水域?；份斔凸芫€波流作用研究現(xiàn)狀分析

鐘韡　張世富　胡永攀　毛育文

摘????? 要： 針對(duì)漂浮軟管及鋼質(zhì)管線，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研概述了國(guó)內(nèi)外波流作用研究分析現(xiàn)狀，指出漂浮軟管在靜力分析方面從忽略了軟管本身抗彎剛度的經(jīng)典懸鏈線方程求解到經(jīng)典張力梁與懸鏈線方程結(jié)合，再到考慮軟管自身彎曲剛度和幾何非線性的分析方法的過(guò)程。頻域分析和時(shí)域分析是軟管動(dòng)態(tài)分析的兩種方法，其中時(shí)域分析法的數(shù)值方法有有限差分法、Newmark-β、Houbolt等方法。對(duì)海底鋼管從穩(wěn)定性和沖刷與防護(hù)兩方面進(jìn)行研究分析，其中穩(wěn)定性考慮內(nèi)外壓及溫度等復(fù)雜載荷聯(lián)合作用、地震作用、地形變化3個(gè)影響因素，沖刷與防護(hù)理論研究不多，關(guān)于沖刷的研究大多采用模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)條件不同可分為管線在波浪單獨(dú)作用時(shí)的沖刷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究、管線在單向流作用下的沖刷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究、管線在振蕩流作用下的沖刷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究3種，關(guān)于防護(hù)的研究主要有通過(guò)加添導(dǎo)流板來(lái)實(shí)現(xiàn)沖刷坑的自埋、在管線周圍利用柔性材料來(lái)減小沖刷2種方法?？偟膩?lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)海上漂浮軟管的研究較少，應(yīng)該進(jìn)一步研究軟管材料非線性、幾何非線性對(duì)于波流作用分析的影響，國(guó)內(nèi)外對(duì)于海底鋼管受力分析研究很多，但仍未找到普遍適用的理論，應(yīng)該進(jìn)一步研究考慮到如地形、地震、砂礫等各個(gè)影響因素的普遍適用理論。

關(guān)? 鍵? 詞：?；?漂浮軟管;海底鋼管;波流作用

中圖分類號(hào)：TE835??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1541-07

Analysis on Study Status of Wave-current Effect to

Hazardous Chemicals Pipelines in Waters

ZHONG Wei， ZHANG Shi-fu， HU Yong-pan， MAO Yu-wen

（Natioanl Disaster Emergency Equipment Engineering Technology Research Center，

Army Logistics University of PLA， Chongqing 401331， China）

Abstract： The study status of wave-current effect at home and abroad was summarized through literature research. It was pointed out that the process of static analysis of floating hose developed from classical catenary equation which ignored the flexural rigidity of hose itself to the equation which combined tension beam and catenay to the analysis method which considered the flexural rigidity and geometric nonlinearity of hose itself. The frequency domain analysis and time domain analysis are two methods of hose dynamic analysis， and the numerical methods of time domain analysis include the finite difference method， Newmark-β， Houbolt. The submarine pipeline was studied and analyzed from its stability， erosion and protection. And the study of stability took three factors into account： the combined effect of complex load considering internal and external pressure and temperature， the seismic effect and the topographic change， while a few studies have been conducted on scour and protection. Most of the researches on scour were analyzed by simulation experiments， which can be divided into three scour experimental mechanisms according to the different functions of wave alone， unidirectional flow， and oscillating flow. And self-burial of scour pit by adding guide plate and using flexible material around pipeline to minimize scour were the two main methods of the researches on protection. Researches on floating hose were a few at home and abroad， so the influence of hose material nonlinear and geometric nonlinearity on wave-current should be further studied. There were many researches on force analysis of submarine pipelines at home and abroad， but a universally applicable theory has not been found. Therefore， a universally applicable theory considering such influences as topography， earthquake， gravel should be further studied.

