基于能量法的跨航道海底管線抗落錨實(shí)驗(yàn)研究

雷震名，譚紅瑩，龔海潮，王文亮，馬坤明，張萌萌，雷林

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300451；3.天津大學(xué)，天津300072）

基于能量法的跨航道海底管線抗落錨實(shí)驗(yàn)研究

雷震名1，譚紅瑩1，龔海潮2，王文亮1，馬坤明1，張萌萌3，雷林1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300451；3.天津大學(xué)，天津300072）

隨著跨航道海底管線應(yīng)用越來越普遍，航道、水港等海域的拋錨作業(yè)對(duì)海底管道帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)問題越來越引起人們的關(guān)注。文章針對(duì)海底管道堆石保護(hù)方法，通過模擬實(shí)驗(yàn)研究了拋錨作業(yè)過程中海底管道的應(yīng)力狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行了損傷分析。通過繪制不同影響因素下管道變形的對(duì)比曲線，研究了覆蓋石材、拋錨速度、埋深等因素對(duì)管道損傷的影響，并基于正交試驗(yàn)原理分析了不同影響因素對(duì)海底管道響應(yīng)的敏感性。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)DNV RP?F107中的能量計(jì)算方法研究了不同影響因素對(duì)海底管道響應(yīng)的工況，分析得出管道的最小推薦設(shè)計(jì)埋深。

能量法；海底管道；拋錨作業(yè)；堆石保護(hù)；損傷分析

隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，海底管道得到了更為廣泛的應(yīng)用。它具有輸送油氣量大、高效快捷、經(jīng)濟(jì)安全等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在檢查維護(hù)不方便、維修復(fù)雜困難等缺點(diǎn)。近些年跨航道的海底管道鋪設(shè)越來越多，拋錨作業(yè)給管道造成的威脅尤為突出。在以往的跨航道海底管道設(shè)計(jì)中，常常采用堆石保護(hù)或者深埋的方法來保護(hù)海底管道，但是遇到鋪設(shè)路線長(zhǎng)和航道較寬的情況，仍采用這種設(shè)計(jì)方法就會(huì)大大增加工程成本造成浪費(fèi)。由于缺乏全面的設(shè)計(jì)理論，采用當(dāng)前國(guó)內(nèi)工程界所確定的跨航道海底管道埋深設(shè)計(jì)方法存在風(fēng)險(xiǎn)，急需一種定量的分析方法，以解決管道穿越航道的問題［1-2］。

原型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)反應(yīng)實(shí)際情況的工作狀態(tài),對(duì)于評(píng)價(jià)實(shí)際管道的鋪設(shè)質(zhì)量,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)理論都比較直接可靠,但是原型試驗(yàn)存在費(fèi)用大、檢測(cè)條件差等問題很難實(shí)際操作，而采用數(shù)值模擬分析如砂土、碎石保護(hù)層等非連續(xù)介質(zhì)、非線性、各向異性結(jié)構(gòu)時(shí)存在不少困難，因此本文采用縮尺模型試驗(yàn)可以清晰、直觀地展示各種工況下整個(gè)結(jié)構(gòu)受沖擊荷載作用變化的全過程。選取SUS304不銹鋼管來模擬實(shí)際工程中的鋼管，由于實(shí)際工程中的管道很長(zhǎng)，受沖擊荷載作用時(shí)，管道兩端的變形很小，所以實(shí)驗(yàn)中的管道采用只約束軸向變形的邊界條件?？s尺模型中選用實(shí)際工程中的海砂作為實(shí)驗(yàn)材料，堆石保護(hù)層選取實(shí)際工程中常用的邊坡比，并運(yùn)用能量法對(duì)海底管道在拋錨過程中管道吸收的能量、保護(hù)層耗散的能量和撞擊損耗的能量做了進(jìn)一步計(jì)算。同時(shí)還通過正交試驗(yàn)原理分析了不同影響因素對(duì)沖擊荷載作用下海底管道的敏感性。從而得出了較為合理的管道推薦設(shè)計(jì)埋深。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試裝置

