復(fù)合材料對(duì)海洋管線裂紋的修復(fù)效果分析

洪志強(qiáng)

摘 要：隨著海底管線使用年限的增加及環(huán)境或人為的因素，管線不可避免的出現(xiàn)裂紋等破壞情況。本文通過(guò)典型算例得到地震作用下裂紋管線的響應(yīng)時(shí)程。同時(shí)采用三維有限元分析方法模擬裂紋管線的地震響應(yīng)。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者分析結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本文方法的有效性，說(shuō)明該方法不但可以較為準(zhǔn)確地模擬裂紋管線的地震響應(yīng)，而且與傳統(tǒng)有限元分析方法相比具有較高的計(jì)算效率，可實(shí)現(xiàn)管線在地震作用下的快速結(jié)構(gòu)分析，為裂紋管線的地震安全評(píng)估提供了一種有效方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；海洋管線裂紋；修復(fù)效果

1.引言

在海洋石油天然氣開(kāi)發(fā)工作中，海底管線是極為重要的一部分，因此也被叫做“海洋油氣田生命線”（Mattos H S D C et al.2016）[1]。信息化時(shí)代的到來(lái)，讓海洋石油勘察開(kāi)發(fā)效率不斷提升，海底復(fù)雜曲折的尤其管線則慢慢變成能源運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。由于海水深度高，海洋環(huán)境復(fù)雜，海洋油氣管線必須依照海洋環(huán)境不斷延伸，容易導(dǎo)致油氣管線發(fā)生爆裂，從而導(dǎo)致油氣混入海洋當(dāng)中，污染海洋環(huán)境，這樣的事故在近年來(lái)頻頻發(fā)生（Manalo A et al.2016）[2]。回顧近二十年來(lái)的海底管線安全事故，在1998年和2000年，我國(guó)東海平湖油田的輸氣管線分別遭到了兩次破壞；2000年，位于渤海灣渤西的一條海底天然氣輸送管線嚴(yán)重滲漏，嚴(yán)重破壞了海洋環(huán)境；2001年，我國(guó)最大的海上油田——綏中36-1油田的油氣向外泄露，導(dǎo)致發(fā)生油氣泄漏事故；2011年，中海油珠海海底天然氣管線發(fā)生泄漏，且此次泄露導(dǎo)致天然氣凈產(chǎn)量為每天160百萬(wàn)立方英尺。以上種種海洋油氣泄露事件，不僅浪費(fèi)了大量的海洋天然氣石油資源，還對(duì)海洋環(huán)境造成了一定程度的破壞且在數(shù)十年內(nèi)難以恢復(fù)，其所造成的影響是不可估量的（Choi J et al.2016）[3]。然而，海底管線的使用不同于一般的環(huán)境，當(dāng)海底管線即將到使用年限時(shí)，再加上人為因素，很容易導(dǎo)致海底管線爆裂，從而導(dǎo)致油氣資源泄露（Zhang Y M et al.2016）[4]。因此，必須要進(jìn)行定期勘察，及時(shí)更換即將達(dá)到使用年限的海底管線，并做好預(yù)防工作，掌握裂紋管線的抗震效果。對(duì)海洋管線事故的預(yù)防和修復(fù)的研究是當(dāng)前刻不容緩的事（Beek F A V et al.2017）[5]。

2.文獻(xiàn)綜述

海底管線埋設(shè)在海底當(dāng)中，會(huì)受到波浪、地震等影響以及壽面的減短而逐漸產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致整體構(gòu)架遭到損壞，可能產(chǎn)生泄露的嚴(yán)重后果。因此，依據(jù)海底管線的埋設(shè)特點(diǎn)，模擬出一種與海底管線裂紋相同的裂紋模型，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度對(duì)裂紋模型加以分析，能夠有利于了解海底管線裂紋的承載能力。一般情況下采用的裂紋模型有幾種，如以局部柔度為研究重點(diǎn)的裂紋模型、基于一致裂紋梁原理的裂紋模型、以等效降截面為核心的裂紋模型等（Valiulin I R et al.2017）[6]。對(duì)此，有學(xué)者從等效降截面的角度出發(fā)，利用局部彎矩或降截面來(lái)研究局部不連續(xù)梁柔度對(duì)裂紋模型的影響程度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，等效降截面雖然能夠準(zhǔn)確地分析切口，卻不能準(zhǔn)確分析真實(shí)的裂紋，不適用于本次研究。其中的主要原因在于切口與裂紋的特征不相同，無(wú)法以切口來(lái)對(duì)裂紋下定論，所以該項(xiàng)方法可行度不高。另外，有的學(xué)者提出了一致Euler裂紋梁理論，更有后者基于有限元計(jì)對(duì)該理論進(jìn)行驗(yàn)證。還有的學(xué)者對(duì)一致Euler裂紋梁理論進(jìn)行創(chuàng)新，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證（Orga A C et al.2017）[7]。

