水中懸浮管道的結構形式及受力特征分析

盧召紅，高珊珊，于慧敏，計 靜，閆 亮，劉迎春

(1.東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油 大慶石化公司，黑龍江 大慶 163714)

水中懸浮管道的結構形式及受力特征分析

盧召紅1，高珊珊1，于慧敏2，計 靜1，閆 亮1，劉迎春1

(1.東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油 大慶石化公司，黑龍江 大慶 163714)

針對水中懸浮管道，提出其建造方式，并給出計算模型和計算方法。利用Morison公式計算作用在管體上的波浪荷載，計算分析管道在波浪力和水流力作用下的內力。借助ANSYS軟件建立水中懸浮管道的有限元計算模型，運用Airy線性波浪理論計算水質點的速度和加速度，在此方法上計算管體的荷載和內力，與公式計算結果進行對比分析。結果表明，兩者計算結果基本吻合，其誤差在2%范圍之內。

水中懸浮管道；內力；波浪力；Morison公式

油氣輸送管道在遇到江海湖泊時，其穿越方式多采用水底管道或水上架空等方式。然而，海底鋪設管道施工難度大、工程造價高、易與水底脫離形成懸跨節(jié)段，水上架空管道受風及外界影響作用大，存在影響環(huán)境等諸多問題。許多學者對此類問題展開了大量的研究工作，曾曉輝、劉春閣等采用攝動法對鋪管船鋪管時管道的受力進行研究分析[1]，提出海底管道鋪設時管體的受力計算方法；李春，沙秋等對海底管道懸空造成的失效原因進行評估分析，并提出了相應的失效消減措施[2]；余建星，馬勇健等考慮渦激振動影響，提出了海底管道最大懸空允許長度[3]，避免懸空管道失效破壞；張文福，巨秀麗等提出懸索跨越式管道并對其抗風性能進行分析研究[4]。水中懸浮管道，與水底輸送管道相比，水中懸浮管道不會因局部與河床或海床脫離懸空而造成安全隱患，并且工程造價低，施工方法簡單，使用期間維修檢測方便，利于監(jiān)控等。在水中油、氣等管道輸送中，尤其在深海采油外輸工程領域中，該體系將會得到廣泛的研究和應用[5]。本文提出水中懸浮管道的結構形式，并對其受力特征進行分析研究，計算管體所受主要荷載，簡化計算模型，計算分析管體應力狀態(tài)，為后續(xù)的研究應用奠定基礎。

1 水中懸浮管道結構形式

水中懸浮管道的組成構件包括：在水面以下一定深度的管道、錨索、連接裝置、抗拔樁、水岸構筑物等。在水平面以下，當管道的浮重比大于1時，用拉索和主索連接管道，主索與抗拔樁的連接來平衡剩余的浮力，以保證各懸浮管道的平衡，如圖1(a)所示；當懸浮管道所受的浮重比小于1時，采用懸浮筒和水的浮力共同拖住管道以防止其下沉，主索與懸浮筒相連，拉桿與管道和主索相連，懸浮筒用拉索和主索與抗拔樁相連，見圖1(b)。

2 水中懸浮管道所受主要荷載計算方法

2.1 基本假定和計算模型

水中懸浮管道所處的環(huán)境比較復雜，主要受海流影響而產生的波浪力、水流力、渦流力及靜水壓力等的共同作用[6]。為簡化計算分析作如下兩點假定：(1)流體無粘性，不可壓縮并且流動無旋轉；(2)水流和波浪的作用相互獨立,互不干擾[7]。

根據懸浮管道在水中的布置情況，建立計算模型：每個管段上設有2對錨索，每對錨索共有2根，與管成約為15°角，如圖2(a)所示。主纜(索)在延伸方向具有很大的剛性，且垂直于延伸方向，因剛度遠小于管道的線剛度，故錨索與管道間的連接可簡化為鉸支座，將管道簡化為簡支梁，建立如圖2(b)所示計算模型。

