数字工程助力石油天然气运营商降低复合材料管道成本
本文原载于Ansys Advantage：《Digital Engineering Reduces the Cost of Composite Pipe for Oil and Gas Operators》
Magma Global是一家在碳纤维复合材料开发领域处于领先地位的创新型、快速增长的海底技术公司。Magma应用最先进的材料与制造科学，为海底石油和天然气行业提供创新性解决方案，其产品部署在一些地球上环境条件最苛刻的地方。
其中一款产品就是M管，它一直被用于世界各地的出油管与跨接管、干预系统以及悬空引线，以输送碳氢化合物、水和天然气。M管虽然具有出色的强度，但其柔韧性也毫不逊色。该管不仅具有最小化的弯曲半径，而且重量轻，可以使用标准的卷轴交付，并通过较小的船舶进行部署。
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M管是什么？
M管由两种高品质原材料制成：碳纤维和聚醚醚酮(PEEK)。PEEK是目前性能最佳的热塑性聚合物。由于PEEK具有耐热性、耐常用油田化学品及耐渗透性等特点，其在关键组件中的应用已有很长的历史。在全自动机器人工艺中，单向碳纤维和PEEK胶带通过激光逐层融合，形成具有光滑孔的完全粘合结构。由此得到的M管，不会因油田化学品（如硫化氢和二氧化碳）而产生降解，这些化学品在油田开发中普遍存在，且被证明对钢管和柔性管都会带来挑战。此外，PEEK的使用还使M管具有高温性能和极低的气体渗透性。
管体变形示例
Magma的高级工程团队不断改进M管层压材料层的设计，优化强度并最大限度减少重量，同时确保聚醚醚酮(PEEK)和碳纤维管道具有较高的制造成本效益。
在每个新的M管中最大限度地减少热塑性复合材料，可以减少制造过程中的化石燃料消耗。与传统的钢管安装相比，M管的轻量化特性可最大限度地降低安装成本，并允许使用更小的工作船舶。此外，M管需要的海上行程也更少，这就进一步减少了碳排放。
Ansys Workbench软件通过真实的有限元分析(FEA)仿真可减少M管的热塑性塑料，这种仿真能够在精确数值模型的结构响应中复 制实际的测试行为。该仿真结果，随后被用于再现工作中的载荷组合。
在使用Ansys仿真软件之前，Magma的设计流程与业内大多数流程一样：工程师会为特定客户的应用开发一些设计，并对其进行一系列的物理测试，这可能导致成本高昂且非常耗时。
仿真的目的在于，减少原材料使用的同时，在较短的交货期限内交付M管，并满足挪威船级社(DNV)认证要求。DNV是一家国际认可的注册商和船级社。
M管的横截面
对热塑性复合材料管（TCP）的使用寿命条件进行仿真
利用Ansys仿真解决方案，Magma工程师正在通过虚拟模型对结构测试进行数值仿真。这些结果随后被用于再现实际使用寿命载荷组合。因此，Magma Global可以在整个设计周期内（包括停止运行阶段）快速得到超出客户要求的合格产品。
利用Ansys Workbench进行数值仿真，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。他们可以运行大量FEA迭代来验证M管的结构完整性。物理测试的次数已显著减少；现在，物理测试的唯一目的是确认仿真结果。此外，每项物理测试也经过应变测量，以便将结果与数值模型相关联。
管体复合材料层压板示例
利用仿真估算M管的使用寿命，我们让客户对其产品更有信心。他们不仅共享结构分析结果，包括应力和应变图，而且还与挪威船级社(DNV)进行交流，以便获得船级社批准。仿真有助于Magma生产出石油和天然气领域中最坚固可靠的热塑性复合材料管道。尽管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工作条件。这有助于降低产品成本，使企业能够在与其他供应商的竞争中立于不败之地。
Magma的CAE流程
虽然复合材料管道的概念看似相对简单，但在实际过程中，数值模型却非常复杂。层压材料可包含超过50层，每一层的方向都是为了优化结构性能，同时还要达到制造参数要求。金属端接头固定在管道的任一端，以便与第三方设备实现牢固连接。在分析流程中，工程师对产品的使用寿命（包括存储、运输、测试、安装和运行）进行了仿真。