為了研究堆石保護(hù)結(jié)構(gòu)中海底管道受拋錨沖擊荷載作用下附加應(yīng)力的影響，自主開發(fā)設(shè)計(jì)出一套落錨試驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括垂直拋錨架、模型槽、不同尺寸的霍爾錨、鋼管、海砂和碎石等。實(shí)驗(yàn)用錨選取不銹鋼材質(zhì)，以原型錨為基準(zhǔn)按照20：1和25∶1的比例縮尺，錨的質(zhì)量分別為4.2 kg和1.25 kg，錨桿的最大轉(zhuǎn)角為42°。模擬的海底管道由SUS304不銹鋼管制成，一根為拋錨的工作管，一根為溫度補(bǔ)償管。其基本尺寸為管長(zhǎng)L=465mm,外徑D=63mm，壁厚t=1mm。鋼管上布置電阻式應(yīng)變片傳感器，它可同時(shí)測(cè)試鋼管上環(huán)向和軸向的應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)的測(cè)試裝置主要包括高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和電阻式應(yīng)變片傳感器。

2 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試參數(shù)

（1）測(cè)試參數(shù)。①測(cè)量不同埋深、拋錨高度、錨重條件下，沖擊荷載對(duì)海底管道的響應(yīng)情況。②測(cè)量不同的堆石保護(hù)材料在（1）中各影響因素下沖擊荷載對(duì)海底管道的損傷程度。③模擬海洋環(huán)境下（其他的條件與（1）中相同），不同水深對(duì)受沖擊荷載作用管道的影響程度。

（2）實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)法，即采用高頻動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)記錄鋼管在受沖擊荷載作用下的應(yīng)變過程。從而得出鋼管環(huán)向和軸向的最大應(yīng)變值，并觀測(cè)得到鋼管最大應(yīng)變分布位置。從應(yīng)變時(shí)程波形圖中還可得知沖擊荷載的作用時(shí)間及管道不同位置的應(yīng)變變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，采用倒梯形保護(hù)結(jié)構(gòu)，并用碎石、細(xì)砂等作為分層保護(hù)材料。通過關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析，如拋錨高度、埋深、保護(hù)層材料，進(jìn)行不同拋錨條件和工況下的對(duì)比分析。

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 不同拋錨高度下管道受沖擊荷載的影響

從圖1中可見垂直拋錨過程中，管道環(huán)向的應(yīng)變比軸向的變化大。隨著拋錨高度的增加，位于碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼管應(yīng)變?cè)龃蟆ｋS著埋深的增加，鋼管的應(yīng)變幅值變小。而在細(xì)砂保護(hù)結(jié)構(gòu)中，鋼管對(duì)拋錨高度的敏感性降低，可見細(xì)砂保護(hù)結(jié)構(gòu)受力均勻、傳力穩(wěn)定，能量向四周穩(wěn)定耗散。由此表明在確定分層回填結(jié)構(gòu)時(shí)，上層宜采用大粒徑的石塊保護(hù)，下層緊貼管道處宜采用細(xì)砂回填。從圖中還可得知隨著拋錨高度的變化，鋼管的應(yīng)變方向可能改變，并非一致受拉或一致受壓，可能由壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變。這與實(shí)驗(yàn)多次重復(fù)測(cè)試，保護(hù)層的松軟密實(shí)程度發(fā)生變化等因素有關(guān)。

圖1 海底管道在不同拋錨高度下的響應(yīng)Fig.1 Response of the subsea pipline under different anchor heights

3.2 不同保護(hù)結(jié)構(gòu)下管道受沖擊荷載的影響

如圖2所示不同粒徑級(jí)配的保護(hù)層對(duì)管道應(yīng)變影響較大。從管道環(huán)向應(yīng)變變化情況可知，碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值相對(duì)變化較小，說明保護(hù)結(jié)構(gòu)吸收的能量多，對(duì)鋼管的保護(hù)效果較好；小碎石的應(yīng)變變化幅值相對(duì)較大，受拋錨高度因素影響也大，對(duì)鋼管的保護(hù)效果相對(duì)更差。從而說明在管道回填時(shí)選用大粒徑的塊石保護(hù)效果更好。對(duì)于環(huán)向應(yīng)變，隨著拋錨高度的增加，保護(hù)層粒徑級(jí)配的不同對(duì)管道應(yīng)變的影響變小，說明拋錨高度對(duì)管道受沖擊荷載作用的影響較小。

圖2 海底管道在不同粒徑級(jí)配保護(hù)層下的響應(yīng)Fig.2 Response of the subsea pipeline under protection by rockfill

