強(qiáng)度并最大限度減少重量，同時(shí)確保聚醚醚酮(PEEK)和碳纖維管道具有較高的制造成本效益。
在每個(gè)新的M管中最大限度地減少熱塑性復(fù)合材料，可以減少制造過程中的化石燃料消耗。與傳統(tǒng)的鋼管安裝相比，M管的輕量化特性可最大限度地降低安裝成本，并允許使用更小的工作船舶。此外，M管需要的海上行程也更少，這就進(jìn)一步減少了碳排放。
Ansys Workbench軟件通過真實(shí)的有限元分析(FEA)仿真可減少M(fèi)管的熱塑性塑料，這種仿真能夠在精確數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)響應(yīng)中復(fù)制實(shí)際的測(cè)試行為。該仿真結(jié)果，隨后被用于再現(xiàn)工作中的載荷組合。
在使用Ansys仿真軟件之前，Magma的設(shè)計(jì)流程與業(yè)內(nèi)大多數(shù)流程一樣：工程師會(huì)為特定客戶的應(yīng)用開發(fā)一些設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行一系列的物理測(cè)試，這可能導(dǎo)致成本高昂且非常耗時(shí)。
仿真的目的在于，減少原材料使用的同時(shí)，在較短的交貨期限內(nèi)交付M管，并滿足挪威船級(jí)社(DNV)認(rèn)證要求。DNV是一家國(guó)際認(rèn)可的注冊(cè)商和船級(jí)社。
M管的橫截面
對(duì)熱塑性復(fù)合材料管（TCP）的使用壽命條件進(jìn)行仿真
利用Ansys仿真解決方案，Magma工程師正在通過虛擬模型對(duì)結(jié)構(gòu)測(cè)試進(jìn)行數(shù)值仿真。這些結(jié)果隨后被用于再現(xiàn)實(shí)際使用壽命載荷組合。因此，Magma Global可以在整個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)（包括停止運(yùn)行階段）快速得到超出客戶要求的合格產(chǎn)品。
利用Ansys Workbench進(jìn)行數(shù)值仿真，計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)團(tuán)隊(duì)能夠通過Workbench中的高效腳本快速考慮不同的選項(xiàng)。他們可以運(yùn)行大量FEA迭代來驗(yàn)證M管的結(jié)構(gòu)完整性。物理測(cè)試的次數(shù)已顯著減少；現(xiàn)在，物理測(cè)試的唯一目的是確認(rèn)仿真結(jié)果。此外，每項(xiàng)物理測(cè)試也經(jīng)過應(yīng)變測(cè)量，以便將結(jié)果與數(shù)值模型相關(guān)聯(lián)。
管體復(fù)合材料層壓板示例
利用仿真估算M管的使用壽命，我們讓客戶對(duì)其產(chǎn)品更有信心。他們不僅共享結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，包括應(yīng)力和應(yīng)變圖，而且還與挪威船級(jí)社(DNV)進(jìn)行交流，以便獲得船級(jí)社批準(zhǔn)。仿真有助于Magma生產(chǎn)出石油和天然氣領(lǐng)域中最堅(jiān)固可靠的熱塑性復(fù)合材料管道。盡管使用盡可能少的材料，這些管道仍然可以應(yīng)對(duì)石油和天然氣組件所要求的極端工作條件。這有助于降低產(chǎn)品成本，使企業(yè)能夠在與其他供應(yīng)商的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。
Magma的CAE流程
雖然復(fù)合材料管道的概念看似相對(duì)簡(jiǎn)單，但在實(shí)際過程中，數(shù)值模型卻非常復(fù)雜。層壓材料可包含超過50層，每一層的方向都是為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)還要達(dá)到制造參數(shù)要求。金屬端接頭固定在管道的任一端，以便與第三方設(shè)備實(shí)現(xiàn)牢固連接。在分析流程中，工程師對(duì)產(chǎn)品的使用壽命（包括存儲(chǔ)、運(yùn)輸、測(cè)試、安裝和運(yùn)行）進(jìn)行了仿真。
第一步通常是使用Orcaflex（面向海底系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析軟件）進(jìn)行研究，以確定系統(tǒng)的全局響應(yīng)。提取局部力和力矩，并將其應(yīng)用于管體和端部接頭FEA模型。此外，Orcaflex還可用于對(duì)Magma現(xiàn)場(chǎng)周圍管道的轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)（從制造卷盤卸到存儲(chǔ)卷盤上，或進(jìn)行提吊作業(yè)）進(jìn)行仿真。
管體有限元分析
我們開發(fā)了專屬的管體“Magma Ansys前處理與后處理器”(MAPPS)接口，該接口通過Microsoft Excel接口驅(qū)動(dòng)，以便創(chuàng)建Ansys參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)腳本。MAPPS可為Magma的所有工程師（即使是沒有深入了解Ansys軟件的工程師）提供一款易于使用的設(shè)計(jì)工具。
工程師需要輸入以下參數(shù)：
- 管道幾何形狀
- 單元密度
- 層結(jié)構(gòu)：厚度和方向
- 層壓板堆積
- 外部載荷（壓力、軸向力、彎矩等）
