海底懸空管道的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題研究方法★

盧召紅 高珊珊 劉迎春 閆 亮

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

海底懸空管道的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題研究方法★

盧召紅 高珊珊 劉迎春 閆 亮

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

在歸納了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海底懸空管道動(dòng)力響應(yīng)研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了關(guān)于求解波浪荷載的方法、懸空管道模態(tài)分析方法及影響動(dòng)力效應(yīng)的主要因素，為海底懸空管道的進(jìn)一步研究分析和設(shè)計(jì)施工奠定了基礎(chǔ)。

波浪荷載，模態(tài)分析，動(dòng)力響應(yīng)，懸空管道

目前，隨著海上油氣開(kāi)采量的逐年劇增，海底管道已成為海上油氣輸送的主要方式之一[1]。然而，海底管道因波浪沖刷、殘余應(yīng)力等原因形成懸空節(jié)段。懸空節(jié)段長(zhǎng)期受波浪荷載、潮流沖刷、地震力等往復(fù)作用，易形成渦激振動(dòng)，增加管道的失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)[2]。一旦海底管道發(fā)生泄漏將嚴(yán)重的污染海洋環(huán)境,且很難立即完成管道修復(fù)恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)。因此研究懸空管道的動(dòng)力特性，分析影響動(dòng)力響應(yīng)因素，避免懸空管道失穩(wěn)破壞顯得尤為重要。此文在歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海底懸空管道動(dòng)力響應(yīng)研究成果的基礎(chǔ)上，整理出波浪荷載的計(jì)算、模態(tài)分析、動(dòng)力響應(yīng)等方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，提出了關(guān)于海底懸空管道動(dòng)力響應(yīng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。

1 波流荷載的計(jì)算方法

海底懸空管道主要承受波流荷載的作用，該作用對(duì)管道的影響較大[3]。波流力經(jīng)常成為海中結(jié)構(gòu)物的主要控制荷載[4]，是決定設(shè)計(jì)方案和控制工程造價(jià)的重要因素之一。海流流經(jīng)懸空管跨時(shí)，對(duì)懸跨節(jié)段易產(chǎn)生渦激動(dòng)力效應(yīng)，動(dòng)力效應(yīng)是決定海底管道的使用周期和引起管道失穩(wěn)的主要因素[5]。因此波流力對(duì)管道的安全及疲勞破壞起著重要作用。

波浪力計(jì)算中常根據(jù)結(jié)構(gòu)物的尺寸與波長(zhǎng)的比值分為小尺度波浪力計(jì)算和大尺度波浪力計(jì)算。當(dāng)D/L>0.2(其中,D為管道外徑尺寸;L為水流波長(zhǎng))時(shí)稱為大尺度物體，可采用繞射理論或入射波壓力作用在結(jié)構(gòu)下的受壓面積進(jìn)行積分計(jì)算波浪力[3]；當(dāng)D/L≤0.2時(shí)稱為小尺度物體，一般采用Morison理論進(jìn)行分析計(jì)算[6]。

流體作用在結(jié)構(gòu)物時(shí)，其尾流將改變管體周圍水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度，因此Morison理論在描述流體運(yùn)動(dòng)力的作用時(shí)間上具有一定的局限性。Soedigdo等人[7]提出WakeII力學(xué)模型，該模型中采用振蕩流的線性Navier-Stokes模型閉合形式的求解方法，得到修正后的尾流速度值和水動(dòng)力系數(shù)。Sabag等人[8]經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與WakeII模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果表明：采用WakeII模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。該方法采用改進(jìn)后的Morison方程，計(jì)算結(jié)果更貼近于工程實(shí)際。

海底懸空管道一般均為小尺度物體，采用Morison理論計(jì)算時(shí)，其阻力系數(shù)CD、慣性力系數(shù)CM和水流力系數(shù)CL均與雷諾系數(shù)Re有關(guān)[9]。波浪理論分為線性波浪理論和非線性波浪理論。Airy法為常用的線性波浪理論，該方法計(jì)算分析簡(jiǎn)便，但由于假定波浪振幅非常小，未考慮繞射對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響，具有一定的局限性。非線性理論常用的有Stokes高階波浪理論、橢圓余弦波浪理論和孤立波浪理論。目前，Stokes高階波浪理論頗受研究者們的青睞，此方法可準(zhǔn)確地描述波浪實(shí)際的運(yùn)動(dòng)形式，計(jì)算精度高，但計(jì)算過(guò)程比較繁瑣，可借助大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

