基于疲勞壽命的海底管道自由懸跨分析

李秀鋒，馮現(xiàn)洪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

基于疲勞壽命的海底管道自由懸跨分析

李秀鋒，馮現(xiàn)洪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

傳統(tǒng)懸跨分析以不發(fā)生渦激振動和強度極限狀態(tài)為原則確定最大可以接受的自由懸跨長度。隨著水深的增加，懸跨處理的成本急劇增加，以疲勞壽命為準(zhǔn)則可以顯著地增加最大可接受懸跨長度，減少工程費用。介紹了海底管道設(shè)計過程中的懸跨分析方法和懸跨接受標(biāo)準(zhǔn)。提出在設(shè)計階段以疲勞極限狀態(tài)為接受標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合有限元計算進行懸跨分析，可減少懸跨處理量，節(jié)約大量工程費用。

海底管道；自由懸跨; 渦激振動；疲勞極限狀態(tài); 懸跨修正

0 引 言

海底管道的自由懸跨一般由海床的不平整、海床變化(沖刷、沙波)、人工支撐等原因造成。自由懸跨段所受荷載主要由以下幾個方面構(gòu)成：由于自重和海床地形引起的靜態(tài)彎矩，橫流向渦激振動(VIV)，順流向渦激振動，波流組合產(chǎn)生的直接的拖曳和慣性荷載，以及拖網(wǎng)沖擊荷載(如果存在)。在這些荷載的作用下，自由懸跨段可能由于順流向或橫流向的渦激振動引起疲勞破壞，也可能由于超過強度引起強度破壞。一般情況下，設(shè)計時就需要知道在不同工況下允許的最大懸跨，用以指導(dǎo)懸跨處理。

目前國際海洋工程界已經(jīng)普遍接受了基于疲勞壽命的懸跨分析[1]，國內(nèi)學(xué)術(shù)界也已經(jīng)開始了基于疲勞壽命的懸跨研究。王瑋等[2]介紹了基于挪威船級社(DNV)規(guī)范的典型多跨海底管道疲勞壽命，李小超等[3]基于流體力學(xué)計算遠離邊界的管道渦激振動響應(yīng)。海底管道懸跨是靠近海床的，不能忽略邊界的影響，懸跨分析也應(yīng)采用系統(tǒng)完善的方法來指導(dǎo)工程實踐。

海底管道設(shè)計目前使用的規(guī)范主要有DNV-OS-F101[4]、美國機械工程師協(xié)會(ASME)的ASME B31.8(或31.4)[5]和美國石油協(xié)會(API)的API RP 1111[6]。而這些規(guī)范關(guān)于自由懸跨的要求都指向同一個規(guī)范：DNV-RP-F105[7]。

以往國內(nèi)工程界沿用淺水開發(fā)的習(xí)慣，以不發(fā)生渦激振動為接受標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國深水油氣開發(fā)的發(fā)展，這一做法的代價變得非常高昂。本文介紹了海底管道設(shè)計過程中根據(jù)DNV-RP-F105規(guī)范進行的懸跨分析方法和懸跨接受標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合工程實例，介紹了以疲勞極限狀態(tài)為接受標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合有限元計算進行懸跨分析的方法。

1 自由懸跨分析方法

臨時或永久狀態(tài)下海底管道自由懸跨的評估應(yīng)該針對疲勞(疲勞極限狀態(tài))和局部屈曲(強度極限狀態(tài))。由漩渦泄放和直接波浪荷載引起的振動在疲勞壽命以及強度準(zhǔn)則都滿足的條件下是可以接受的。這是DNV-RP-F105規(guī)范有別與以往規(guī)范的區(qū)別之一。該規(guī)范規(guī)定必須進行疲勞校核和極限強度校核，疲勞校核又分為疲勞篩選準(zhǔn)則和疲勞準(zhǔn)則。

1.1 疲勞篩選準(zhǔn)則

疲勞篩選準(zhǔn)則適用于渦激振動和波流聯(lián)合作用引起的疲勞荷載。該篩選準(zhǔn)則通過了詳細的疲勞分析校驗，能夠滿足超過50年的疲勞壽命。使用篩選準(zhǔn)則需要滿足的條件是懸跨段以第一階對稱半波模態(tài)為控制模態(tài)。

