鋼懸鏈線立管觸地點區(qū)域管土相互作用的有限元分析

王小東,郭海燕,高秦嶺,孟 丹

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島266100)

研究簡報

鋼懸鏈線立管觸地點區(qū)域管土相互作用的有限元分析

王小東,郭海燕,高秦嶺,孟 丹

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島266100)

由于鋼懸鏈線立管具有非線性特性,而海床土體又是軟黏土,因此鋼懸鏈線立管觸地區(qū)域的管土的相互作用十分復(fù)雜。根據(jù)國外相關(guān)試驗數(shù)據(jù),采用ANSYS中的非線性彈簧單元模擬海床土體,考慮海床土體剛度退化和土吸力對管道的作用,建立海底管道擬靜力有限元計算模型,計算分析管道與海床土體的相互作用,并探討管道觸地點區(qū)域關(guān)鍵點在頂端升沉運動下彎矩的變化規(guī)律,為進一步研究SCR與海床的動力相互作用提供參考。

鋼懸鏈線立管(SCR);土體吸力;ANSYS有限元分析

隨著海洋石油天然氣需求量的增加,深海油氣資源開發(fā)中一種新型的立管結(jié)構(gòu)鋼懸鏈線立管(SCR)正被廣泛用于各種深水開發(fā)項目中。

觸地點(TDP)是鋼懸鏈線立管最初與海床接觸部位,是懸垂段和拖地段的連接點,也是發(fā)生疲勞破壞可能性較大的位置。當(dāng)SCR的懸垂段頂端隨上部浮體運動時,其拖地段將與海床土體發(fā)生相互作用。在拖地段的反復(fù)作用下,海床土體將形成溝槽,而溝槽的形成對SCR的拔出平面運動有較大影響。在溝槽形成的過程中,管線的運動將受到土的阻力作用,其中,阻力的大小取決于海底土的剛度,因而海底土剛度對SCR觸地區(qū)域的疲勞壽命有較大的影響[1]。深水油氣田海底土大部分屬于軟質(zhì)黏土(例如墨西哥灣的海底泥線處強度為2.6 kPa,隨深度呈線性增長,增長幅度為1.5 kPa/m),而軟質(zhì)黏土在海底產(chǎn)生的土體吸力嚴重影響海底管線的上拔運動,這雖對管線疲勞損傷的影響較小,但對其極限應(yīng)力的影響較大[2]。海底土吸力的影響因素較多,一般認為與管道拔出的速度、管土反復(fù)作用的次數(shù)以及海底土重塑的時間等因素均有關(guān)系[3]。

關(guān)于SCR中觸地區(qū)域的研究,目前主要是試驗的方法和數(shù)值模擬的方法。JUN G HWAN YOU[4]討論了海床與鋼懸鏈線立管的數(shù)值模型,提出了簡化的彈簧支撐模型;Charles P,Jun Zhang等[5]研究了鋼懸鏈線立管與海床的相互作用,提出了P-y曲線及等價梁-彈簧模型;Bridge C[6]做了管土的試驗并提出了土吸力模型等。這些研究大多假定海底土是線彈性的,實際深水海床土體對管道的作用以非線性模型模擬更合理。本文通過定義合適的土體剛度值,用等效的三折線模型模擬土體并分析管土相互作用,這種簡約模型與實際情況更加接近,可以較好的模擬拖地段在拔起過程中海床土體剛度變化和土吸力對其運動的影響。

1 觸地點的管土相互作用計算模型

深水海洋立管鋪設(shè)在海床上,由于懸垂段頂端隨浮體運動觸地點將與海底發(fā)生相互作用,浮體運動包括浮體的一階運動(平衡位置附近的水平振蕩和升沉運動)、浮體的二階慢漂(Slow drift)運動,前者引起觸地點的改變[7],后者將引起觸地點的高應(yīng)力疲勞循環(huán)[8]。浮體運動下觸地區(qū)域管-土動力相互作用計算十分復(fù)雜,本文主要進行立管在頂端升沉運動下觸地點區(qū)域管土相互作用的擬靜力有限元分析。

1.1 管土相互作用

管道與海床土體豎向相互作用包括管道對土體的加卸載過程;海床土體對管道的抵抗力和吸附作用。本文計算數(shù)據(jù)來源于2001年2H Offshore Engineering在英國Watchet港口進行的關(guān)于SCR與海床相互作用的大尺度二維模型試驗[6],其土體特性類似于墨西哥灣,用于分析深水海床的土體特性以及與管道的相互作用。

KatherineLaver,EdClukey[2]等人根據(jù)STRIDE[9]的試驗數(shù)據(jù)提出海底土體在管道垂向作用下特殊的滯回曲線模型——壓縮—回彈曲線模型(見圖1),土體在初始加載作用下的骨架曲線以及卸載和反向再加載下的滯回曲線,其中Audibert[10]提出土體在管道垂向作用下的滯回曲線可以選用雙曲線模型進行近似模擬。

