深海管道在沖擊載荷作用下的局部屈曲特性研究

楊政龍，余建星，陳海成，余?楊，段晶輝

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深海管道在沖擊載荷作用下的局部屈曲特性研究

楊政龍1, 2，余建星1, 2，陳海成1, 2，余?楊1, 2，段晶輝1, 2

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

水下落物撞擊是海底管道的主要事故形式之一，而深水環(huán)境下的落物撞擊是高靜水壓聯(lián)合落物沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程．采用LS-DYNA有限元軟件建立了管道、海床數(shù)值模型，模擬外界水壓和沖擊載荷聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)過程，并通過全尺寸落物撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型方法的可靠性．利用驗(yàn)證的模型方法，研究了外界水壓對管道碰撞損傷及屈曲失穩(wěn)的影響.研究表明：落物撞擊主要對管道結(jié)構(gòu)的初始穩(wěn)定性造成影響，靜水壓力的附加做功加劇了管道的局部塑性變形．同時，隨著外界水壓增大，碰撞初始階段的塑性變形越大，甚至在高靜水壓作用下發(fā)生即刻的屈曲失穩(wěn)破壞．研究結(jié)果對復(fù)雜動力載荷作用下深海管道結(jié)構(gòu)安全評估具有一定的參考價值．

海底管道；凹陷；落物；屈曲

海底管道是海上油氣工業(yè)輸送和儲運(yùn)體系的重要模塊，在海洋油氣資源開發(fā)中發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用[1]．面對深海復(fù)雜惡劣的環(huán)境載荷和隨機(jī)多樣的第三方破壞，管道在安裝、運(yùn)營和維護(hù)階段都面臨著巨大的安全隱患[2]．近年來，國內(nèi)外經(jīng)常發(fā)生海底管道失效泄漏事故，造成巨大的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，其中落物撞擊是事故的主要原因之一[3-4]．因此，掌握深海管道碰撞動力學(xué)行為特征及失效機(jī)理，對保障管線安全運(yùn)營具有重要意義[5]．

關(guān)于管道碰撞損傷后果研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究．Jones等[6-7]提出了一種理論方法，用于預(yù)測固定管道在落錘撞擊作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)．Yu等[8]提出了三維局部伽遼金離散方法，研究海底管道在落錨撞擊作用下的變形行為，進(jìn)行了縮比尺模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的可靠性．Yang?等[9]通過縮尺比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了兩根管道在垂直方向發(fā)生碰撞后的動態(tài)響應(yīng)過程．楊秀娟等[10]采用有限元方法研究了物體形狀、撞擊角度、摩擦、內(nèi)壓、混凝土厚度、埋深及懸空長度對管道撞擊塑性變形的影響．Liang等[11]通過一系列全尺寸落物實(shí)驗(yàn)，對撞擊過程中的能量轉(zhuǎn)移和概率分布進(jìn)行了研究，結(jié)合有限元模擬確定了管道失效應(yīng)變．Zhu等[12]針對不同徑厚比、兩端固支懸跨鋼管進(jìn)行了側(cè)向動態(tài)撞擊實(shí)驗(yàn)，研究了撞擊點(diǎn)位置對管道損傷的影響，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了撞擊能量與管件局部、整體變形及吸能的經(jīng)驗(yàn)公式．Zeinoddini等[13]通過縮比尺實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法相結(jié)合，研究了軸向載荷和橫向沖擊載荷聯(lián)合作用下鋼制管的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)軸向載荷對鋼管的抗沖擊能力有明顯影響．Martin等[14]針對X65管道在空管和注滿水工況下的碰撞行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究．

目前，已有的研究集中在不同支撐形式、管道材料幾何參數(shù)、撞擊條件下的管道碰撞損傷研究，參與分析的載荷形式為沖擊載荷、軸力、內(nèi)壓等，往往忽略了靜水壓力作用下管道發(fā)生屈曲的可能性．然而，深海管道在其受力和變形條件稍有惡化時，極容易在外界水壓作用下產(chǎn)生屈曲破壞[15]．因此，考慮靜水壓作用下管道碰撞動態(tài)響應(yīng)及屈曲特性的研究十分?必要．

鑒于上述分析，本文采用LS-DYNA有限元軟件，建立了沖擊載荷和深水壓聯(lián)合作用下管道數(shù)值模型，開展全尺寸落物撞擊實(shí)驗(yàn)對模型的可靠性進(jìn)行對比驗(yàn)證，并分析了外界水壓對管道碰撞損傷及屈曲的影響規(guī)律．