仝興華等[9]在進(jìn)行海底懸空管道的靜力分析時(shí)，采用Morison方程計(jì)算波浪荷載值，用理論方法和數(shù)值方法求得的應(yīng)力、彎矩值基本一致。曹勇軍[10]研究水中懸浮隧道在波浪荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，采用Airy線性波浪理論計(jì)算由波浪作用引起的流體速度時(shí)，采用Morison方程計(jì)算作用在懸浮隧道表面的波浪力，結(jié)果表示：波浪入射波波幅對(duì)懸浮隧道的橫向位移影響較大，對(duì)豎向位移的影響較小。

2 懸空管道的模態(tài)分析法

隨著各國(guó)對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)的廣泛重視，如何保證工程的安全性、耐久性以及加固延長(zhǎng)其使用周期的問(wèn)題已成為重要課題之一。因海底管道所處的環(huán)境較復(fù)雜，埋于海底管道檢修困難，懸空節(jié)段長(zhǎng)期受到動(dòng)荷載的作用致使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度逐漸衰減、削弱管道的使用功能并誘發(fā)安全隱患。為此，建立管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)管道健康狀況的重要方法之一，其主要研究?jī)?nèi)容為結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)分析(固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型)，參數(shù)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)內(nèi)部損害而發(fā)生變化，能夠表示結(jié)構(gòu)物自身的固有動(dòng)力特征[11，12]。鑒于此，結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)可以檢驗(yàn)管道設(shè)計(jì)模型的合理性，也是研究動(dòng)力響應(yīng)的一種重要方法。

2.1 計(jì)算機(jī)仿真的有限元分析法

工程中主要采用大型有限元分析軟件，如ANSYS,ABAQUS等進(jìn)行模態(tài)分析，提取所模擬結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型類型、振型方位等。其常用的方法有蘭索斯法、子空間法、動(dòng)力法、縮減法、不對(duì)稱法、Damped法等。

1)蘭索斯法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，且計(jì)算速度快，適合計(jì)算較大的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)，也可計(jì)算指定頻率區(qū)段內(nèi)的固有頻率和振型，被工程廣泛采用；

2)子空間法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，但計(jì)算速度較慢，適合計(jì)算大結(jié)構(gòu)的低級(jí)模態(tài)和結(jié)構(gòu)自由度無(wú)法選取的模態(tài)；

3)動(dòng)力法求解速度快，但局限性強(qiáng)，適合研究單元質(zhì)量均勻的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析；

4)縮減法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和速度取決于所選結(jié)構(gòu)自由度的數(shù)量和部位，適合自由度易取的結(jié)構(gòu)，不適合大結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析；

5)不對(duì)稱法適合計(jì)算非對(duì)稱的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，但計(jì)算結(jié)果中會(huì)忽略較高模態(tài)的固有頻率；

6)Damped法適合計(jì)算考慮阻尼和特征值結(jié)構(gòu)的模態(tài)，但計(jì)算結(jié)果會(huì)忽略高級(jí)模態(tài)的固有頻率。

喻靖宇等人[13]采用ABAQUS有限元軟件模擬海底管道，采用模態(tài)分析法對(duì)管道的固有頻率進(jìn)行了分析，利用控制變量法分析了管道懸跨長(zhǎng)度、管道外徑、金屬外徑、混凝土壁厚以及管道兩端約束情況對(duì)管道固有頻率的影響。結(jié)果表明：隨著管道懸跨長(zhǎng)度、外徑、鋼鐵管道壁厚的增加，管道的各階固有頻率依次遞減；隨著管道兩端約束的增加，管道的各階固有頻率也逐漸增加。