圖1 管土相互作用曲線(不分離)Fig.1 The curve of pipe and soil interaction(not separate)

1.2 土吸力模型

隨著管道向上運動與土體失去接觸,土體抵抗力消失,在這個過程中,土體對管道產(chǎn)生土吸力,抵抗管道繼續(xù)向上運動?，F(xiàn)有的海床土吸力模型是根據(jù)Watchet港口的模型試驗得出的,其隨SCR相對于海床豎向位移變化的模型見圖2,分為3個線性階段[11]:吸力產(chǎn)生擴大期 隨著管道向上運動土體的抵抗力消失,吸力從0增加到最大值;吸力平穩(wěn)期 隨著管道繼續(xù)向上運動吸力保持不變;吸力消退期 管道繼續(xù)向上運動,吸力由最大逐漸減小,在破壞位置變?yōu)?。

圖2 二維的土吸力模型Fig.2 Two-dimensional soil suction model

土吸力變?yōu)?后,管道運動不受土體的影響。目前對于土吸力形成機理的研究處于起步階段,其卸載模型還不夠完善。

1.3 SCR的管土相互作用計算模型

管道與海床土體在觸地區(qū)域的相互作用包括2部分:管道對海床土體的加卸載部分和管道離開海床時土體的吸力對其產(chǎn)生的反作用力部分。不考慮管道上部浮體升沉運動速度的影響,觸地區(qū)域模擬土體對管道的作用模型簡化為2部分:壓縮區(qū)域土體的模型用Audibert提出的雙曲線模型;拉伸區(qū)域的模型采用土吸力模型。

本文運用ANSYS中的非線性彈簧單元對土體進行模擬,土體的雙曲線模型用基于P-y曲線的等效彈簧系數(shù)來近似模擬,其中壓縮部分中的加載采用等效的三折線代替,根據(jù)文克爾的假定,土體在任意點的反力只與該點的位移成正比;吸力模型部分用與土吸力模型等效的非線性彈簧單元來模擬。等效彈簧的壓縮—拉伸與位移的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 管土相互作用力—位移曲線Fig.3 The curve of force-displacement of pipe and soil interaction

2 有限元建模

采用有限元軟件ANSYS進行建模及力學(xué)分析。其中,彈簧單元用COMBIN39進行模擬;管道用PIPE59單元模擬。PIPE59是ANSYS程序中專門用于模擬浸沒在水中桿件結(jié)構(gòu)的單元,可以較好地模擬海洋波浪、海流對海中桿件的作用。

觸地點區(qū)域管道和土體的建模難度較大,本文將管道和土體在觸地點處分為2部分建立初始模型。圖4為立管及其觸地點的有限元計算模型,其中管道建模時分為初始觸地點D右側(cè)的懸垂段與左側(cè)的拖地段, C,I,J為觸地區(qū)域關(guān)鍵點;C點、I點分別距離D點為6 m;J點距離D點為18 m。懸垂段在接觸到海床面前不受彈簧單元的反力,而拖地段置于一系列非線性彈簧單元上;土體模型對應(yīng)管道模型分為兩部分,D點左側(cè)土體用非線性彈簧單元模擬直接與管道接觸,右側(cè)土體在與管道接觸前不受壓力,當(dāng)管道向下運動到海床面土體開始與管道接觸時,用非線性彈簧模擬土體。拖地段左端O點鉸接,頂端水平方向約束,豎向的荷載通過位移增量法施加升沉運動方式實現(xiàn)。模型中管道單元總數(shù)為220,結(jié)點數(shù)為221;非線性彈簧單元數(shù)為180。

本文管道和土體的數(shù)據(jù)來源于Watchet港口實驗[2],管道參數(shù)見表1、土體參數(shù)見表2。

表1 管道參數(shù)Table 1 The parameters of pipe

表2 土體參數(shù)Table 2 The parameters of soil

圖4 立管及其觸地點的有限元計算模型Fig.4 The finite element calculation model of pipe and the touch down point

3 模型驗證與計算結(jié)果分析

3.1 模型驗證

管道鋪設(shè)在剛性的土體上,此時土體在管道作用下變形很小也不產(chǎn)生土吸力;在管道頂端(自由端)用增量法施加位移,對建立的有限元模型進行擬靜力計算。管道頂端垂向由-0.8 m向上移動到1.5 m,同時水平方向由-0.28 m運動到0.5 m,初始觸底點D及其它觸地區(qū)域關(guān)鍵點在管道頂端運動影響下產(chǎn)生了水平的移動,但是變化很小,最大變化范圍約為0.03 m,而本文中單元大小為0.5 m,因而忽略了節(jié)點水平位移的變化。D點彎矩變化如圖5,其中實線為數(shù)值模擬結(jié)果,虛線為STRIDE III J IP的試驗數(shù)據(jù)圖[6]。