2.2 作用在管道上的波浪力計算

波浪力計算中常根據結構物的尺度與波長的比值分為小尺度波浪力計算和大尺度波浪力計算。當D/L≤0.2時(其中D為外管道直徑，L為海水波長)，稱為小尺度物體；當D/L>0.2時為大尺度物體。本文提出的管徑D一般不超過3m，當在相對水深為d/L≥1/2的深水區(qū)時，海水波長L為T2g/2πm[8-9]。作用在管道上的波浪力可按小尺度物體計算，因此采用Morison方程，總波浪水平力f(t)可表示為拖拽力fI和慣性力FD之和[10]：

(1)

波浪作用于管道上的垂直波浪力[11]為：

(2)

式中：CM慣性力系數；v為水質點的水平加速度，m/s2；ρ為海水密度，kg/m3；D為外管道的直徑，m；CD為阻力系數；u為水質點的水平速度，m/s；CL為浮托力系數。

在計算水平波浪力f(t)max時，因為fI(t)和fD(t)不在同一時間出現(xiàn)最大值，可按以下方法進行計算。

當fI(t)max<2fD(t)max時：

f(t)max=fD(t)max+fI(t)max/(4fD(t)max)

(3)

或 f(t)max=fD(t)max+fI(t)max

(4)

取(3)式和(4)式中較小值，當fI(t)max≥2fD(t)max時：

f(t)max=fI(t)max

(5)

系數CM、CD與雷諾數有關，取值[12]如表1，表1中需要的雷諾數計算公式[12]為：

Re=uD/r

(6)

式中：u為水流的速度，m/s；D為外管道的直徑，m；R為海水的運動粘度，取1×10-6m2/s。

2.3 作用在管道上的水流力計算

由于管道一般置于30m以下，水流可以近似看作一種穩(wěn)定的平面流動，因此可采用以下公式來計算作用在管道上的水流力值[10]：

(7)

(8)

式中：fDC為水流引起的阻力；fLC為水流引起的浮托力；CD為阻力系數；ρw為海水的密度，1 030kg/m3；D為圓形管的外直徑，m；Vcmax為水流的最大可能速度，m/s；CL為托浮力系數。

管道在水平方向和豎直方向總的受力分別為：

Fx=fI(t)+fDC

(9)

Fz=fL(t)+fLC+f-q

(10)

式中：f為海水浮力；P為管道單位長度重量。

2.4 計算彎曲應力

由于懸浮管道簡化為簡支梁，可求出約束處的反力和管道各截面的內力，根據各個截面上的內力可以計算出相應的應力值。先計算合彎矩值，在計算彎曲應力值。

合彎矩計算公式：

(11)

最大彎曲應力：

(12)

式中：W為抗彎截面系數。

3 波流作用下懸浮管道的應力狀態(tài)分析

借助ANSYS有限元數值分析方法，建立懸浮管道的有限元計算模型，并對其在波流作用下的應力進行計算，將計算結果與簡化模型應用理論公式計算的波流作用下應力狀態(tài)結果對比分析。

3.1 有限元模型建立

pipe59是一種可承受拉、壓、彎作用的單元[13-14]，單元的每個節(jié)點有6個自由度，即沿x、y、z方向的線位移及繞x、y、z軸的角位移。Link10是桿軸方向的拉壓單元[15]，單元的每個節(jié)點有3個自由度，即沿x、y、z方向的平動。因此利用有限元軟件ANSYS對懸浮管道建模進行受力分析，采用pipe59單元模擬橫截面相對長度很小的懸浮管道結構，采用Link10單元模擬錨索與管道的鉸接結構。這兩種單元的結合能夠模擬出海洋波浪和水流對管道的作用。Pipe59單元使用參數如圖3。

不同波浪理論的適用范圍主要受波高H、波長L(或波周期T)和水深h控制，Airy線性波浪理論適用于波陡很小δ=H/L?1情況下。利用有限元軟件ANSYS分析懸浮管道在波浪荷載作用下的受力分析，進行參數設置時，波浪理論選取Airy線性波浪理論[16]計算水質點的速度和加速度。