Key words： Hazardous chemicals; Floating hose; Submarine pipeline; Wave-current effect

隨著我國(guó)沿海各省經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，港口的危險(xiǎn)化學(xué)品的吞吐量在日益增長(zhǎng)，這導(dǎo)致了海上突發(fā)的事故風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越嚴(yán)峻^[1]。同樣，對(duì)于內(nèi)河流域，如長(zhǎng)江流域，?；返倪\(yùn)輸量也在逐年提升，種類繁多且涉及各部門和各環(huán)節(jié)多，也給長(zhǎng)江流域的生態(tài)安全帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)^[2-3]。2010年4月16日，“贛榮順化01”與“華航浦8001”在長(zhǎng)江下游白茆水道發(fā)生碰撞，載有690 t甲苯的“贛榮順化01”輪進(jìn)水，險(xiǎn)些釀成重大污染事故;2012年2月2日至3日，在鎮(zhèn)江李長(zhǎng)榮綜合石化工業(yè)有限公司化工碼頭卸貨的韓國(guó)輪船“FC GLORIA”泄露苯酚約44 t，在當(dāng)時(shí)對(duì)鎮(zhèn)江、南通、常州等地區(qū)造成了較大的社會(huì)影響;2018年2月6日，裝載著?；反弧叭f(wàn)眾肆號(hào)”在長(zhǎng)江常州段發(fā)生爆炸起火，其中一名船員身上著火。在運(yùn)輸?；愤^(guò)程如若發(fā)生泄露或者爆炸事故，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境形成污染，還會(huì)造成重大的社會(huì)不良影響，所以目前急需可以有效處理危化品事故的應(yīng)急救援裝備，提高危化品事故的應(yīng)急能力建設(shè)尤為迫切^[4]。

1 ?水面危化品事故處置辦法

目前對(duì)于水上?；肥鹿侍幹梅椒ㄖ饕小皞蓹z”“控制”“清除”“防護(hù)”“輸轉(zhuǎn)”等方法?！皞蓹z”指的是對(duì)有毒氣體、可燃?xì)怏w、水質(zhì)、溫度等檢測(cè);“控制”指的是控燃爆、控?fù)]發(fā)、控泄露、控?cái)U(kuò)散;“清除”指的是機(jī)械回收、材料吸收、藥劑消除、物質(zhì)消耗，可利用活性炭及高分子吸附材料等吸附劑對(duì)污染物進(jìn)行吸附，通過(guò)相應(yīng)的中和化學(xué)品對(duì)水體的酸、堿、氧化等污染現(xiàn)象進(jìn)行處理，也可以利用對(duì)具有可燃性且燃燒后無(wú)害或者危害不大的危化品進(jìn)行點(diǎn)燃或利用微生物對(duì)污染物進(jìn)行降解來(lái)達(dá)到消耗的目的;“防護(hù)”指的是防化、防靜電、防毒、防腐蝕，對(duì)事故源頭進(jìn)行防控;在“輸轉(zhuǎn)”方面主要是過(guò)駁，在發(fā)生危化品泄漏事故時(shí)，利用船只來(lái)轉(zhuǎn)移事故船只上的?；坟浳?。但是過(guò)駁輸轉(zhuǎn)方式存在輸轉(zhuǎn)距離短、船只機(jī)動(dòng)速度慢、只能儲(chǔ)存在駁船上等缺陷。因此需要一種可以長(zhǎng)距離輸轉(zhuǎn)、短時(shí)間救援的方式來(lái)適應(yīng)無(wú)碼頭應(yīng)急救援的現(xiàn)實(shí)需要。

利用管線對(duì)?；愤M(jìn)行輸轉(zhuǎn)是一種很好的新思路和方法，示意圖見(jiàn)圖1。

但管線在大流速和復(fù)雜海況條件下鋪設(shè)過(guò)程和鋪設(shè)完成的過(guò)程中主要受到水流載荷、波浪載荷及風(fēng)載荷的影響，為了滿足管線的安全穩(wěn)固需求，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了管線波流作用的研究和分析。

2? 國(guó)內(nèi)外水域管線研究分析

水域輸送管線主要有水面漂浮和海底兩種存在形式，水面漂浮形式管線主要為軟管，海底形式管線主要為鋼管。漂浮軟管可作為FPSO與穿梭油輪的連接紐帶、吹沙填海絞吸式挖泥船如“天鯨號(hào)”的輸泥通道。軟管在漂浮時(shí)，由于受到風(fēng)浪流等載荷的聯(lián)合作用，導(dǎo)致軟管的受力非常復(fù)雜，而且還容易發(fā)生軟管翻轉(zhuǎn)、扭曲的不良影響，尤其當(dāng)水流速度較大時(shí)，軟管的鋪設(shè)距離長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致整體穩(wěn)定性不夠而發(fā)生破壞。海底鋼質(zhì)管線可用于深海的油氣輸送，其特點(diǎn)是承壓能力大，強(qiáng)度也高，但是在沉底時(shí)需要前期勘探，操作麻煩，不適用與應(yīng)急救援。國(guó)內(nèi)外在漂浮軟管和海底鋼管的波流作用分析方面已經(jīng)進(jìn)行了很多的理論、模擬和實(shí)驗(yàn)研究工作，同時(shí)也取得了許多的成果。

