基于跨航道拋錨作業(yè)的海底管道埋深研究

張萌萌，李林安，郭志明，雷震名，張翔，閆澍旺

（1.天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

基于跨航道拋錨作業(yè)的海底管道埋深研究

張萌萌1，李林安1，郭志明1，雷震名2，張翔1，閆澍旺3

（1.天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

拋錨作業(yè)給跨航道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。為了加強(qiáng)海底管道防沖擊能力、保障管道的安全運(yùn)營，針對(duì)拋錨沖擊作用下的管道埋深進(jìn)行研究。通過建立小尺寸拋錨沖擊管道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，獲得了沖擊荷載作用下拋錨高度、管道埋深、堆石材質(zhì)等參量對(duì)管道響應(yīng)的影響。并基于正交實(shí)驗(yàn)原理，綜合分析了不同參量對(duì)管道響應(yīng)的敏感性。利用有限元法對(duì)拋錨沖擊管道的過程進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析，進(jìn)一步研究了堆石材料力學(xué)特性對(duì)管道埋深的影響。結(jié)果表明：在沖擊荷載作用下，堆石層的材料特性對(duì)沖擊能量的耗散起著重要作用。通過將數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，并結(jié)合DNV規(guī)范中的能量計(jì)算方法，提出了拋錨沖擊荷載作用下管道最小埋深的計(jì)算方法。研究成果為海底管道的安全鋪設(shè)提供一定的理論指導(dǎo)。

南海；海底管道；沖擊荷載；堆石保護(hù)；管道埋深；管道響應(yīng)

隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，海底管道廣泛應(yīng)用于海上油氣運(yùn)輸。在航道運(yùn)輸作業(yè)頻繁的區(qū)域，海底管道易受到海中漂浮物、船舶沖擊或拋錨沖擊作用而遭受破壞（譚箭等，2008），其中，拋錨作業(yè)給管道的安全運(yùn)營造成了不可忽視的威脅，如圖1所示（張國光等，1989）。錨體沖擊管道是導(dǎo)致管道損壞的主要原因。目前，跨航道海底管道設(shè)計(jì)常采用路由避讓海底和堆石保護(hù)的方法（陸琦等，2010）。與路由避讓海底管道的方法相比，堆石保護(hù)方法具有保證海底管道路由線路最佳、減少管道長度和節(jié)約工程成本等優(yōu)點(diǎn)，是較為經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方法（Wang et al，2009）。而針對(duì)堆石保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)僅依靠定性評(píng)估的方法來確定管道埋深，缺乏全面的設(shè)計(jì)理論支持，給管道的安全運(yùn)營帶來了一定風(fēng)險(xiǎn)（馬坤明等，2012）。因此，對(duì)拋錨作業(yè)頻繁區(qū)域管道埋深的研究就顯得尤為重要（Liu et al，2014）。

圖1 拋錨作業(yè)對(duì)海底管道的沖擊（婁敏等，2015）

目前，針對(duì)海底管道的沖擊問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多相關(guān)的研究。Ellinas等（1983）最早提出了一個(gè)沖擊荷載與凹痕深度的半經(jīng)驗(yàn)公式。Pal等（1999）對(duì)帶損傷的海底管道進(jìn)行了數(shù)值分析，并用等效靜荷載對(duì)管道進(jìn)行彈塑性分析。Wierbicki等（1988）給出了在軸向荷載條件下凹痕深度與吸收能量的經(jīng)驗(yàn)公式。Andrew等（2003）在CUED實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了海底管道沖擊實(shí)驗(yàn)，測(cè)出了不同墜落物速度、質(zhì)量與管道凹痕之間的關(guān)系。余艷華等（2012）通過分析管道-土的相互作用，研究了沖擊荷載作用下管道的動(dòng)力響應(yīng)。趙師平等（2009）基于ANSYS/LS-DYNA軟件研究了地下輸氣管道在沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題，得出埋地管道在夯擊作用下的響應(yīng)規(guī)律。

