海底懸空管道受墜物撞擊凹陷損傷研究?

李 偉， 郭海燕??， 李曉秋

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司技術(shù)研發(fā)中心，天津 300452)

海底管道是通過密閉管道在海底連續(xù)輸送大量油(氣)的管道，是海上油(氣)田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，也是目前最快捷、安全和經(jīng)濟(jì)可靠的海上油氣運輸方式。海底管道輸油效率高、運油能力強(qiáng)，因此在油氣工業(yè)鏈中被廣泛應(yīng)用。

在海底管道安裝和油氣輸送過程中，漁業(yè)捕撈等人類海洋活動經(jīng)常造成物體墜落，進(jìn)而與管道發(fā)生碰撞，給海底管道造成了不利損傷。此外，由于長期受海底地形、海流以及沙土等因素的影響，海底管道會出現(xiàn)沖刷掏空現(xiàn)象，從而產(chǎn)生局部懸空管段。因此，對海底懸空管道受墜物撞擊產(chǎn)生的損傷進(jìn)行分析，具有重要的實際意義。

海底管道受墜物撞擊是一個高度非線性問題，不僅要考慮墜物與管道的接觸，還應(yīng)考慮管道與海床土體的相互作用。DNV規(guī)范[1-2]指出了海底管線損傷的不同級別，規(guī)定了海底管線受到拖網(wǎng)漁具或外來物體沖擊后的變形限制條件，給出了允許的最大永久凹陷深度與管線半徑的關(guān)系，但在計算時假定沖擊能量完全由管道凹陷變形吸收，忽略了墜物、海床土體以及其他方面對能量的吸收，也簡化了沖擊過程中諸多非線性因素的影響。理論研究方面，Wierzbicki和Suh等[3]、Bai Yong等[4]、Ellinas和Wallker等[5]、Furnes和Amdahl[6]均給出了沖擊能量或沖擊荷載與管道凹陷損傷之間的關(guān)系，但都在不同程度上作了簡化，無法反映墜物撞擊管道更加真實的情況。運用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬，可以更好地解決此類問題。

目前，關(guān)于海底管道碰撞損傷的有限元數(shù)值模擬大多集中在裸置管道[7-9]，對于懸空管道受墜物撞擊后的損傷研究則比較少。黃小光等[10]對海底懸空管道受拋描撞擊過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了錨擊速度和管道混凝土層對管道最大等效應(yīng)力的影響，但是對于管土之間的耦合作用，采用非線性彈簧模擬，不能較好地反映海床的作用；婁敏等[11]考慮管土相互作用，以Drucker-Prager模型模擬海床，模擬海底懸空管道受墜物撞擊的動態(tài)響應(yīng)過程，分析了撞擊速度、墜物質(zhì)量、墜物形狀以及海床土體參數(shù)對管道凹陷變形及動力響應(yīng)幅值的影響，但沒有就其他因素對海底懸空管道動態(tài)響應(yīng)的影響作進(jìn)一步研究。

LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式動力分析程序，可以較為精確地處理各種高度非線性問題。本文基于非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，建立墜物、海底懸空管道以及海床的三維模型，考慮接觸、摩擦和管土耦合作用，模擬海底懸空管道受墜物撞擊的動態(tài)過程，對比分析撞擊能量、撞擊角度、墜物與管道之間的摩擦對海底懸空管道受撞擊后凹陷損傷的影響。

1 墜物沖擊速度與沖擊能量

物體在水中下落，當(dāng)物體重力、浮力以及流體阻力達(dá)到力學(xué)平衡時，其沉降速度趨于穩(wěn)定。在物體下降50～100 m的水深后，通常會達(dá)到其最終速度，物體受力平衡，之后以恒定速度繼續(xù)下落[1]?？捎萌缦碌仁奖硎荆?/p>

(1)

其中：m為物體質(zhì)量；g為重力加速度；V為物體置換水的體積；ρwater為水的密度；CD為物體的拖曳力系數(shù)；A為物體在下落方向的投影面積；vT為物體在水中的最終速度。

物體在最終速度時的動能ET為：

(2)

聯(lián)合(1)式得：

(3)

在沖擊中發(fā)揮作用的動能EE，不僅包括最終速度動能，還包括由附加水質(zhì)量引起的動能，用EA表示。則有效沖擊能變?yōu)椋?/p>

(4)

其中，附加質(zhì)量(kg)：

ma=ρw·Ca·V，

(5)

本文附加質(zhì)量以附加質(zhì)量密度的形式[12]表達(dá)為：

(6)