順流向篩選準(zhǔn)則如下：

(1)

橫流向篩選準(zhǔn)則如下：

(2)

1.2 疲勞準(zhǔn)則

疲勞準(zhǔn)則的要求如下:

η·Tlife≥Texposure,

(3)

式中：η為許用的疲勞損傷比；Tlife為疲勞設(shè)計壽命；Texposure為使用時間。

疲勞損傷評估基于Palmgren-Miner的累積疲勞損傷原則:

(4)

式中：Dfat為累積疲勞損傷；ni為基于管壁中部應(yīng)力范圍Si的總循環(huán)次數(shù)；Ni為在應(yīng)力范圍Si失效的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。管道的應(yīng)力范圍和疲勞失效循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，也就是S-N曲線，可以參考DNV-RP-C203[8]。

在應(yīng)力范圍S下的失效循環(huán)次數(shù)N根據(jù)S-N曲線定義如下：

(5)

(6)

疲勞設(shè)計壽命Tlife定義如下：

，

(7)

式中：Pi為第i個應(yīng)力循環(huán)的發(fā)生概率；fv為振動頻率。

在順流向和橫流向總的疲勞壽命應(yīng)該按照下式在所有海況下積分。

(8)

(9)

1.3 極限強度準(zhǔn)則

懸跨的極限強度校核要根據(jù)DNV-OS-F101荷載控制的局部屈曲準(zhǔn)則進行。管道受的荷載主要為有效軸向力、內(nèi)外壓、自重引起的彎矩、水動力導(dǎo)致的彎矩以及橫流向和順流向渦激振動引起的彎矩。

波浪和流引起的水動力荷載和渦激振動引起的彎矩可以根據(jù)DNV-RP-F105規(guī)范推薦的方法計算。

1.4 疲勞校核方法的選擇

傳統(tǒng)的自由懸跨校核是控制懸跨長度避免渦激振動發(fā)生，疲勞篩選準(zhǔn)則正是這一理念的延續(xù)，將渦激振動幅值控制在可以忽略的范圍內(nèi)，比較保守地給出允許的懸跨長度，計算分析的工作量比較小，對基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)的需求量也比較小。目前國內(nèi)淺水海底管道設(shè)計基本都在使用疲勞篩選準(zhǔn)則。

疲勞準(zhǔn)則可以根據(jù)具體的疲勞壽命計算出允許的最大懸跨長度。根據(jù)疲勞校核準(zhǔn)則計算出的許用懸跨長度要遠大于疲勞篩選準(zhǔn)則的計算結(jié)果。

在深水油氣開發(fā)中，海底地形比淺水開發(fā)要復(fù)雜得多，由于地形而產(chǎn)生的自由懸跨非常普遍。在復(fù)雜海底地形條件下，懸跨處理需要的工程費用可能對海管路由選擇產(chǎn)生決定性影響，嚴(yán)重時甚至?xí)绊懻麄€項目的工程經(jīng)濟評價。當(dāng)前發(fā)展的趨勢是使用疲勞準(zhǔn)則用于懸跨分析。

1.5 響應(yīng)模型

疲勞校核準(zhǔn)則需要知道不同海況下的渦激振動幅值響應(yīng)，結(jié)合波流作用下的力學(xué)響應(yīng)分析，來計算疲勞壽命。力學(xué)響應(yīng)無論是頻域的模擬和簡化的計算方法都是基于莫里森方程的水動力分析。

渦激振動幅值響應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢詤⒖糄NV RP F105 第4章， 假定最大的穩(wěn)態(tài)幅值響應(yīng)是基礎(chǔ)的水動力和結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。在響應(yīng)模型中，順流向和橫流向分別考慮。 幅值響應(yīng)取決于一系列基礎(chǔ)的水動力和結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)構(gòu)成了環(huán)境數(shù)據(jù)和響應(yīng)模型的聯(lián)系：