資料表明，針對(duì)管道沖擊問題的研究主要集中于沖擊作用與管道響應(yīng)之間的關(guān)系，而堆石保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)管道的保護(hù)效果仍需繼續(xù)探討。針對(duì)以上問題，本文采用縮尺模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M了拋錨沖擊管道的全過程，并通過建立有限元模型，進(jìn)一步分析了沖擊荷載作用下海底管道響應(yīng)的特征。最后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出了拋錨作業(yè)頻繁區(qū)域管道最小埋深的計(jì)算方法。

1 模型實(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)際工程中通常采用堆石結(jié)構(gòu)使海底管道免受拋錨、墜落物等造成的損害（王鳳云等，2011），如圖2所示。堆石結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是按照一定的邊坡比在海床上開挖溝槽將管道埋置一定深度后用碎石回填，從而對(duì)沖擊荷載起到緩沖作用，以減小管道損傷。雖然有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，但由于現(xiàn)有的理論分析不能準(zhǔn)確地反映管道損傷情況，而原型實(shí)驗(yàn)雖然準(zhǔn)確，但因海洋環(huán)境的復(fù)雜性，存在檢測(cè)條件差、費(fèi)用大等缺點(diǎn)導(dǎo)致實(shí)際操作困難。因此，本文選用縮尺模型實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)拋錨沖擊海底管道的問題進(jìn)行模擬研究。

圖2 堆石結(jié)構(gòu)保護(hù)原理

1.1模型實(shí)驗(yàn)原理

為了分析拋錨沖擊荷載對(duì)海底管道的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量拋錨高度、堆石材質(zhì)、管道埋深和錨重等不同因素下海底管道的應(yīng)變響應(yīng)。基于模型相似理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用DNV規(guī)范中的拋錨能量計(jì)算公式可推出模型實(shí)驗(yàn)中管道應(yīng)變?chǔ)舠與實(shí)際工程中管道應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系，如（1）式所示：

式（1）滿足式（2）的相似比關(guān)系。

式中，λA為海管受撞擊吸收能相似比；λE為彈性模量相似比；λε為海底管道應(yīng)變相似比；λl為幾何相似比。

1.2模型實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)拋錨沖擊荷載作用下海底管道的響應(yīng)研究，本文設(shè)計(jì)了拋錨實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。此裝置主要包括拋錨系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，拋錨系統(tǒng)包括：拋錨架、模型槽、霍爾錨、海管、海砂和碎石等。實(shí)驗(yàn)采用兩根尺寸相同的SUS304鋼管模擬X65型號(hào)的海底管道，一根為工作管，埋置在堆石保護(hù)層中；另一根為溫度補(bǔ)償管，放置在堆石層表面，以消除溫度對(duì)管道應(yīng)變的影響。為了防止錨在下落過程中偏離原指定的位置，在拋錨架的橫梁上設(shè)置導(dǎo)向桿，其上有絲杠可調(diào)節(jié)拋錨高度。實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB/T546-1997《霍爾錨》的相關(guān)規(guī)定來制作實(shí)驗(yàn)錨。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)組成。應(yīng)變儀的采集頻率為1 000 Hz，采用半橋的電路連接方式。計(jì)算機(jī)用于控制數(shù)據(jù)采集的精度和觀察錨體沖擊管道的應(yīng)變響應(yīng)歷程。

1.3實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型實(shí)驗(yàn)以拋錨高度、堆石材質(zhì)、管道埋深和錨重為參變量，通過應(yīng)變片傳感器測(cè)量拋錨沖擊荷載作用下管道軸向和環(huán)向的應(yīng)變響應(yīng)情況。

在實(shí)際拋錨過程中，錨體受水阻力、水浮力的影響和錨鏈錨機(jī)控制，拋錨運(yùn)動(dòng)并非自由落體，而錨體對(duì)堆石保護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊速度是管道破壞的主要因素，因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)忽略了拋錨過程中水阻力和水浮力的影響，而是通過調(diào)節(jié)錨體下落高度來模擬錨體沖擊堆石保護(hù)層的速度。