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，工程師就可以使用具有二次行為的20節(jié)點(diǎn)分層單元?jiǎng)?chuàng)建3D FEA模型，這是較厚的復(fù)合材料建模所必需的。MAPPS還允許輸入單獨(dú)的層屬性，并檢索應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果。
層材料屬性對(duì)于任何復(fù)合材料模型而言，都很關(guān)鍵。我們已經(jīng)完成了大量的物理測(cè)試，從而獲得了這些信息，而它們構(gòu)成了仿真模型的基礎(chǔ)。每次仿真都在專用的分析服務(wù)器上運(yùn)行，只需幾秒鐘即可完成，這樣可以使用我們的MAPPS結(jié)果圖形界面快速優(yōu)化層壓結(jié)構(gòu)。
管體按照DNV-ST-F119和DNV-ST-C501規(guī)范、并采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。此方法可評(píng)估以下三種失效機(jī)制：
- 基于總應(yīng)變的纖維主導(dǎo)層失效
- 軸向載荷作用下的管體失效
- 管體因彈性屈曲而坍塌
端部接頭CAD幾何形狀示例
由于M管復(fù)合材料層壓板由許多不同角度和材料特性的薄板組成，單獨(dú)對(duì)它們進(jìn)行評(píng)估可確保不會(huì)超過各種失效指標(biāo)。Ansys Workbench具有高效的后處理工具，可幫助實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這些工具包含以下失效檢查：最大應(yīng)變、最大應(yīng)力、Tsa-Wu、Tsai-Hill、Hashin、LaRC、Cuntze。
我們使用最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則，仔細(xì)評(píng)估每層沿管道長(zhǎng)度和層壓板厚度方向的纖維和基質(zhì)。我們還將組件結(jié)果朝著管道系統(tǒng)軸的方向，以便確定軸向、環(huán)向和徑向值。
端部接頭有限元分析
端部接頭裝配體由超級(jí)雙相不銹鋼制作而成，這種材料廣泛用于海底設(shè)備。端部接頭包括一組同心組件，這些組件會(huì)產(chǎn)生徑向壓縮力，將管體夾在中間，無(wú)需使用螺栓或進(jìn)行銷釘連接（那樣會(huì)影響層壓材料的完整性）。
我們基于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)建FEA裝配體模型，并使用該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。然后，使用Ansys SpaceClaim輕松去除螺紋、非關(guān)鍵孔和小混合半徑等細(xì)微特征。
為了施加外部載荷，端部接頭FEA模型包括了管體的一部分。這通常需要在端部接頭接口外延長(zhǎng)5倍的管道外直徑，以便消除任何端部效應(yīng)。敏感度分析可確保關(guān)鍵區(qū)域（例如應(yīng)力集中區(qū)域）的單元密度是足夠的。我們檢查了單元質(zhì)量（即體積與邊長(zhǎng)的比值），以保持其最小值為0.2。
端部接頭按照DNV-OS-F101第F100節(jié)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，其要求機(jī)械連接器按照ASME VIII第2部分的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證端部接頭的設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)檢查：
- 防止塑性塌陷
- 防止局部失效
- 根據(jù)DNV–RP–F112防止氫致應(yīng)力開裂 (HISC)
為了對(duì)端部接頭裝配體的載荷路徑進(jìn)行準(zhǔn)確仿真，我們確定了各個(gè)組件之間的接觸，包括摩擦影響。為超級(jí)雙相材料定義了應(yīng)力-應(yīng)變曲線，包括溫度影響。再與接觸結(jié)果相結(jié)合，分析包括非線性材料與幾何形狀的影響。
為了表示每種工作條件，我們將順序載荷組合作為一系列非線性步驟施加到FE模型。這可以增加多達(dá)10個(gè)載荷步驟，包括熱膨脹、壓力、軸向張力與彎矩。
由于操作人員不斷提高端部接頭FEA模型的精度水平，復(fù)雜性和求解時(shí)間都相應(yīng)增加。為了盡量減少這種情況，操作人員優(yōu)化了Ansys求解器參數(shù)和CPU內(nèi)核。
端部接頭應(yīng)力示意圖
作為詳細(xì)ASME完整性檢查的一部分，操作人員從FEA模型中提取了所有載荷組合中的組件應(yīng)力與應(yīng)變。這包括馮米斯應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變與三軸應(yīng)變的比值。為了評(píng)估防止氫致應(yīng)力開裂 (HISC)的保護(hù)措施，操作人員進(jìn)行了兩次深入的應(yīng)變檢查，其中包括使用Workbench中的線性化技術(shù)提取組件壁厚的平均應(yīng)變值。
展示虛擬結(jié)果有助于操作人員了解M管的表現(xiàn)。我們的分析提供了清晰、簡(jiǎn)明的信息，便于各方輕松理解。結(jié)果是風(fēng)險(xiǎn)變小了，同時(shí)客戶參與度更高，信心也更足。
（文章來源公眾號(hào)：Ansys）
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