(3) 流速占比α。

(4) 相對管道的入射角θrel。

計算換算速度的時候需要知道懸跨的特征頻率，該規(guī)范給出了一階特征頻率的簡化算法，但需要滿足以下條件：懸跨長度小于140倍鋼管外徑；靜態(tài)垂向撓度小于2.5倍最大外徑(含涂層)；有效軸向力小于0.5倍臨界屈服力，避免桿狀屈曲；單一懸跨，沒有臨近懸跨的影響。

在南海深水海管項目中，由于特殊的海底地形和地質(zhì)特點，不滿足上述條件的懸跨比較常見，這時就不能再使用簡化方法計算自振頻率和模態(tài)，需要使用有限元方法計算自振頻率與模態(tài)，并進行多模態(tài)懸跨的疲勞壽命分析。

2 工程分析實例

2.1 項目概況

在南海番禺35-1/2氣田開發(fā)項目中，有一條輸氣管線路由經(jīng)過硬質(zhì)海床區(qū)，海底地形復(fù)雜。根據(jù)海床不平整度分析預(yù)測，將有大量懸跨出現(xiàn)。海底管道的基本參數(shù)如表1所示。

表1 海底管道的基本參數(shù)Table 1 Basic data of subsea pipeline

根據(jù)計算，在滿足1.5節(jié)所列簡化條件時計算出安裝期(鋪設(shè)后試壓前)最大許用懸跨為23 m，許用懸跨的極限條件為140倍鋼管外徑。而根據(jù)圖1所示海底不平整度分析的結(jié)果，整條海管在安裝后有110處超出23 m的懸跨。

如果要處理這些懸跨，在安裝前就需采取拋石、人工支撐或切削海床措施。海底管道的安裝誤差可以控制到±5 m，也就是說，處理的帶寬必須是10 m。而本項目水深在350 m左右，完成這些水下處理需要數(shù)千萬的工程費用。然而如果根據(jù)安裝后調(diào)查的結(jié)果進行后處理，不僅可以減少處理帶寬，也可能因為沉降等原因減少懸跨處理量。這就需要考慮如何減少安裝前的預(yù)處理。

海底管道的安裝期一般只有幾個月時間，接著進行充水、試壓、排水干燥、投產(chǎn)等流程，在安裝期經(jīng)受的疲勞損傷非常有限，所以非常有必要突破規(guī)范規(guī)定的簡化算法的限制條件，而采用有限元法進行自振頻率和模態(tài)分析，再通過規(guī)范進行多模態(tài)響應(yīng)分析。需要說明的是，本項目是國內(nèi)首次在設(shè)計階段使用疲勞準(zhǔn)則進行懸跨分析。

2.2 單一懸跨的疲勞壽命校核

經(jīng)過篩選，選出最大的單一懸跨為94 m。使用ANSYS有限元分析軟件進行模擬，邊界條件定義為一端固定約束一端鉸支，前5階模態(tài)的計算如表2所示。

圖1 海底地形剖面及懸跨長度分布Fig.1 Seabed profile and free span length and location

表2 單一懸跨的模態(tài)計算結(jié)果Table 2 Mode Analysis Results of Single Span

將有限元計算出的模態(tài)信息輸入到疲勞壽命計算程序FATFREE(DNV開發(fā)的商業(yè)軟件)，得出單一懸跨的疲勞壽命為38.3年，而安裝期的時間小于半年，這樣安裝期的懸跨疲勞損傷約為0.013。

對5階以上的模態(tài)也進行了疲勞壽命校核，計算出的疲勞損傷太小，可以忽略不計。

極限強度校核的結(jié)果為：順流向最大校核系數(shù)0.06，橫流向最大0.85，均小于1。因此，最大的單一懸跨在安裝階段是安全的，不需要懸跨預(yù)處理。

2.3 連續(xù)懸跨的疲勞壽命校核

經(jīng)過篩選，選出最大的連續(xù)懸跨為100 m，相鄰的懸跨為60 m，間隔的跨肩為20 m，根據(jù)規(guī)范判斷為相互干擾的連續(xù)懸跨，計算頻率時應(yīng)考慮相鄰懸跨的影響。圖2為連續(xù)懸跨的示意圖，圖中Lsh為跨肩長，Lspan為懸跨長。