其中：ρe為墜物等效密度；ρw為海水密度；ρa(bǔ)為墜物密度；Ca為附加質(zhì)量系數(shù)。

2 海底懸空管道受墜物撞擊數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

本文選取海底懸空管道兩端均埋于海床土體的情況，見圖1。

圖1 海底懸空管道示意圖Fig.1 Diagram of submarine suspended pipeline

海底管道模型的幾何參數(shù)選取參考海底管道工程設(shè)計參數(shù)，管道直徑選取0.508 m，管道壁厚0.012 7 m，管道材料為X65，其他材料屬性見表1。海底管道懸空段長度10 m，兩端入土各30 m。

表1 海底懸空管道材料屬性Table 1 Material attributes of submarine suspended pipeline

本文選用的墜物模型材料參數(shù)見表2。

表2 墜物材料屬性

以附加質(zhì)量密度的形式考慮墜物與海水的流固耦合作用，海水密度取1 025 kg/m3，附加質(zhì)量系數(shù)取1.0，由(6)式計算得墜物等效密度為8 875 kg/m3。

海底管道非懸空段與海床相互接觸，海床是一種典型的非線性材料，對管道受撞擊后的動態(tài)響應(yīng)有十分重要的作用。本文海床模型材料參數(shù)見表3。

表3 海床材料屬性

2.2 ANSYS/LS-DYNA建模

運用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對海底懸空管受墜物撞擊過程進(jìn)行數(shù)值模擬，需要確定合適的單元類型、材料模型、接觸類型和邊界條件等。

本文選用實體單元SOLID164模擬墜物以及海床土體，選用殼單元SHELL163模擬管道。墜物選用剛體Rigid模型，管道選用塑性隨動強(qiáng)化Cowper-Symbonds模型，海床選用適合模擬土壤的Drucker-Prager模型。通過劃分單元網(wǎng)格，并對管土接觸部分網(wǎng)格加密，建立墜物撞擊海底懸空管道的三維有限元模型。

模型邊界條件的設(shè)定：對懸空管道兩端固定軸向位移，其余方向自由；海床上表面邊界自由，下表面固定豎向位移，即Y向位移，其余側(cè)面均固定側(cè)向位移，即與XOY平面平行的面約束Z方向位移、與YOZ平面平行的面約束X方向位移。

墜物與管道、管道與海床之間的接觸均設(shè)置為自動面面接觸(ASTS)。LS-DYNA程序中，物體之間的接觸無需通過接觸單元模擬，而是通過定義接觸面和目標(biāo)面來實現(xiàn)。面面接觸由于完全對稱，所以接觸面與目標(biāo)面的選擇是任意的；自動接觸不需要人工干預(yù)接觸方向。定義接觸時，設(shè)置相應(yīng)摩擦系數(shù)以考慮摩擦的作用。本文動、靜摩擦系數(shù)分別為0.2及0.3[13]。

ANSYS/LS-DYNA建立的海底懸空管道受墜物撞擊有限元模型見圖2。

圖2 海底懸空管道受墜物撞擊有限元模型Fig.2 The finite element model of submarine suspended pipeline impacted by dropped objects

2.3 ANSYS/LS-DYNA求解

所有設(shè)定完成之后，生成K文件并對K文件進(jìn)行進(jìn)一步編輯，本文中對Drucker-Prager模型相關(guān)參數(shù)的輸入在K文件中完成。編輯完成后，將K文件遞交給LS-DYNA求解器求解。

3 計算結(jié)果分析

LS-PREPOST是LSTC公司專門為LS-DYNA求解器開發(fā)的后處理器，它提供快速的后處理功能，本文選用LS-PREPOST對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理。

為驗證本文數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取質(zhì)量為1 000 kg的實心球體墜物，以7 m/s的速度垂直撞擊海底懸空管道，將管道在受墜物撞擊部位產(chǎn)生的凹陷損傷與文獻(xiàn)[11]計算結(jié)果作對比，如圖3所示。

圖3 管道在受墜物撞擊部位產(chǎn)生的凹陷損傷Fig.3 Dent damage of the impacted part on pipeline by dropped objects

從上圖可以看出，本文數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[11]計算結(jié)果較為吻合。

3.1 不同撞擊能量對管道凹陷損傷的影響

本文選用不同質(zhì)量的實心球體，由公式(1)確定其撞擊速度，然后分別得出管道在受撞擊部位的凹陷損傷。具體墜物參數(shù)見表4。

表4 實心球體墜物參數(shù)Table 4 Attributes of solid sphere dropped objects

海底懸空管道在受撞擊部位的最大凹陷損傷以及最終凹陷損傷見圖4。

從計算結(jié)果中可以看出，隨著球體墜物撞擊能量的增大，海底懸空管道受撞擊部位的最大凹陷損傷以及最終凹陷損傷都變大，管道更易發(fā)生破壞，給管道安全帶來更大的威脅。