第一步通常是使用Orcaflex（面向海底系统的动态分析软件）进行研究，以确定系统的全局响应。提取局部力和力矩，并将其应用于管体和端部接头FEA模型。此外，Orcaflex还可用于对Magma现场周围管道的转运作业（从制造卷盘卸到存储卷盘上，或进行提吊作业）进行仿真。
管体有限元分析
我们开发了专属的管体“Magma Ansys前处理与后处理器”(MAPPS)接口，该接口通过Microsoft Excel接口驱动，以便创建Ansys参数化设计语言(APDL)脚本。MAPPS可为Magma的所有工程师（即使是没有深入了解Ansys软件的工程师）提供一款易于使用的设计工具。
工程师需要输入以下参数：
管道几何形状
单元密度
层结构：厚度和方向
层压板堆积
外部载荷（压力、轴向力、弯矩等）
根据上述数据，工程师就可以使用具有二次行为的20节点分层单元创建3D FEA模型，这是较厚的复合材料建模所必需的。MAPPS还允许输入单独的层属性，并检索应力与应变结果。
层材料属性对于任何复合材料模型而言，都很关键。我们已经完成了大量的物理测试，从而获得了这些信息，而它们构成了仿真模型的基础。每次仿真都在专用的分析服务器上运行，只需几秒钟即可完成，这样可以使用我们的MAPPS结果图形界面快速优化层压结构。
管体按照DNV-ST-F119和DNV-ST-C501规范、并采用极限状态设计方法进行设计。此方法可评估以下三种失效机制：
基于总应变的纤维主导层失效
轴向载荷作用下的管体失效
管体因弹性屈曲而坍塌
端部接头CAD几何形状示例
由于M管复合材料层压板由许多不同角度和材料特性的薄板组成，单独对它们进行评估可确保不会超过各种失效指标。Ansys Workbench具有高效的后处理工具，可帮助实现上述目标，这些工具包含以下失效检查：最大应变、最大应力、Tsa-Wu、Tsai-Hill、Hashin、LaRC、Cuntze。
我们使用最大应变失效准则，仔细评估每层沿管道长度和层压板厚度方向的纤维和基质。我们还将组件结果朝着管道系统轴的方向，以便确定轴向、环向和径向值。
端部接头有限元分析
端部接头装配体由超级双相不锈钢制作而成，这种材料广泛用于海底设备。端部接头包括一组同心组件，这些组件会产生径向压缩力，将管体夹在中间，无需使用螺栓或进行销钉连接（那样会影响层压材料的完整性）。
我们基于设计团队提供的计算机辅助设计(CAD)几何结构创建FEA装配体模型，并使用该模型进行结构分析。然后，使用Ansys SpaceClaim轻松去除螺纹、非关键孔和小混合半径等细微特征。
为了施加外部载荷，端部接头FEA模型包括了管体的一部分。这通常需要在端部接头接口外延长5倍的管道外直径，以便消除任何端部效应。敏感度分析可确保关键区域（例如应力集中区域）的单元密度是足够的。我们检查了单元质量（即体积与边长的比值），以保持其最小值为0.2。
端部接头按照DNV-OS-F101第F100节的规范进行设计，其要求机械连接器按照ASME VIII第2部分的规范进行设计。为了验证端部接头的设计，应进行以下设计检查：
防止塑性塌陷
防止局部失效
根据DNV–RP–F112防止氢致应力开裂 (HISC)
为了对端部接头装配体的载荷路径进行准确仿真，我们确定了各个组件之间的接触，包括摩擦影响。为超级双相材料定义了应力-应变曲线，包括温度影响。再与接触结果相结合，分析包括非线性材料与几何形状的影响。
为了表示每种工作条件，我们将顺序载荷组合作为一系列非线性步骤施加到FE模型。这可以增加多达10个载荷步骤，包括热膨胀、压力、轴向张力与弯矩。
由于操作人员不断提高端部接头FEA模型的精度水平，复杂性和求解时间都相应增加。为了尽量减少这种情况，操作人员优化了Ansys求解器参数和CPU内核。
端部接头应力示意图
作为详细ASME完整性检查的一部分，操作人员从FEA模型中提取了所有载荷组合中的组件应力与应变。这包括冯米斯应力、等效塑性应变和等效塑性应变与三轴应变的比值。为了评估防止氢致应力开裂 (HISC)的保护措施，操作人员进行了两次深入的应变检查，其中包括使用Workbench中的线性化技术提取组件壁厚的平均应变值。
展示虚拟结果有助于操作人员了解M管的表现。我们的分析提供了清晰、简明的信息，便于各方轻松理解。结果是风险变小了，同时客户参与度更高，信心也更足。