1?數(shù)值模型和仿真方法

1.1?計(jì)算模型

采用LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行建模分析，計(jì)算模型選用API X65材質(zhì)的海底管道，管道直徑＝325,mm，壁厚＝10,mm，管道長度＝6,m，采用shell163殼單元．海床土體長度(軸)、寬度(軸)、深度(軸)分別取6,m、6,m、1.5,m．落物為DNV規(guī)范中定義的楔形棱邊形式[16]，落物和海床采用solid164實(shí)體單元．落物在撞擊過程中的變形很小以至于可以忽略，將其設(shè)置為剛性體．

管道兩端設(shè)為固端約束，海床四周和底部設(shè)為固定約束，上表面為自由邊界．接觸方面，落物與管道之間、管道與海床土體之間均設(shè)定為自動面面接觸(ASTS)．落物撞擊區(qū)域附近管道局部變形較大，節(jié)點(diǎn)位移變化較快，需要對網(wǎng)格加密來提高計(jì)算精度；在遠(yuǎn)離撞擊位置處，采取漸變形式的網(wǎng)格劃分，模型如圖1所示．

圖1?三維數(shù)值模擬模型

1.2?材料模型

???(1)

圖2為實(shí)驗(yàn)管道材料的準(zhǔn)靜態(tài)(應(yīng)變率為0.001,s-1)單向拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，本文沒有測試不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，鑒于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線與Jones[17]公布的測試結(jié)果吻合較好，數(shù)值模擬中Cowper-Symonds模型參數(shù)也采用其擬合的數(shù)據(jù)，具體參數(shù)如表1所示．

圖2?X65材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1?管道材料參數(shù)

Tab.1?Pipeline material parameters

1.3?聯(lián)合載荷加載方法

為了實(shí)現(xiàn)沖擊載荷和深水壓的聯(lián)合作用，數(shù)值模擬中需要設(shè)置兩階段的加載分析步．

第１步為加壓階段．對管道外表面逐步施加靜水壓力至目標(biāo)壓力水平，并在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定．該過程中管道單元應(yīng)力水平隨著靜水壓力的升高而同步增大，并在靜水壓力恒定后保持穩(wěn)定狀態(tài)，而管道表面節(jié)點(diǎn)發(fā)生的變形則十分微弱，可以忽略．

第2步為撞擊階段．賦予落物一定的初始下落速度，垂直撞擊穩(wěn)定受壓管道的跨中位置，實(shí)現(xiàn)對深水環(huán)境碰撞過程的模擬分析．

2?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1?落物撞擊實(shí)驗(yàn)

目前，鮮見已發(fā)表的考慮外界水壓作用的管道碰撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，本文開展了最接近的暫不受外壓、空管狀態(tài)下全尺寸落物撞擊實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)采取落錘定位的方式，模擬法蘭從指定高度垂直自由落體正中撞擊管道的碰撞過程，撞擊點(diǎn)位于管道中段位置，為剛性鐵板支撐條件．如圖3所示，落物撞擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括起重平臺、落物、支撐基礎(chǔ)和高速攝像機(jī)．

圖3?落物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖4所示，撞擊實(shí)驗(yàn)由高速攝像機(jī)全程拍攝記錄，自配的運(yùn)動圖像分析軟件可給出撞擊過程中落物的加速度、位移時程數(shù)據(jù)，根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算得到撞擊力-位移曲線．在碰撞過程中，落物與管道一直保持接觸未分離，可認(rèn)為兩者的運(yùn)動時程曲線和撞擊力-位移曲線保持一致．同時也可觀察落物撞擊姿態(tài)，判斷是否無偏轉(zhuǎn)垂直擊中管正中位置．

圖4?高速攝像機(jī)及撞擊照片

實(shí)驗(yàn)從撞擊能量k角度出發(fā)，設(shè)計(jì)選取了一定質(zhì)量法蘭從6～10,m高度處自由落體撞擊管道實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工況如表2所示．