楊曉紅等人[14]研究約束和長(zhǎng)度對(duì)管道共振的影響時(shí)，利用ANSYS建立管道模型并進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)改變管道的約束條件和管跨長(zhǎng)度，得到管道的固有頻率。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的固有頻率隨著約束條件的改變而改變；其他條件相同時(shí),管道固有頻率隨著管道長(zhǎng)度的增加而減??；約束方式對(duì)振幅的大小有影響,一端固定時(shí)振幅最大；其他條件相同時(shí),振幅的大小隨著長(zhǎng)度的增加而減小。

李國(guó)珍[15]對(duì)懸空管道進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，采用蘭索斯法對(duì)懸浮管道進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果表明：管跨低階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型均為彎曲振型，扭轉(zhuǎn)振型對(duì)應(yīng)管道的高頻振型；其固有頻率隨懸跨長(zhǎng)度的增加而減小。

2.2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法

通過(guò)激振實(shí)驗(yàn)采集設(shè)定的輸入和輸出信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理識(shí)別得到模態(tài)參數(shù)。工程中經(jīng)常把試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元模態(tài)分析相結(jié)合[16]，用試驗(yàn)驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，進(jìn)行參數(shù)修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，再用優(yōu)化后的有限元模擬結(jié)構(gòu)的激勵(lì)響應(yīng)問(wèn)題。海中懸空管道身處復(fù)雜的海洋環(huán)境中，采集到的激勵(lì)輸入信號(hào)精確度低，該方法具有一定的局限性。

2.3 環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析

環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析法是在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新的一種方法。此方法不需采集輸入信號(hào)，只需采集激勵(lì)輸出信息。實(shí)際工程中可直接測(cè)得結(jié)構(gòu)在荷載作用下的輸出信號(hào)，采集的信息與工程實(shí)際一致，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。目前，工程中廣泛采用自然激勵(lì)識(shí)別算法得到近似于結(jié)構(gòu)脈沖響應(yīng)的信號(hào)[17]。

2014年蔡鷗等[16]對(duì)啟東海域的風(fēng)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析研究，利用自然激勵(lì)識(shí)別算法和特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法對(duì)海上結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明：有限元模態(tài)分析結(jié)果與環(huán)境激勵(lì)下的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法結(jié)果相吻合。

3 懸空管道的動(dòng)力響應(yīng)分析

渦激振動(dòng)響應(yīng)對(duì)管道的影響非常大，是趨向于增加懸空管道應(yīng)力數(shù)值、引起管道失穩(wěn)、決定海底管道使用壽命的主要因素。因此研究水中懸空管道的動(dòng)力響應(yīng)特性，對(duì)保證水中懸空管道的安全運(yùn)營(yíng)十分重要。

2007年包日東等人[18]在建立流固耦合動(dòng)力響應(yīng)方程的基礎(chǔ)上，研究管道跨長(zhǎng)和管外徑對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響。管徑一定時(shí)，管道的固有頻率隨著節(jié)長(zhǎng)的增大而減小，管道增大到一定長(zhǎng)度后，頻率減小程度趨向平緩，發(fā)生渦激共振時(shí)，共振幅值隨著跨長(zhǎng)的增大而增大；節(jié)長(zhǎng)一定時(shí)，管道的高階固有頻率隨著管外徑增大而顯著增大，發(fā)生渦激共振時(shí)，共振幅值隨著管外徑的增大而增大，但對(duì)共振渦激頻率的影響非常小?？梢?jiàn)，管道節(jié)長(zhǎng)對(duì)渦激振動(dòng)的影響較大，管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施避免較長(zhǎng)懸跨節(jié)長(zhǎng)或較大跨徑比出現(xiàn)。

2003年李昕等[19]采用Morison理論建立動(dòng)力方程，在此理論基礎(chǔ)上進(jìn)行海底懸跨管道的動(dòng)力響應(yīng)特性分析。利用數(shù)值分析與試驗(yàn)相結(jié)合方法，研究約束條件、管跨長(zhǎng)、懸跨高度對(duì)管道動(dòng)力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：當(dāng)其他條件相同時(shí)，管道在兩端固支支撐條件下的應(yīng)變值小于兩端簡(jiǎn)支支撐條件下的應(yīng)變值；管道應(yīng)變值隨著管跨長(zhǎng)的增大而增大；管道應(yīng)變值隨著懸跨高度的增高而增大。管道實(shí)際約束情況接近于固支與簡(jiǎn)支支撐之間，實(shí)際施工中要加強(qiáng)管道的約束，減小管道的懸跨長(zhǎng)度和懸跨高度。