參照模型相似原理設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)，原型與模型的幾何相似比為λl=10，錨的質(zhì)量相似比為λm= 10，海管受撞擊吸收能相似比為λA=1 675，彈性模量相似比為λE=1.07，海底管道應(yīng)變相似比為λε=1.57。實(shí)驗(yàn)所用海管的直徑為63 mm，管道壁厚為1 mm。拋錨高度選取0.8 m、1.1 m、1.3 m 3種工況；堆石材質(zhì)選取碎石和細(xì)砂2種工況；管道埋深選取0.12 m和0.16 m 2種工況；錨重選取1.25 kg和4.2 kg 2種工況。

為了增強(qiáng)模型實(shí)驗(yàn)的適用性，按照規(guī)范中錨體和海管的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，通過調(diào)整相似比參數(shù)，可從實(shí)驗(yàn)中一組模型尺寸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還原出不同規(guī)格管道和錨體的沖擊結(jié)果。原型與模型實(shí)驗(yàn)的相似比參數(shù)見表1。

表1 原型與模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)相似比

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

在管道中部沿環(huán)向方向每隔90°布置雙向電阻式應(yīng)變片傳感器，并在距離中部140 mm處布置同樣的應(yīng)變片傳感器，能同時(shí)測(cè)量管道環(huán)向和軸向的應(yīng)變響應(yīng)情況。應(yīng)變片分布如圖4所示。

1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 應(yīng)變片布置示意圖

表2是碎石保護(hù)層下，管道埋深為160 mm、拋錨高度為1.3 m時(shí)，管道各測(cè)點(diǎn)軸向和環(huán)向達(dá)到應(yīng)變極值的響應(yīng)情況。其中，H點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變最大，此測(cè)點(diǎn)位于管道受沖擊作用的垂直落點(diǎn)，是管道最易發(fā)生破壞的位置。因此，選取H點(diǎn)作為參考點(diǎn)，分析不同拋錨高度、管道埋深、堆石材質(zhì)和錨重的影響因素對(duì)海底管道應(yīng)變響應(yīng)的影響。1.4.1 拋錨高度對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響

拋錨高度決定了作用在堆石層上的沖擊能量，從而直接決定了管道的損壞程度。實(shí)驗(yàn)通過改變錨體與堆石層的距離考察拋錨高度對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響。堆石材質(zhì)為碎石時(shí)，拋錨高度對(duì)海底管道應(yīng)變響應(yīng)的影響，如圖5所示。由圖中可知，隨著拋錨高度增加，管道應(yīng)變極值增大，說明拋錨沖擊總能量越大對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響越大；不同的拋錨高度，應(yīng)變極值響應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)不同，且從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)得知規(guī)律不一致，這是由于堆石層石子間的碰撞接觸具有隨機(jī)性，導(dǎo)致管道響應(yīng)時(shí)間不同。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)

圖5 H點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線圖（埋深160 mm）

1.4.2 管道埋深對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響

管道埋深決定了能量在傳播過程中的耗散程度，從而影響管道吸收的能量。堆石材質(zhì)為碎石時(shí)，管道埋深對(duì)海底管道響應(yīng)的影響，從圖6可知，隨著管道埋深的增加，堆石層耗散的沖擊能量增加，作用在管道上的沖擊能量減小，所以H點(diǎn)的應(yīng)變極值隨海管的埋深增加而減小；隨著管道埋深的增加，管道受沖擊作用的影響減小，所以H點(diǎn)的應(yīng)變幅值隨管道埋深的增加，應(yīng)變幅值減小且應(yīng)變幅的波動(dòng)次數(shù)也減少。

圖6 H點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線圖

1.4.3 堆石材質(zhì)對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響

圖7為不同堆石材質(zhì)保護(hù)層下，管道在各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)。從圖中可知，在沖擊位置H點(diǎn)的應(yīng)變值最大，沿管道軸線方向，隨著與H點(diǎn)的距離增加，管道的應(yīng)變值減小；從各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值可知，碎石保護(hù)層下管道的應(yīng)變值比細(xì)砂保護(hù)層下的小，說明碎石保護(hù)層耗散的沖擊能量相對(duì)較大，對(duì)管道的保護(hù)效果較好。