表2?撞擊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工況

Tab.2?Designed conditions for the impact experiment

2.2?實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

針對不同撞擊能量，開展了全尺寸落物撞擊實(shí)驗(yàn)，如圖5所示．采用本文數(shù)值模擬方法建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，管道底部設(shè)置剛性平板，以模擬實(shí)驗(yàn)剛性支撐條件．分析步不考慮第1步外界靜水壓作用，直接進(jìn)行第2步撞擊加載計(jì)算，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析．

圖5?有限元模型

2.2.1?撞擊動態(tài)過程

以A031實(shí)驗(yàn)管道為例，將數(shù)值計(jì)算的落物加速度時程曲線、撞擊力-位移曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對，如圖6所示．其中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為落物與管道未分離前的力-位移曲線，數(shù)值模擬結(jié)果為管道整個碰撞過程的撞擊力-位移曲線，包括了兩者分離后的回彈位移，即撞擊力為0后的位移．

由圖6可知，數(shù)值模擬的運(yùn)動參數(shù)曲線趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，管道先后經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形和回彈變形的過程．在撞擊力和位移方面，存在一定的差異：隨著變形位移的增大，數(shù)值模擬撞擊力比實(shí)驗(yàn)值偏大，最大撞擊力比實(shí)驗(yàn)值偏大5.1%,；數(shù)值模擬最大位移和永久位移分別比實(shí)驗(yàn)值偏小8.5%,和5.7%,．分析主要原因?yàn)閿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)值模擬參數(shù)選取存在一定的誤差影響．

圖6?動態(tài)過程對比

2.2.2?管道損傷變形

圖7(a)為實(shí)驗(yàn)后管道的局部凹陷損傷形式，采用三維機(jī)械臂對實(shí)驗(yàn)管件進(jìn)行外輪廓掃描，選取最大凹陷橫斷面以觀察變形．如圖7(b)所示，圓形截面在沖擊載荷作用下，其頂部撞擊處發(fā)生了局部凹陷損傷，用凹陷深度來表征；隨著落物對管道進(jìn)行沖擊擠壓，截面整體還產(chǎn)生了附加橢圓度o，表達(dá)式[18]為

???(2)

圖8?實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

表3?實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

Tab.3?Comparison of test and simulation results

3?外界水壓對管道碰撞損傷及屈曲的影響

深海管道在運(yùn)營過程中，受到內(nèi)部流動介質(zhì)壓力和外界水壓的同時作用，為了研究徑向壓力e對管道碰撞響應(yīng)過程的影響規(guī)律，保持落物質(zhì)量(＝100,kg)、撞擊速度(＝14,m/s)不變，分別設(shè)置徑向壓力e為－4,MPa、－2,MPa、0,MPa、2,MPa、4,MPa、6,MPa、8,MPa、10,MPa和12,MPa，當(dāng)管件外壓大于內(nèi)壓時，e值為正，即外壓與內(nèi)壓的差值為正；當(dāng)管件徑向外壓小于內(nèi)壓時，e值為負(fù)．

3.1?變形及屈曲分析

圖9給出了承受不同徑向壓力管道的頂部撞擊點(diǎn)力-位移曲線，圖10和圖11分別為管道的Mises應(yīng)力分布和平面的變形情況．

由圖9～11分析如下．

(1) 當(dāng)內(nèi)壓比外壓大時(-4～0,MPa)，隨著內(nèi)壓增大，撞擊力峰值不斷增大，但管道回彈后的最終凹陷深度減?。?/p>

(2) 當(dāng)外壓大于內(nèi)壓時(0～8,MPa)，隨著外壓增大，撞擊力峰值不斷減小，但管道變形位移不斷增大，很小撞擊力就造成了很大的塑性變形．

圖9?撞擊力-位移曲線

圖10?管道Mises應(yīng)力云圖

圖11?yz平面變形位移

(3) 當(dāng)外壓繼續(xù)增大時(10～12,MPa)，管道撞擊點(diǎn)變形截面達(dá)到了該外界水壓力下的極限承載力，瞬間發(fā)生了局部屈曲失穩(wěn)的大變形現(xiàn)象．

(4) 隨著外壓增大，管壁最大Mises應(yīng)力不斷增大，且有效應(yīng)力范圍沿軸向兩端擴(kuò)展；同時截面凹陷深度也不斷增大，且變形速率逐步變大．

3.2?能量分析

不同徑向壓力下，管道結(jié)構(gòu)的總吸能情況如圖12所示．

圖12?不同徑向壓力下管道吸能量

由圖12可以發(fā)現(xiàn)以下3點(diǎn)．

(1) 隨著外壓增大，管道塑性變形吸能不斷增加；從e＝6,MPa開始，管道吸能逐漸超過落物初始動能，絕大部分來源于靜水壓力做功．

(2) 對于發(fā)生屈曲失穩(wěn)的管道，隨著壓潰大變形，靜水壓力做了大量的功．因此，屈曲失穩(wěn)管道的總吸能比未失穩(wěn)管道吸能超出兩個量級，約為215倍.