對(duì)于不同比尺的試驗(yàn)，當(dāng)管道埋深較淺時(shí)，鋼管軸向應(yīng)變隨拋錨高度的增大而減小，總體趨勢(shì)為軸向應(yīng)變較環(huán)向應(yīng)變更小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，管道的埋深對(duì)細(xì)砂的應(yīng)變影響較小，說明在管道附近保護(hù)結(jié)構(gòu)粒徑較為均勻且較小時(shí)保護(hù)效果好，混凝土這種材料包裹在管道周圍能起到與細(xì)砂近似的保護(hù)效果，可避免受沖擊荷載作用時(shí)較大粒徑的碎石損壞管道，且還能起到增加管道配重的效果。當(dāng)管道埋深變淺，隨拋錨高度增大，保護(hù)層石塊的粒徑越大鋼管的應(yīng)變也越大，即管道屈曲和破壞的風(fēng)險(xiǎn)加大了。因此，海洋工程中采用合理的粒徑級(jí)配、深埋的方式對(duì)海底管道進(jìn)行保護(hù)。

3.3 不同水深受拋錨高度的影響

為了更好的反映實(shí)際工程中海底管道所處的海洋環(huán)境，選取剛淹沒海床的水深、高于海床表面50mm的水深和高于海床表面100mm的水深進(jìn)行測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果得知鋼管的應(yīng)變趨勢(shì)和不加水的工況保持一致。隨著水深和埋深的增大，鋼管的應(yīng)變變小，這與干燥環(huán)境的測(cè)試結(jié)果也一致。此外，在水環(huán)境中的鋼管受拋錨高度因素的影響變小。

4 基于能量法分析落錨對(duì)海底管道的影響

拋錨作業(yè)對(duì)海底管道的作用機(jī)理較為復(fù)雜，需考慮錨的形狀、撞擊速度、管道埋深等多種因素的影響。目前，國(guó)際工程界尚未明確給出海管埋深的具體計(jì)算公式。根據(jù)DNV RP-F107［3-5］規(guī)范，考慮最不利工況，采取能量法分析落錨對(duì)海底管道的影響，進(jìn)而研究海底管道的埋深問題。

4.1 錨的沖擊總能量

對(duì)于50m以上水深海域，錨在撞擊海管前會(huì)達(dá)到下沉的極限速度，此時(shí)錨的重力與排出水的體積和流動(dòng)阻力達(dá)到平衡狀態(tài)。錨在下沉達(dá)到受力平衡方程式為

錨實(shí)際撞擊的能量除了考慮達(dá)到極限平衡狀態(tài)的動(dòng)能外，還要考慮附加水動(dòng)力的影響，因此，實(shí)際撞擊的總能量為

式中：m為錨的質(zhì)量，kg；V為錨的體積，m3；g為重力加速度，m/s2；ma為附加的質(zhì)量，kg，ma=ρwaterCaV；A為錨在下沉方向上的投影面積，m2；vT為錨在水中的極限速度，m/s；Cd，Ca為錨的阻力系數(shù)附加的質(zhì)量系數(shù)，分別取0.6和1.0。

在實(shí)驗(yàn)中由于考慮了保護(hù)層的作用，所以錨撞擊海管的實(shí)際能量為E0=EE-EP

（3）

4.2 保護(hù)層吸收的能量

為了避免海管受墮落物、拋錨、拖錨等的損壞，在管道上覆蓋保護(hù)層一定程度上可減小損害。沙礫保護(hù)層吸收的能量為

式中：γ′為填埋材料的有效單位重力，kN/m3，取11 kN/m3；D為海管的直徑/m；AP為海管的投影面積，m2；z

為貫入深度，m；Nγ,Nq為承載系數(shù)，取Nγ=137,Nq=99。

4.3 海管在沖擊荷載作用下凹坑的吸收能

鋼質(zhì)海管在垂直沖擊荷載的作用下吸收的能量為

式中：mp為管壁的塑形彎矩為屈服應(yīng)力，MPa；δ為管的變形凹坑深度，m；t為海管壁厚，m；D為海管外徑，m。

4.4 用能量法分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)DNV RP-F107中的能量計(jì)算方法研究了不同影響因素對(duì)海底管道響應(yīng)的工況，實(shí)驗(yàn)過程中所用的特征參數(shù)如下：（1）錨重：4.2 kg/1.25kg；（2）海管外徑：63mm；（3）海管壁厚：1mm；（4）海管的屈服應(yīng)力：205mPa；（5）拋錨下落高度：1.3m/1.1m/0.8m。根據(jù)規(guī)范中的公式計(jì)算結(jié)果E比E0大，說明規(guī)范中的計(jì)算公式偏于保守，而且碎石的儲(chǔ)備能量比細(xì)砂大很多，海管在受到?jīng)_擊荷載作用下碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果較好。通過圖3和圖4中的E-E0項(xiàng)對(duì)比可知深埋對(duì)海管的保護(hù)作用較好。