使用ANSYS有限元分析軟件進行模態(tài)模擬，模型包括這兩個懸跨和跨肩。海床的接觸以線性彈簧代替，間距為1 m。邊界條件定義為一端固定約束，另一端除軸向自由度外全部固定，軸向施加恒定剩余張力。前5階模態(tài)的計算結(jié)果表3所示。

圖2 最大連續(xù)懸跨Fig.2 Maximum interacting spans

表3 連續(xù)懸跨的模態(tài)計算結(jié)果Table 3 Mode analysis results of interacting spans

將有限元計算出的模態(tài)信息輸入到疲勞壽命計算程序FATFREE，得出最大連續(xù)懸跨的疲勞壽命為26.5年，而安裝期的時間小于半年，這樣安裝期的懸跨疲勞損傷約為0.019。

對5階以上的模態(tài)也進行了疲勞壽命校核，計算出的疲勞損傷太小，可以忽略不計。

極限強度校核的結(jié)果為：順流向最大校核系數(shù)0.06，橫流向最大0.85，均小于1。因此，最大的連續(xù)懸跨在安裝階段是安全的，不需要懸跨預(yù)處理。

通過分析可以證明最極端的單一懸跨和連續(xù)懸跨都不需要預(yù)處理，可以等到安裝后再根據(jù)調(diào)查結(jié)果和操作期疲勞壽命分析結(jié)果進行后處理。

3 結(jié) 語

本文介紹了海底管道以疲勞壽命為接受準(zhǔn)則的懸跨分析方法，并結(jié)合工程實例，在不滿足簡單模態(tài)懸跨的情況下，使用有限元法方計算單一懸跨和連續(xù)懸跨的自振頻率和模態(tài)，進行疲勞壽命和極限強度分析，將本項目中懸跨接受長度從23 m提高到100 m，從而避免了懸跨預(yù)處理，節(jié)省了大量工程費用。這種分析方法對于類似工程有一定的借鑒價值。

[1] Macara J C. Malampaya deepwater gas pipeline and flowlines: technical and engineering challenges faced in the execution of the Malampaya pipeline scope [C]. OTC, 2002:14040.

[2] 王瑋，Kosor R，白勇.多跨海底管道的疲勞分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2011,32(5):560.

[3] 李小超，王永學(xué).穩(wěn)定流作用下海底懸跨管線渦激振動研究[J]. 船舶力學(xué)，2012,16(7)：798.

[4] Det Norske Veritas. DNV-OS-F101. Submarine pipeline system[S]. 2005.

[5] American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.8-2012. Gas transmission and distribution piping systems[S]. 2012.

[6] American Petroleum Institute. API RP 1111. Design, construction, operation, and maintenance of offshore hydrocarbon pipelines (limit state design)[S]. 2012.

[7] Det Norske Veritas. DNV-RP-F105. Free spanning pipelines[S]. 2006.

[8] Det Norske Veritas. DNV-RP-F203. Fatigue design of offshore steel structures[S]. 2006.

SubseaPipelineSpanAnalysisBasedonFatigueLife

LI Xiu-feng, FENG Xian-hong

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Traditionally, span analysis determines the maximum allowable free span length based on the condition that no vortex induced vibration (VIV) will happen and the assumption of strength ultimate limit state (ULS). The cost of span mitigation rises rapidly with the increase of water depth. Free span analysis based on fatigue life could remarkably increase the maximum allowable span length and cut the engineering cost. We present the free span analysis method and criteria for subsea pipeline. Based on the engineering project which is the first time to use fatigue limit for pipeline design, the free span analysis is conducted by fatigue limit state (FLS) and finite element method, and the results minimize the number of span mitigation.

subsea pipeline; free span; vortex induced vibration; fatigue limit state (FLS); span mitigation

2015-06-03

李秀鋒(1980—)，男，工程師，主要從事海底管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

TE973.92

A

2095-7297(2015)03-0196-05