1.4.4 錨重對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響

圖7 海管在不同保護(hù)層下的響應(yīng)

拋錨沖擊荷載作用下不同錨重對(duì)海底管道響應(yīng)的影響，如圖8所示。當(dāng)在H點(diǎn)正上方拋錨時(shí)，大錨相對(duì)小錨拋錨工況，H點(diǎn)的應(yīng)變峰值大約增加了1倍且沖擊荷載響應(yīng)的時(shí)間大約增加了4倍，可見錨重對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)影響較大；當(dāng)在D點(diǎn)正上方拋錨時(shí)，與在H點(diǎn)正上方拋錨時(shí)相比，H點(diǎn)的應(yīng)變峰值減小了，而且隨著錨重增加，H點(diǎn)的應(yīng)變幅值也急劇增大，說明沖擊荷載作用隨錨重增加對(duì)管道局部應(yīng)力影響范圍增大。

圖8 應(yīng)變時(shí)程曲線

1.4.5 參量敏感性分析

實(shí)驗(yàn)運(yùn)用正交性實(shí)驗(yàn)原理，綜合考慮拋錨高度、管道埋深等參量對(duì)管道響應(yīng)的影響，進(jìn)行了參量的敏感性分析。本實(shí)驗(yàn)采用正交表分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果（白俊磊，2013），分析參量如表3所示。參量的敏感性分析結(jié)果如表4所示。參量的敏感性分析結(jié)果由大到小依次為：錨的質(zhì)量、堆石材質(zhì)、管道埋深、拋錨高度。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表4 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果及極差標(biāo)準(zhǔn)差分析表

2 數(shù)值模擬分析

2.1模型的建立

為了確定經(jīng)濟(jì)合理的埋置深度，同時(shí)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)量的不足。本文利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)錨體沖擊堆石保護(hù)層的過程進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析。堆石保護(hù)層及管道周圍的土體選用solid45單元，管道選用shell181單元，海底管道和堆石保護(hù)層之間的相互作用通過conta173單元和targe170單元建立面面接觸對(duì)來實(shí)現(xiàn)，有限元模型如圖9所示。其中，堆石保護(hù)層的模擬是分析問題的關(guān)鍵，本文采用Drucker-Prager模型進(jìn)行模擬，它能夠較好地模擬土體在沖擊荷載作用下的彈塑性變形，并且在大變形計(jì)算中不會(huì)出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的問題，其本構(gòu)關(guān)系如圖10所示，堆石保護(hù)層的模型材料參數(shù)見表5。

圖9 堆石保護(hù)層與管道的有限元模型

圖10 D-P模型的本構(gòu)關(guān)系

表5 堆石保護(hù)層的模型材料參數(shù)

2.2沖擊荷載與邊界條件的確定

本文不考慮錨體沖擊的具體過程，而是將錨體的沖擊作用簡化為直接作用在土體上的突加荷載。簡化過程遵循動(dòng)量守恒定理，即在沖擊時(shí)間內(nèi)，錨體所受沖擊反力的沖量等于錨體動(dòng)量的增量，如式（3）所示：

基于DNV規(guī)范中的能量計(jì)算方法，可得P撞擊力與S的關(guān)系，如式（4）所示：

其中，0～t1為動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄沖擊荷載作用的時(shí)間，且假設(shè)沖擊荷載作用位置處的響應(yīng)時(shí)間與管道響應(yīng)時(shí)間一致；P撞擊力為錨體與土體接觸面上的平均作用力，并假設(shè)平均作用力與參考點(diǎn)受力變化規(guī)律一致；M錨為錨體質(zhì)量；ΔV為錨體速度增量；S為拋錨高度；EP為保護(hù)層耗散能量。選取圖5中拋錨高度為1.3 m的工況，計(jì)算出隨時(shí)間變化的沖擊力，為了便于力的加載，將沖擊力擬合成分段函數(shù)，如式（5）所示：