圖3 海管埋深160mm大錨受沖擊荷載作用能量分析Fig.3 Big anchor impact energy analysis for the subsea pipeline with 160mm burial depth

圖4 海管埋深120mm大錨受沖擊荷載作用的能量分析Fig.4 Big anchor impact energy analysis for the subsea pipeline with 120mm burial depth

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1Experiment factor

表2 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果及極差標(biāo)準(zhǔn)差分析表Tab.2Result of experiment factor sensitivity analysis

5 正交試驗(yàn)分析

前文已經(jīng)對(duì)海底管道受沖擊荷載作用的影響因素逐一進(jìn)行了討論，但是僅分析特定條件下的單因素對(duì)管道的損傷影響是不夠的，為了進(jìn)一步了解拋錨過程中不同影響因素對(duì)海底管道的影響程度，以正交性試驗(yàn)原理為基礎(chǔ)，對(duì)研究對(duì)象多因素、多水平的情況進(jìn)行搭配，從而得出對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大的因素。本實(shí)驗(yàn)采用L12(3×23)正交表分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果［6］，選取海底管道受沖擊荷載作用后產(chǎn)生的應(yīng)力值作為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)因素包括：海管的埋深、錨的質(zhì)量、拋錨高度、保護(hù)層材料。正交試驗(yàn)因素水平如表1所示，參數(shù)敏感性分析結(jié)果如表2所示。

從表2可以得出在四因素三水平和二水平下，參數(shù)敏感性由大到小為：錨的質(zhì)量、保護(hù)層材料、海管的埋深、拋錨高度。此結(jié)論可為實(shí)際工程中填埋管道提供了參考。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文通過模擬實(shí)驗(yàn)研究了海底管道堆石保護(hù)層抗錨害的能力，從而得出以下結(jié)論：

（1）海底管道的變形受拋錨高度、錨的質(zhì)量、海底管道的埋深、保護(hù)層材料等因素的影響，參數(shù)敏感性由大到小為：錨的質(zhì)量、保護(hù)層材料、海底管道的埋深、拋錨高度。在實(shí)際工程中，可參考參數(shù)敏感性的大小來選取管道鋪設(shè)的最佳方案。

（2）隨著保護(hù)結(jié)構(gòu)顆粒級(jí)配變大保護(hù)層的儲(chǔ)備能量增大，保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)海底管道的保護(hù)能力加強(qiáng)。當(dāng)海底管道受到的沖擊能較大時(shí)，采用增加海底管道的埋深更有效。

（3）通過縮尺模型實(shí)驗(yàn)并與相關(guān)規(guī)范文獻(xiàn)［3，6-7］進(jìn)行對(duì)比分析，建議拋錨作業(yè)繁忙的區(qū)域宜采用顆粒粒徑在0.3～0.5m的保護(hù)層結(jié)構(gòu)，埋置4m以上較合理。雖然大粒徑的碎石相對(duì)小粒徑的碎石和細(xì)砂不夠經(jīng)濟(jì)，但是從保護(hù)效果和維護(hù)的角度考慮是較為合理的。

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Energymethod?based experimental research on crossing sub?sea pipeline protection by rockfill against anchors

LEI Zhen?ming1,TAN Hong?ying1,GONG Hai?chao2,WANG Wen?liang1,MA Kun?ming1, ZHANGmeng?meng3,LEI Lin1
（1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China;2.China National Offshore Oil Corporation,Tianjin 300451,China;3.Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Anchoring operation has impact on the sub?sea pipeline security,which is increasingly concerned at present.In this paper,according to rock armour protectionmethod,anchoring operation′s influence on sub?sea pipe?line in the realmarine environment was experimentally tested.Meanwhile,the response of sub?sea pipeline on an?choring operation was analyzed.Deformation curves of pipeline under different factors were compared.During an?choring operation,the influence of thematerial covering,anchoring speed,buried depth and other factors on the re?sponse of pipeline was researched.The parameter sensitivity ofmechanical damage was analyzed on the basis of the principle of the orthogonal experiment.The degree of damage of the sub?sea pipeline was obtained and themini?mum recommended design buried depth of the pipe was determined by energymethod in DNV RP?F107.

energymethod;sub?sea pipeline;anchoring operation;rock armour protection;damage analysis

P229

A

1005-8443（2015）03-0272-05

2014-10-17；

2015-02-27

雷震名（1986-），男，天津市人，工程師，主要從事海洋工程工作。

Biography：LEI Zhen?ming（1986-），male，engineer.