基于ALE方法分析拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)海底管道影響

葉彬彬，余建星，趙羿羽，曾華章，張　欣，孟慶龍

基于ALE方法分析拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)海底管道影響

葉彬彬，余建星，趙羿羽，曾華章，張欣，孟慶龍

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

在拖網(wǎng)板的海底拖網(wǎng)作業(yè)中，可能會(huì)對(duì)海底管道造成破壞。在ANSYSLS-DYNA中建立拖網(wǎng)板、管道、水域、曳綱的拖扯模型，利用ALE方法考慮海底水域與拖網(wǎng)板的耦合作用，得到管道在拖扯過程中所受到的載荷，并與DNV-RP-F111規(guī)范中推薦計(jì)算公式相比較。研究表明：在拖網(wǎng)作業(yè)中，海底管道懸跨高度對(duì)管道的損傷影響明顯，而碰撞角度的影響可忽略不計(jì)。因此，在工程實(shí)際中應(yīng)盡量避免管道出現(xiàn)自由懸跨段。

海底管道；拖網(wǎng)作業(yè)；影響；分析

隨著海上油氣田開發(fā)工作的不斷深入，如何保證海底管線在服役期間的可靠性是在海底管線的設(shè)計(jì)、鋪設(shè)、檢測(cè)、維護(hù)以及運(yùn)行中非常重要的課題之一。在不斷改進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的同時(shí)，研究人員開始關(guān)注由各種不確定因素導(dǎo)致的管線事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，第三方破壞與腐蝕是導(dǎo)致海管故障的最主要因素［1-4］。

海底管道受到第三方破壞的后果較為嚴(yán)重。拋錨、拖網(wǎng)等碰撞損傷會(huì)引發(fā)海管斷裂，并導(dǎo)致油氣泄漏，給周圍海域的海洋環(huán)境帶來極大影響。同時(shí)，更換管道期間又必須停產(chǎn)，清淤工作、更換管道、停產(chǎn)都會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

在第三方活動(dòng)中，海底拖網(wǎng)作業(yè)設(shè)備造成的載荷可能會(huì)對(duì)海底管道產(chǎn)生破壞，載荷主要有瞬間沖擊載荷以及后續(xù)拖拽載荷2種。此外，拖網(wǎng)設(shè)備的勾扯可能會(huì)對(duì)海底管道產(chǎn)生較大的載荷。因此，研究拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)管道的影響具有十分重要的意義。

在如今的拖網(wǎng)作業(yè)研究中，大多數(shù)沒有完整考慮海水流體對(duì)拖網(wǎng)作業(yè)的影響，通常是簡(jiǎn)化處理。由于流體與管道和拖網(wǎng)板之間會(huì)產(chǎn)生耦合作用，因而流體的影響是不能忽略的。本文采用的ALE算法，真實(shí)模擬了海底拖網(wǎng)作業(yè)的過程，對(duì)于工程實(shí)踐具有重要意義。

1　拖網(wǎng)作業(yè)原理及海底管道受力

1．1 拖網(wǎng)設(shè)備與海底管道的相互作用

當(dāng)拖網(wǎng)設(shè)備橫向穿越管線時(shí)，相互作用類型可分為沖擊和拖扯，特殊情況下會(huì)出現(xiàn)勾扯的情況［5-6］。

1） 撞擊。初始階段是拖網(wǎng)板，梁托或者配重塊撞擊的管道，這個(gè)瞬間一般只持續(xù)1／1 000 s，管道（包括任何保護(hù)層或者電纜保護(hù)設(shè)施）外層抵抗外力。

2） 拖扯。拖網(wǎng)板、梁托或者配重塊與海底管道相互作用的第2階段。持續(xù)時(shí)間從1～10 s不等，取決于當(dāng)?shù)厮?，管道懸跨高度等因素。此時(shí)管道會(huì)整體響應(yīng)。

3） 勾扯。拖網(wǎng)設(shè)備卡在管道底下時(shí)的情況，這是極少發(fā)生的偶然狀況，屬于發(fā)生在管線上的極端狀況，勾扯力可能達(dá)到使曳綱斷裂的程度。

本文主要研究拖網(wǎng)作業(yè)的第2個(gè)過程，即拖扯對(duì)管道的作用。

1．2 常用拖網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1是典型的拖網(wǎng)板設(shè)備，拖網(wǎng)過程中，拖網(wǎng)板使得網(wǎng)袋保持張開狀態(tài)，通常這種拖網(wǎng)板在海床上進(jìn)行拖拽，對(duì)海底管道會(huì)產(chǎn)生威脅。