3.實(shí)證分析

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性，木文使用大型有限元軟件ANSYS建立了貫穿裂紋管模型。并模擬El-Centro地震波，得到裂紋管線有限元模型在地震作用下的時(shí)程曲線。考慮到裂紋尖端的應(yīng)力奇異性，在使用大型有限元軟件ANSYS建立裂紋管的有限元模型時(shí)，將模型分為裂紋區(qū)域和非裂紋區(qū)域兩部分。裂紋區(qū)域采用等參退化的Solid95奇異單元，非裂紋區(qū)域使用非退化的Solid95單元。Solid95是三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元高階形式，能夠容許不規(guī)則形狀，有20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即X，Y，Z方向，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。將ANSYS建立的固支裂紋管有限元模型沿跨長(zhǎng)（用L表示）劃分為237個(gè)單元，取表I中基準(zhǔn)模型參數(shù)，裂紋位置在距管線左端0.2L、0.3L、0.4L、0.5L處，裂紋深度0.05m、0.08m、0.11m、0.14m。首先針對(duì)兩端固支裂紋管有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到不同裂紋位置、不同裂紋深度的前兩階固有頻率，與本文編寫(xiě)的MATLAB程序計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)地震作用下六種工況的管線裂紋單元的剪力、彎矩、位移的計(jì)算，從圖中可以看出，裂紋存在時(shí)裂紋單元剪力、彎矩、位移與無(wú)裂紋時(shí)同一單元剪力、彎矩、位移相差不大。裂紋在管線同一位置時(shí)，裂紋深度的變化對(duì)剪力、彎矩、位移的影響較小。這是由于裂紋的存在使管線結(jié)構(gòu)局部剛度減小，但對(duì)整體剛度影響不大，因此對(duì)剪力、彎矩、位移的整體反應(yīng)的影響較小。在地震響應(yīng)整個(gè)過(guò)程中，管線各參數(shù)相同時(shí)，同一位置裂紋單元的剪力峰值在兩端固支約束情況下比在兩端簡(jiǎn)支約束情況下要大很多，裂紋單元的彎矩和位移峰值在兩端固支約束情況下比在兩端簡(jiǎn)支約束情況下小很多。裂紋管線由于大撓度、大變形更易發(fā)生彎曲破壞，造成斷裂等危險(xiǎn)情況，因此處于近似簡(jiǎn)支約束下的裂紋管線結(jié)構(gòu)更加危險(xiǎn)。

4.研究結(jié)論

隨著海洋油氣資源的不斷勘察開(kāi)采，需要不斷擴(kuò)大海底管線的規(guī)模以滿足資源開(kāi)發(fā)的需要。尤其是地震，由于劇烈震動(dòng)更是加劇了管線產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致泄露的可能性。基于此，對(duì)海底線管的抗震研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)此，本文針對(duì)海底管線產(chǎn)生裂紋的情況，選擇能夠簡(jiǎn)單、高效、準(zhǔn)確計(jì)算出其動(dòng)力響應(yīng)的方式，以便對(duì)海底管線抗震情況進(jìn)行深入分析，具體過(guò)程如下：以局部柔度理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出海底懸跨裂紋管線的有限元計(jì)算模型，充分考慮地震引起的各種影響，列出裂紋管線的動(dòng)力分析方程。在MATLAB中對(duì)程序進(jìn)行編輯，對(duì)外界條件不同的工況的裂紋管線自振頻率和地震響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。用傳統(tǒng)的有限元軟件ANSYS構(gòu)造裂紋管線模型進(jìn)行模擬。經(jīng)過(guò)對(duì)比，在地震環(huán)境中裂紋管線的位移時(shí)程曲線和改進(jìn)后的結(jié)果相吻合。由此可見(jiàn)，使用MATLAB程序具有更高的可行性，適用于計(jì)算海底裂紋管線的自振特性及動(dòng)力響應(yīng)。使用MATLAB程序還能大大提升計(jì)算效率，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，可見(jiàn)本文的方式是可行的。

參考文獻(xiàn)

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[3]Choi J，Kim H，Cho S，et al.Structural Analysis and Safety Assessment of KS D 3631 Gas Pipeline Repaired by Carbon Fiber Composite Material Sleeve[J].Journal of the Korean Institute of Gas，2016，20（5）：96-103.

[4]Zhang Y M，Tan T K，Xiao Z M，et al.Failure assessment on offshore girth welded pipelines due to corrosion defects[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2016，39（4）：453-466.

[5]Beek F A V，Wind H G.Numerical modelling of erosion and sedimentation around offshore pipelines[J].Coastal Engineering，2017，14（2）：107-128.

[6]Valiulin I R，Solovmev E A，F(xiàn)ik A S，et al.Effect of welding technology on the mechanical properties of welded joints in pipes for deep water offshore gas pipelines[J].Welding International，2017，31（5）：363-368.

[7]Orga A C，Obibuenyi J I，Nwozuzu S.An Offshore Natural Gas Transmission Pipeline Model and Analysis for the Prediction and Detection of Condensate/Hydrate Formation Conditions[J].Iosr Journal of Applied Chemistry，2017，10（4）：37-43.

[8]Rouse S，Hayes P，Davies I M，et al.Offshore pipeline decommissioning：Scale and context[J].Marine Pollution Bulletin，2018，129（1）：241-244.

作者簡(jiǎn)介：

洪志強(qiáng)，湖南人文科技學(xué)院，能源與機(jī)電工程學(xué)院。