圖5 剛性土體D點處的彎矩變化圖Fig.5 D point bending variation of rigidity soil

由圖可知,隨著頂端向上運動,數(shù)值模擬計算的D點彎矩變化與試驗結(jié)果基本相同。

3.2 土吸力的影響與分析

按照本文建立的模型模擬管土相互作用,土體部分為有土吸力和無土吸力2種情況,用增量法對建立的有限元模型進行計算,管道頂端(自由端)垂向由-0.8 m向上移動到1.5 m處,同時水平方向由-0.28 m運動到0.5 m,節(jié)點的水平位移變化忽略不計。D點處的彎矩變化如圖6(有土吸力)和圖7(無土吸力),其中實線為數(shù)值模擬結(jié)果,虛線是STRIDE III J IP的試驗數(shù)據(jù);圖8為初始觸地區(qū)域關(guān)鍵點J在土體包含土吸力和無土吸力作用的數(shù)值模擬結(jié)果的比較,其中實線為有土吸力作用,虛線為無土吸力作用。

圖6 D點處的彎矩變化圖Fig.6 D point bending variation

圖7 D點處的彎矩變化圖Fig.7 D point bending variation

由圖6和7可知,初始觸地點D處彎矩變化的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合,驗證了用非線性彈簧模擬海床土體的可行性。從圖6中代表包含土吸力作用的實線可知,D點在頂端運動到-0.4 m前彎矩值基本保持不變,當(dāng)頂端運動到0.5 m處時彎矩值逐漸減小到-6.3 kNm,此時的彎矩值約為沒有土吸力作用時的2倍;隨著頂端繼續(xù)向上運動到1.2 m處時彎矩值逐漸增加到-3.6 kNm,之后基本保持不變。圖7中代表不包含土體吸力的實線可知,當(dāng)管道頂端為-0.8 m時D點的彎矩為5 kNm,隨著頂端向上運動D點彎矩逐漸減小;當(dāng)頂端運動到1.0 m處時D點彎矩減小到-3 kNm,之后基本保持不變。

圖8 J點處的彎矩變化圖Fig.8 J point bending variation

由圖8可知,隨著管道從-0.8 m向上移動到1.5 m處,J點處的彎矩變化在土體有土吸力作用和無土吸力作用的數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,其彎矩值在管道頂端移動到0.8 m前基本保持不變,然后逐漸增大,可見遠離觸地點處的土吸力對管道彎矩影響不大。

4 結(jié)語

由于鋼懸鏈線立管具有非線性特性,海床土體又是軟黏土,管土相互作用對觸地區(qū)域關(guān)鍵點的疲勞影響較大。本文用非線性彈簧模擬海床土體,建立管道與土體相互作用模型,用ANSYS有限元計算分析管道觸地區(qū)域各點的彎矩變化,并與國外試驗進行分析比較,探討了土體的非線性特性以及海床土吸力對管道彎矩的影響,驗證了用非線性模型模擬土體的可行性。

由于海床土體大多是軟黏土,在研究管土相互作用時,應(yīng)考慮土體的非線性特性以及土吸力的作用。本文用等價的三折線模型模擬海床土體的非線性特性,可以較好的反映海床土體在管道作用下剛度的變化以及對管道運動的影響。在對比無土吸力和存在土吸力的土體對管道彎矩的影響可知,土吸力對管道運動以及彎矩的變化具有明顯的作用,尤其對觸地區(qū)域的影響比較明顯。

雖然數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較吻合,但是本文并未考慮土體的摩擦系數(shù)對管道彎矩的影響;又由于土體吸力的大小與拖地段的拔出速度以及管土相互作用的次數(shù)、土的重塑時間都有關(guān),因此需要對土體的摩擦系數(shù)以及土體吸力的機理作進一步的研究。

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Abstract: Because steel catenary riser(SCR)has nonlinear characteristics and the seabed soil is soft, SCR/seafloor interaction in the touch down point is very complex.This paper which is based on the related experimental data abroad uses nonlinear spring element of ANSYS to simulate seabed soil,and considers not only the effect of the degradation of stiffness of seabed soil but also the suction effect to the pipe and establishes submarine pipeline’s quasi-static finite element model.By using the model calculating the pipe interaction with the seabed soil,discussing the key points of the touch down region variation of moment under the heave motion and providing quite valuable reference for further dynamic study on the SCR/soil interaction.

Key words: steel catenary riser(SCR);soil suction;finite element analysis(ANSYS)

責(zé)任編輯 陳呈超

Finite Element Analysis of Steel Catenary Riser/seafloor Interaction in the Touch Down Zone

WANG Xiao-Dong,GUO Hai-Yan,GAO Qin-Ling,MENG Dan
(College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

TV312

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-197-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2006AA09Z356);國家自然科學(xué)基金重點項目(50739004)資助

2010-01-20;

2010-06-07

王小東(1983-),男,碩士生。E-mail:wangxiaodong111aa@163.com