擬合后的沖擊力時(shí)程曲線見圖11。通過使用函數(shù)編輯器和加載器在沖擊位置處加載力。

圖11 管道沖擊力時(shí)程曲線

模型中堆石保護(hù)層的邊界條件：上表面為自由邊界不約束，側(cè)面和下表面施加法向面約束。

2.3數(shù)值模擬與模型實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析

為了分析堆石材質(zhì)的力學(xué)特性，針對(duì)影響能量耗散較大的參數(shù)摩擦角進(jìn)行分析，如圖12所示。由圖可知，摩擦角為40°的碎石層比摩擦角為30°的細(xì)砂層管道應(yīng)變幅值小，應(yīng)變幅波動(dòng)次數(shù)多，由此可見，碎石層耗散的沖擊能量相對(duì)較大、管道應(yīng)變集中現(xiàn)象相對(duì)較??；細(xì)砂保護(hù)層的應(yīng)變時(shí)程曲線較碎石保護(hù)層的平滑，管道受力較為均勻；細(xì)砂層的抗沖擊能力大約為碎石層的60%，因此，碎石保護(hù)層的保護(hù)效果較好，此結(jié)論與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。

圖12 不同堆石材料管道應(yīng)變時(shí)程曲線

由圖13可見，在細(xì)砂保護(hù)層下，不同管道埋深對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響。由圖可知，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。圖中選取H點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變作為參考值，隨著管道的埋深增加，管道應(yīng)變極值減小，應(yīng)變幅值大約減小了30%；隨著管道埋深的增加，管道應(yīng)變速率減小，應(yīng)變峰值突顯現(xiàn)象消失。由此可見，管道埋深對(duì)管道的保護(hù)效果影響較大。

圖13 不同埋深管道應(yīng)變時(shí)程曲線

3 管道最小埋深計(jì)算方法

為了確定管道的埋深，通過數(shù)值模型，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量工況按照模型相似原理還原成實(shí)際工程中拋錨沖擊管道工況，并結(jié)合DNV規(guī)范中沖擊能量計(jì)算方法，可得到錨體貫入堆石層的深度，為管道最小埋深的確定奠定基礎(chǔ)。

如圖14所示，在錨體沖擊管道的過程中，管道埋深H是由錨體貫入堆石層深度z和管道與錨體的距離h組成。

圖14 管道埋深的確定

通過利用DNV規(guī)范中的沖擊能量計(jì)算方法，可知錨體沖擊堆石層的總能量：

沖擊總能量EE的能量耗散途徑主要是由堆石層吸收的能量Ep和管道凹坑吸收的能量E組成：

其中，管道凹坑吸收的能量可通過管道的材料參數(shù)得到：

堆石層吸收的能量Ep可由下式得出：

通過以上公式可推出錨體貫入堆石層的深度z：

式中，m為錨的質(zhì)量；vT為錨的下落速度；σy為管道屈服應(yīng)力；δ管道變形凹坑深度；t為管道壁厚；γ′為保護(hù)層有效單位重力；D為海管直徑；Nγ和Nq為承載系數(shù)；AP為海管投影面積；z為錨體貫入堆石層深度。

在拖錨過程中，錨體通常會(huì)繼續(xù)貫入堆石層一定深度，為了避免錨在拖拽過程中對(duì)海管造成損傷，計(jì)算海管埋深時(shí)需對(duì)錨的貫入深度取一個(gè)安全系數(shù)加以修正，根據(jù)以上分析，本文建議堆石保護(hù)層的最小埋深?。?/p>

式中，H0為海管最小埋深；C為安全系數(shù)，與堆石材質(zhì)、錨的類型有關(guān)，當(dāng)選取霍爾錨時(shí)，堆石材質(zhì)的摩擦角在20°～30°時(shí)，C=3～5，堆石材質(zhì)的摩擦角在30°～50°時(shí)，C=2～3；h0為海管與錨體的最小距離，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)（張磊，2013），一般取大于等于0.3 m。本公式適用于堆石結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，對(duì)于粘性土質(zhì)等其它材質(zhì)保護(hù)層仍有待研究。