3.2 不同撞擊角度對管道凹陷損傷的影響

在實際工程案例中，由于海流等因素的影響，墜物撞擊海底懸空管道有可能不是垂直撞擊，而是以一定的傾斜角度與管道發(fā)生碰撞。本文分別對沿管道長度方向、管道橫向，墜物以30°、45°、60°、90°撞擊管道的工況進(jìn)行模擬，對比不同工況下管道受撞擊部位的凹陷損傷。圖5 為不同撞擊角度示意圖。

圖4 管道受球體墜物撞擊凹陷損傷Fig.4 Dent damage of the impacted part on pipeline by sphere objects

圖5 不同撞擊角度示意圖Fig.5 Diagram of different impact angles

3.2.1 沿管道長度方向墜物不同撞擊角度對管道凹陷損傷的影響 墜物沿管道長度方向以30°、45°、60°、90°撞擊，管道受撞擊部位的最大凹陷損傷以及最終凹陷損傷見圖6。

由此可見，沿管道長度方向，隨著墜物撞擊角度的增大，管道受撞擊部位的凹陷損傷變大；墜物質(zhì)量小于1 500 kg時，撞擊角度的影響不明顯，隨著墜物質(zhì)量的增大，撞擊角度對管道凹陷損傷的影響開始明顯。

3.2.2 沿管道橫向墜物不同撞擊角度對管道凹陷損傷的影響 墜物沿管道橫向以30°、45°、60°、90°的角度撞擊，管道受撞擊部位的最大凹陷損傷以及最終凹陷損傷見圖7。

由此可見，沿管道橫向，隨著墜物撞擊角度的增大，管道受撞擊部位的凹陷損傷變大；相比于長度方向上不同角度的撞擊，橫向撞擊在墜物質(zhì)量小于1 500 kg時已有較明顯的凹陷損傷差距；隨著墜物質(zhì)量的增大，撞擊角度對管道凹陷損傷的影響更加明顯。

圖6 沿管道長度方向不同撞擊角度對管道凹陷損傷的影響Fig.6 Influence on the dent damage of different impact angles along the longitudinal direction

圖7 沿管道橫向不同撞擊角度對管道凹陷損傷的影響Fig.7 Influence on the dent damage of different impact angles along the transverse direction

3.3 墜物與管道間摩擦對管道凹陷損傷的影響

墜物與海底懸空管道的表面并非是絕對光滑的，發(fā)生撞擊時，兩者之間存有摩擦。墜物與管道之間的摩擦對管道受撞擊部位凹陷損傷的影響見圖8、9。

圖8 墜物與管道間有無摩擦對管道凹陷損傷的影響Fig.8 Influence on the dent damage of friction between the object and pipeline

圖9 不同撞擊角度下有無摩擦對管道凹陷損傷的影響Fig.9 Influence on the dent damage of friction between the object and pipeline with different impact angles

從圖8可以看出，墜物與海底懸空管道之間摩擦的存在，使得管道受撞擊部位的凹陷損傷略微增大，但影響很?。豢偟膩碚f，摩擦對大質(zhì)量墜物撞擊管道產(chǎn)生的影響要比小質(zhì)量墜物顯著一些，但仍然不是很明顯。

圖9給出了不同撞擊角度下，有無摩擦對管道受撞擊部位凹陷損傷的影響?？梢钥闯觯瑝嬑锱c管道之間的摩擦對管道受撞擊部位的凹陷損傷影響不大，撞擊角度較小時，摩擦的影響略微明顯些。

4 結(jié)論

本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，模擬海底懸空管道受墜物撞擊的情況，并對管道受撞擊部位的凹陷損傷進(jìn)行了對比分析，得出如下結(jié)論。

(1)以規(guī)范中公式計算出的撞擊能量作為能量輸入，海底懸空管道受撞擊部位的凹陷損傷隨撞擊能量的增大而變大。

(2)相比于以一定的傾斜角度撞擊海底懸空管道，垂直撞擊引起管道的凹陷損傷最大；質(zhì)量較大的墜物，撞擊角度對管道凹陷損傷的影響更明顯。

(3)墜物與管道之間的摩擦使得管道受撞擊部位的凹陷損傷偏大，但影響很??；墜物撞擊角度較小時，摩擦對管道受撞擊部位凹陷損傷的影響略微明顯些。

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