2014年劉龍等人[20]采用Hamilton理論建立懸浮管道的動(dòng)力方程，用精細(xì)積分法求解方程。此方法計(jì)算結(jié)果精確且在工程中廣泛應(yīng)用。在此理論基礎(chǔ)上研究不同內(nèi)流流速、壓強(qiáng)、材料阻尼等參數(shù)對(duì)管道渦激振動(dòng)的影響。結(jié)果表明：在相同共振時(shí)程內(nèi)，橫向最大響應(yīng)位移值約為0.6 m，順向最大響應(yīng)位移值約為0.056 m，管道在渦激響應(yīng)中的主振動(dòng)為橫向振動(dòng)；在海流流速為0.2 m/s的條件下，共振響應(yīng)幅值隨著內(nèi)流流速和壓強(qiáng)的增大而顯著增大，但不同材料阻尼對(duì)其的影響較小。但他的研究假設(shè)管內(nèi)流體為勻速運(yùn)動(dòng)，未考慮管體與內(nèi)部流體具有耦合作用。

2016年Wang Zhiqian等人[21]提出非穩(wěn)定參數(shù)和渦激振動(dòng)是影響海底懸浮管道安全的主要因素，由此建立管道振動(dòng)方程，比較管道在不同參數(shù)作用下的渦激振動(dòng)位移幅值。結(jié)果表明：動(dòng)力系數(shù)和相位角對(duì)管道的渦激振動(dòng)影響非常大。

2014年Yu Lin Deng等人[22]基于流固耦合數(shù)值分析方法，利用有限元分析軟件ADINA，建立了自由大跨度海底柔性管道在地震作用下的有限元模型。采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法，研究了流固耦合作用對(duì)海底管道地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)考慮流固耦合作用時(shí)，管道的最大應(yīng)力值和最大位移值明顯增大；流固耦合作用對(duì)海底管道的地震動(dòng)力響應(yīng)隨著管道的直徑增加而增加。

He Yong等人[23，24]提出考慮幾何非線性對(duì)海底懸跨管道分析結(jié)果的影響，分析結(jié)果表示：當(dāng)懸跨管道較大時(shí)非線性對(duì)管道的疲勞損壞和振動(dòng)分析結(jié)果影響很大，對(duì)較小跨度的懸跨管道影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

海底管道對(duì)海上石油開(kāi)采事業(yè)的發(fā)展和安全運(yùn)輸起著至關(guān)重要的作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海底管道作了大量研究。通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)和相關(guān)資料，得到如下結(jié)論：

1)采用非線性理論計(jì)算流體速度勢(shì)較繁瑣，但計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，更加貼近工程實(shí)際。2)利用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，可采用蘭索斯法提取模態(tài)值，此方法計(jì)算結(jié)果精度高，且計(jì)算速度較快。3)經(jīng)大量的研究表明，海底管道的跨徑比對(duì)渦激振動(dòng)的影響較大，應(yīng)采取相應(yīng)措施減小懸空管道跨徑比值。4)在動(dòng)力響應(yīng)研究方面，考慮流固耦合的研究偏少，研究渦激動(dòng)力時(shí)考慮流固耦合更符合管道實(shí)際受力情況，該項(xiàng)工作有待進(jìn)一步深入研究。

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Summary on the study of dynamic response for suspended pipeline★

Lu Zhaohong Gao Shanshan Liu Yingchun Yan Liang

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318,China)

Based on the summary of research result of scholars at home and abroad to submarine suspended pipelines dynamic response, the methods of solving wave loads, modal analysis of suspended pipeline and factors influencing dynamic effects were summarized. Which can foundation for the further research, design and construction of suspended pipeline.

wave force, modal analysis, dynamic response, suspended pipeline

2017-04-05

★:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：51578120)；黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201610220015)

盧召紅(1976- )，男，碩士，副教授

1009-6825(2017)18-0012-04

TU311

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