在實(shí)際工程中，由于錨的貫入深度不易得知，但拋錨的沖擊能量較易得知，因此由公式（7）（11）可得沖擊能量-管道最小埋深的關(guān)系。為了給管道埋深設(shè)計(jì)提出有效的計(jì)算方法，利用數(shù)值模型還原實(shí)際工況，擬合出拋錨沖擊能量與最小埋深關(guān)系的函數(shù)公式，如式（12）所示，其關(guān)系曲線見圖15，同時(shí)與《西氣東輸二線海底管道埋深及保護(hù)》項(xiàng)目的調(diào)研結(jié)果相比較（劉歡等，2012），其值與數(shù)值分析的結(jié)果吻合較好。

圖15 拋錨沖擊能-管道埋深關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)研究了拋錨高度、管道埋深、堆石材質(zhì)和錨重對(duì)管道應(yīng)變響應(yīng)的影響，并基于正交實(shí)驗(yàn)法，進(jìn)行了拋錨沖擊管道的參數(shù)敏感性分析，得出不同參量對(duì)管道響應(yīng)的敏感性。

（2）通過對(duì)數(shù)值模型中沖擊荷載作用的簡化，避開了具體的沖擊過程，提高了模型的計(jì)算速度，實(shí)現(xiàn)了模型的合理優(yōu)化。并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模型結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。

（3）海管埋深和堆石材質(zhì)對(duì)管道損壞程度影響較大。隨著堆石材質(zhì)的摩擦角增大，堆石層耗散的沖擊能量增大；隨著管道的埋深增加，管道應(yīng)變幅值減小，管道的應(yīng)變速率也較小，應(yīng)變峰值突顯現(xiàn)象消失。

（4）通過數(shù)值分析并結(jié)合規(guī)范中的能量計(jì)算法，本文提出了沖擊荷載作用下海底管道最小埋深的計(jì)算方法。

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（本文編輯:袁澤軼）

Research of the embedment depth of the subsea pipelines based onthe anchoring operation in shipping lanes

ZHANG Meng-meng1,LI Lin-an1,GUO Zhi-ming1,LEI Zhen-ming2, ZHANG Xiang1,YAN Shu-wang1

（1.School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Offshore Oil EngineeringCo.Ltd., Tianjin 300451,China;3.School of Construction Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Anchoring operation has impact on the subsea pipeline security,which is increasingly concerned at present. Based on the protection of submarine pipelines,the embedment depth of pipelines on the response of continuously supported offshore pipelines subjected to transverse impacts caused by anchoring is studied.Through the small-scale experiments,a parametric study has been carried out to examine effects from variations in the anchor height,embedment depth of pipelines and subsoil mechanical properties on the pipeline response.Based on the principle of the orthogonal experiment,the sensitivity of different parameters to the pipeline response is analyzed comprehensively.The finite element method is used to analyze the transient dynamics of the transverse impact,and the influence of the mechanical properties of rock armor protection on the embedment depth of pipelines is studied.It has demonstrated that subsoil mechanical properties play a significant role in the impact energy dissipation.Combined with energy calculation method in the specification DNV RPF107,and comparing the experimental data with numerical analysis result,a valuable calculation method of the minimum embedment depth of pipelines under the anchor impact energy-is put forward.Research results provide scientific references to the safety assessment and the laying programs of submarine pipelines.

submarine pipeline;impact load;rock armorprotection;embedment depth of pipelines;response of pipelines

P756.2

A

1001-6932（2016）06-0694-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.012

2015-07-22；

2015-10-15

張萌萌（1988-），女，碩士，主要從事管道安全研究。電子郵箱：mengmeng_z@tju.edu.cn。

李林安（1966-），男，教授，主要從事船舶拋錨撞擊等方面研究。電子郵箱：313049431@qq.com。