圖1　典型拖網(wǎng)板設(shè)備

圖2是典型的桁拖設(shè)備，在拖曳過程中其通過橫梁使得自身網(wǎng)袋保持張開狀態(tài)，在橫梁的兩端各有一個(gè)梁托，梁托鋒利的邊緣和較大的動(dòng)能對(duì)管道會(huì)造成直接的威脅。我國(guó)東海海域使用的一種桁桿拖網(wǎng)作業(yè)方式，其主要依靠桁桿（空心圓管，代表性尺寸為直徑330 mm，長(zhǎng)約40 m）和沉子綱的聯(lián)合作用下來?yè)伍_漁網(wǎng)?？招墓苤瞥傻蔫鞐U兩端封閉，在水中受到的浮力大于自身重力，再捕撈作業(yè)中起到上浮作用，使?jié)O網(wǎng)向上張開。桁桿掛有鐵鏈、混凝土塊等重物，連接漁網(wǎng)下沿，其重力保障桁桿總體不會(huì)浮上水面。當(dāng)桁桿拖網(wǎng)在海底附近捕撈時(shí)，桁桿靠近海底，易撞擊海底工程設(shè)施，造成結(jié)構(gòu)破壞。

圖2　典型的桁拖設(shè)備

圖3中所示為雙拖設(shè)備，配重塊的質(zhì)量一般都會(huì)達(dá)到2～9 t，其撞擊能和拖拽載荷比拖網(wǎng)板和桁拖設(shè)備要大。在設(shè)計(jì)中，一般都會(huì)使用一系列球形或圓柱形的拖曳設(shè)備，雙拖設(shè)備一般不用在工業(yè)捕魚業(yè)，而在消費(fèi)捕魚中進(jìn)行使用。

圖3　典型的雙拖設(shè)備

1．3 拖扯分析

本文以拖網(wǎng)板為例進(jìn)行拖扯模型分析。拖扯分析是為了對(duì)當(dāng)拖網(wǎng)板拉過或者強(qiáng)力穿越管道時(shí)管道整體的響應(yīng)進(jìn)行分析，這種情況下，管道有可能受到很大的水平或豎直方向的力。

拖扯取決于4個(gè)關(guān)鍵因素：

1） 自由懸跨的長(zhǎng)度、高度和兩端支撐條件。

2） 有效的軸向力。

3） 管道橫向曲率。

4） 橫向或軸向的支持或限制條件。

所有相關(guān)的非線性效應(yīng)都應(yīng)予以考慮。主要包括4種：

1） 有效的軸向力的屈曲影響。

2） 幾何剛度大位移。

3） 土壤阻尼效應(yīng)。

4） 材料非線性行為。

1.4 DNV-RP-F111規(guī)范關(guān)于拖扯過程的計(jì)算

拖網(wǎng)板設(shè)備施加到管道的最大水平載荷為

對(duì)于多元板：

H是無量綱高度：

式中：u是拖曳速度；mt是拖網(wǎng)板質(zhì)量；kw是托網(wǎng)線剛度；Hsp是懸跨高度（對(duì)于半埋和全埋情況無意義）；OD包括保護(hù)層的管道外徑；B是拖網(wǎng)板半高。

對(duì)于不確定的情況，懸跨高度應(yīng)該取保守值（如果測(cè)量不準(zhǔn)確）。規(guī)范中，基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)并不包括全埋或半埋管道拖網(wǎng)載荷情況。對(duì)于半掩埋或溝槽掩埋的管道，在拖扯載荷的計(jì)算中，可以通過指定一個(gè)負(fù)懸跨高度Hsp來處理。

對(duì)于拖網(wǎng)板來說，其垂直向下的作用力的最大值為（多元板和傳統(tǒng)拖網(wǎng)板）：

托網(wǎng)線的剛度kw，可以通過公式kw＝EAw／Lw求出，EAw是托網(wǎng)線的軸向強(qiáng)度，Lw是其長(zhǎng)度。在沒有具體信息的情況下，單根線（例如直徑為?32～?38 mm）的剛度為

式中：Lw是托網(wǎng)線的長(zhǎng)度，m，通常托網(wǎng)線的長(zhǎng)度是2．5～3．5倍的水深。在淺水區(qū)域繩的長(zhǎng)度相對(duì)更長(zhǎng)一些（即2．5倍是深水區(qū)時(shí)的取值）。通常桁拖作業(yè)使用的托網(wǎng)線為2～3根?32 mm合成的網(wǎng)線。

2　有限元分析

2．1 建立模型

采用有限元軟件ANSYS LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算分析［7-8］。整體模型如圖4所示。分別建立水域流場(chǎng)、拖網(wǎng)板、曳綱、管道和管道外混凝土配重層，如圖5～7。管道尺寸如表1所示。拖網(wǎng)板長(zhǎng)度為2．1 m，寬度為1．4 m，厚度取為0．1 m。曳綱長(zhǎng)度為300 m。管道、管道外混凝土配重層、拖網(wǎng)板、水域均采用solid164單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，而曳綱則采用link167單元進(jìn)行劃分。

圖4　整體模型網(wǎng)格

圖5　水域示意

圖6　管道與混凝土配重層示意

圖7　拖網(wǎng)板網(wǎng)格

模型中管道2端采用固支約束，通過給曳綱端點(diǎn)施加恒定速度1．8 m／s進(jìn)行拖曳，采用顯式動(dòng)態(tài)分析歩計(jì)算，最后輸出管道所受到的接觸力。在本文中，為考慮管道懸跨高度對(duì)管道受力的影響，分別模擬計(jì)算了懸跨高度為0、0．1、0．2、0．3、0．4、0．5、0．6和0．7 m以及撞擊角度為0、5、10、15、20、25、30 和35°的情形，即總共64組模擬情形。