(3) 在外壓8～10,MPa之間(壓潰臨界區(qū)域)，存在一個臨界外部水壓值，即外壓等于或大于此值，管道發(fā)生即刻屈曲失穩(wěn)破壞．

4?結(jié)?論

針對深海管道在外界水壓和沖擊載荷聯(lián)合作用下的動態(tài)響應(yīng)建立了有限元數(shù)值模型，并通過全尺寸落物撞擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型方法的可靠性．繼而分析了外界水壓對管道碰撞響應(yīng)過程的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論．

(1) LS-DYNA有限元方法能夠準(zhǔn)確地模擬管道碰撞的動態(tài)響應(yīng)過程，模擬數(shù)值計(jì)算的橢圓度、凹陷深度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大相對誤差分別為11.44%,和11.83%,．

(2) 考慮靜水壓力的管道碰撞響應(yīng)特性與無靜水壓力環(huán)境下存在顯著的差異，隨著外界水壓增大，管道的耐撞性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不斷降低，主要表現(xiàn)為：深水環(huán)境下的管件碰撞過程，不只是落物撞擊對管道做功變形，而靜水壓力也參與了對管道附加做功，加劇了管道的局部塑性變形．當(dāng)截面結(jié)構(gòu)發(fā)生過大變形以致于不能繼續(xù)承載外部水壓力時，管道還會在撞擊處發(fā)生即刻屈曲失穩(wěn)破壞．

(3) 落物撞擊只在初始階段對管道結(jié)構(gòu)的初始穩(wěn)定性帶來影響，隨著靜水壓力增大，落物撞擊的影響逐漸變小，靜水壓力的影響逐漸變大．對于管件后期的屈曲失穩(wěn)變形，則完全由靜水壓力做功完成．

(4) 對于管道碰撞損傷評估，不應(yīng)忽略靜水壓力作用下管道發(fā)生屈曲失穩(wěn)的可能性，這對研究和工程實(shí)際非常不利，研究結(jié)果可為復(fù)雜動力載荷作用下深海管道結(jié)構(gòu)安全評估提供一定的參考．

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(責(zé)任編輯：王新英)

Local Buckling Characteristics of Deep-Sea Pipelines Under Impact Loading

Yang Zhenglong1, 2，Yu Jianxing1, 2，Chen Haicheng1, 2，Yu Yang1, 2，Duan Jinghui1, 2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China)

The impact of a dropped objects under water is one of the main forms of submarine pipeline accidents. While in deep water，the submarine pipelines suffers the combined effect of a high hydrostatic pressure and the impact load. A numerical model of the pipeline and seabed is established using LS-DYNA finite element software，that simulates the dynamic response process of structure under the combined action of the external hydrostatic pressure and impact load. The simulations are verified by the results of full-scale dropped object impact tests. The effect of external hydrostatic pressure on the collision damage and buckling of the pipe is studied by the verified model. The results show that the impact of falling objects mainly affects the initial stability of pipeline structure. Meanwhile，the additional work of hydrostatic pressure increases the local plastic deformation of the pipe. The plastic deformation at the initial stage of the collision becomes more serious with the increase of external hydrostatic pressure，and buckling even occurs instantaneously when the pipeline is exposed to a high enough hydrostatic pressure. The research results provide reference for the safety assessment of deep-sea pipeline structures under complex dynamic loading.

submarine pipeline；dent；dropped objects；buckling

10.11784/tdxbz201804073

P752

A

0493-2137(2019)03-0255-07

2018-04-19；

2018-05-16.

楊政龍（1988—??），男，博士研究生，uujoey@163.com.

余?楊，yang.yu@tju.edu.cn.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB046804)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51239008)；國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX05057020).

the National Basic Research Program of China(No.,2014CB046804)，the National Natural Science Foundation of China (No.,51239008)，the National Science and Technology Major Project(No.,2016ZX05057020).