表2 有限元法與理論法計算結果比較

3.2 算例

某懸浮管道節(jié)間長10m，鋼構件，鋼管外直徑D=159mm，管壁厚度t1=2mm，鋼材屈服強fy=414MPa，彈性模量E=2.1×105N/mm2，泊松比u=0.29，密度7 850kg/m3。

管道所處環(huán)境參數：水深40m，有效波高5.2m，有效波周期5.0s，海面流速1.93m/s，中部流速1.21m/s，底部流速0.87m/s，海水密度為1 030kg/m3，波浪相位角取57°。由于管道直徑相對于海水的深度很小，可以忽略不計，所以作用在管道上的海水流速取底部流速0.87m/s。懸浮管道有限元計算模型如圖4所示，用pipe59模擬管道和link10模擬索單元，兩者的連接是鉸接，索與海洋底泥土連接為剛接。

用有限元法與理論公式法，分別計算懸浮管道在波浪力與水流力共同作用下、水流力作用下和波浪力作用下的最大彎矩值、最大應力值和最大撓度值，所得有限元法與理論法計算結果比較如表2所示。

從表2中看出管道在受到波浪力和水流力共同作用下的撓度、彎矩和應力值，將有限元法計算結果與理論計算結果比較分析，得出理論法計算結果與有限元法計算結果相對差異較大，但符合工程需要。分析認為：有限元計算時，考慮到管道直徑變化小時的速度變化和波浪力與水流力之間的相互影響，將管道與拉桿(索)之間的連接簡化為剛性鉸支座，忽略其豎向變形對計算結果都會帶來較大誤差。

4 結論

1)與理論簡化模型計算相比，有限元計算時考慮到管道直徑變化小時的速度變化和波浪力與水流力之間的相互作用影響，導致兩者之間結果存有誤差；此外，理論簡化方法將管道與拉桿(索)之間的連接簡化為剛性鉸支座，與實際不完全相符，也會導致計算結果存有誤差。但最終兩者計算結果誤差較小，滿足工程需要。

2)波浪力和水流力是作用在深水中懸浮管道的主要作用力，其大小和作用方向對管道的應力狀態(tài)有很多的影響，水壓力和渦流力對管道的影響較小，可忽略不計。

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(責任編輯 王利君)

Analysis of structure and mechanical characteristic of submerged floating pipeline

LUZhaohong1,GAOShanshan1,YUHuimin2,JIJing1,YANLiang1,LIUYingchun1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,DaqingPetroleumInstitute,HeilongjiangDaqing163318,China；2.ChinaPetroleumDaqingPetrochemicalCo,HeilongjiangDaqing163714,China)

Theconstructionmethodofsubmergedfloatingpipelinewasproposedanditsthecalculationmodelandcalculationmethodweregiven.ThewaveloadsonthetubewerecalculatedbytheMorisonformula,andtheinternalforceofthepipelineundertheactionofwaveforceandflowforcewascalculatedandanalyzed.WiththeaidofANSYSsoftware,thefiniteelementcalculationmodelofthesubmergedfloatingpipelinewasestablished.ThespeedandaccelerationofwaterqualitypointwerecalculatedbyusingAirylinearwavetheory,theloadandinternalforceonthepipelinewerecalculated.Comparativeresultsshowthatthecalculationresultsarebasicallyconsistent,andthedeviationsarewithinthecontrollablerange,whichcanprovidereferenceforthesubsequentresearchandapplication.

Submergedfloatingpipeline;internalforce;waveforce;Morisonformula

1673-9469(2016)04-0056-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.013

2016-09-04

國家自然科學基金資助項目(51578120)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541068)；大慶市科技計劃項目(szdfy-2015-06)

盧召紅(1976-)，男，山東臨沂人，碩士，副教授，從事組合結構、混凝土結構方面的研究。

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