在分析拖扯過程時(shí)，采用ALE（Arbitrary Lagrange—Euler）方法，用歐拉單元模擬海底的水域情況，并用拉格朗日網(wǎng)格劃分管道、拖網(wǎng)板和曳綱，最后采用耦合算法，綜合考慮水域?qū)ν铣哆^程的影響［9-11］。

ALE算法兼具Lagrange方法和Euler方法二者的特長(zhǎng)，即首先在結(jié)構(gòu)邊界運(yùn)動(dòng)的它引進(jìn)了Lagrange方法的特點(diǎn)，因此能夠有效地跟蹤物質(zhì)結(jié)構(gòu)邊界的運(yùn)動(dòng)；其次在內(nèi)部網(wǎng)格的劃分上，它吸收了Euler的長(zhǎng)處，即是使內(nèi)部網(wǎng)格單元獨(dú)立于物質(zhì)實(shí)體而存在，但它又不完全和Euler網(wǎng)格相同，網(wǎng)格可以根據(jù)定義的參數(shù)在求解過程中適當(dāng)調(diào)整位置，使得網(wǎng)格不致出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變。

表1　管道參數(shù)

2．2 分析結(jié)果

根據(jù)DNV-RP-F111規(guī)范計(jì)算最大水平方向力和豎直方向力隨懸跨高度的變化趨勢(shì)。如圖8。由圖8可以看出，DNV規(guī)范中，隨著懸跨高度的增大，水平方向與豎直方向的接觸力均逐漸增大，且水平接觸力的增加幅度明顯大于數(shù)值方向接觸力。在懸跨高度為0時(shí)，豎直方向最大接觸力將近水平最大接觸力的1／2，但隨著懸跨高度的增加，水平力與豎直力的差值不斷增大。

圖8　不同懸跨高度下水平和豎直接觸力DNV規(guī)范值比較

分別將64組有限元模擬結(jié)果整理可得圖9～10。圖9為不同懸跨高度下管道所受水平接觸力有限元模擬值與規(guī)范值的比較，圖10為不同懸跨高度下管道所受豎直接觸力有限元模擬值與規(guī)范值的比較。通過查看ANSYS LS-DYNA軟件最終輸出的沙漏文件可知，沙漏能所占總能量不足5%，滿足工程要求，因而可認(rèn)為模擬結(jié)果是可信的。

圖9　不同懸跨高度下水平接觸力有限元模擬值與規(guī)范值的比較

圖10　豎直力隨懸跨高度變化

3　結(jié)論

1） 在不同的拖曳角度下，拖曳力是隨著懸跨高度的增加而增加，其中水平方向接觸力增加顯著，豎直接觸力變化程度較微弱，且與規(guī)范值相比要小得多。

2） 對(duì)于水平方向上的力，在懸跨高度為0 m時(shí)較小。當(dāng)增加懸跨高度至0．1 m后，水平力大小有明顯的增大，尤其是懸跨高度為0．2 m時(shí)，有限元結(jié)果所得到的最大水平接觸力接近于規(guī)范值。當(dāng)繼續(xù)增加懸跨高度后，水平方向最大接觸力大致上還是發(fā)生增大的。通過有限元模擬而得到的結(jié)果均比規(guī)范要小，因而驗(yàn)證了規(guī)范是保守的。

3） 拖曳角度對(duì)拖網(wǎng)作業(yè)中的拖扯過程影響較小，可不作具體考慮。

4） 懸跨高度因子對(duì)拖扯過程的影響顯著，因而在工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)盡量避免自由懸跨段的出現(xiàn)。合理、有效地進(jìn)行海底管道運(yùn)行期間的實(shí)際埋深后勘查工作，以保證海底管道能正常工作。

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PerformanceofInterferencebetweenSubmarine PipelineandTrawlingBasedonALEMethod

YEBinbin，YUJianxing，ZHAOYiyu，ZENGHuazhang，ZHANGXin，MENGQinglong
（StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety，TianjinUniuersity，Tianjin300072，China ）

During the pull over of the trawling of trawl boards，the pipelines may be damaged．It was based on the finite element software ANSYS LS-DYNA to module trawl board，pipeline，deep sea and warp line．The ALE（Arbitrary Lagrange and Euler）method was used to module the coupling of deep sea and trawl board and compute the maximum pull over loads on the pipe．Then the conclusion by comparing the results from ANSYS LS-DYNA with DNV-RP-F111 could be made．Based on the result of this study，it is concluded that the height of the free span has a significant influence on the damage of pipeline，while the angle of impact has little to do with pipeline’s damage．Therefore，it is important to avoid the free span in the engineering practice．

submarine pipeline；trawling；influence；ananlysis

TE952

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．002

1001-3482（2015）02-0005-05