2.1 ?國(guó)內(nèi)外漂浮軟管波流作用研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)專門的漂浮軟管的文獻(xiàn)較少，對(duì)立管研究較多，盡管漂浮軟管比立管抗彎剛度要小、與海面幾何關(guān)系不同、受海流作用力更大，但是漂浮軟管和立管的抗彎剛度比鋼管都要小很多，而且受力時(shí)都較像受張力的懸索，所以立管的文獻(xiàn)對(duì)于漂浮軟管的研究有參考和借鑒意義^[5]。海上漂浮軟管的研究主要分為兩大類：一是在外部風(fēng)浪流載荷下整體靜態(tài)及動(dòng)態(tài)分析;二是在內(nèi)壓或外壓下的局部分析。除此以外，還有與時(shí)間因素相關(guān)的疲勞及腐蝕研究。

2.1.1 漂浮軟管在外部風(fēng)浪流載荷下整體靜態(tài)及動(dòng)態(tài)分析

對(duì)于整體分析來(lái)說(shuō)，靜態(tài)分析是指軟管在外部靜力作用下的受力及形變。軟管在靜力作用下像有張力的懸鏈，所以最初的軟管靜力分析主要是通過(guò)經(jīng)典懸鏈線方程來(lái)進(jìn)行求解。但該方法認(rèn)為軟管是沒(méi)有彎曲剛度的一根柔軟繩索，只考慮了自重及外部的海流作用，從而無(wú)法求出軟管受到的彎矩。動(dòng)態(tài)分析是指軟管在波流作用下的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，計(jì)算可分為頻域分析和時(shí)域分析兩類，可以用確定性和隨機(jī)性分析兩種方法來(lái)對(duì)波浪進(jìn)行處理。

Goulos及Peyrot^[6]在1979年運(yùn)用經(jīng)典懸鏈線方程對(duì)漂浮軟管進(jìn)行靜力計(jì)算。該方法沒(méi)有考慮到軟管自身的彎曲剛度，只考慮了自重及受到的海流力，從而使結(jié)果與實(shí)際變形存在誤差。但其結(jié)果可作為下步精確計(jì)算的基礎(chǔ)。

Peyrot^[7]在1982年利用張力梁方程在局部坐標(biāo)系下來(lái)研究軟管。此方法通過(guò)有限元的方法，利用小段的已知的一邊受力和邊界條件來(lái)求解另一邊，通過(guò)多次重復(fù)求解從而逼近最后一邊所需要的結(jié)果。通過(guò)結(jié)合張力梁方程同懸鏈線方程相結(jié)合可以解決由于忽略自身彎曲剛度帶來(lái)的誤差問(wèn)題，從而可以分析所受彎矩。

Ractliff^[8]在1985年對(duì)張緊和松弛懸鏈線形軟管分別進(jìn)行了靜態(tài)分析，利用解析方法研究了軟管的跨度、重量、長(zhǎng)度、端部張力、軟管最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的垂直距離等參數(shù)之間的關(guān)系。

Langer^[9]在1985年運(yùn)用考慮了彎曲剛度的有限差分法對(duì)懸鏈管道進(jìn)行計(jì)算，允許管道性質(zhì)在管道長(zhǎng)度方向的改變，得到了曲率與彎曲的非線性關(guān)系。

Y.T.Chai等^[10]在2006年在絕對(duì)坐標(biāo)下基于位置坐標(biāo)及其導(dǎo)數(shù)描述撓性管的非線性運(yùn)動(dòng)，并擴(kuò)展到彎扭耦合，并能避免在局部坐標(biāo)系下管道受內(nèi)部流體流動(dòng)與有摩擦力的不規(guī)則海床影響的有限節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

孟浩龍、呂宏慶等于2003年利用建立數(shù)學(xué)模型如“海上浮動(dòng)軟管的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型”^[11]和“海上浮動(dòng)軟管的三維靜力分析”^[12]對(duì)海上處于靜力狀態(tài)漂浮軟管進(jìn)行了研究，在得到軟管的偏移及其所受的拉彎剪力的基礎(chǔ)上，對(duì)其作了初步的動(dòng)態(tài)分析，在靜力計(jì)算層面上為海上管線設(shè)計(jì)的提供了方法，但在建模過(guò)程中忽略了浮筒對(duì)管組的影響。

趙偉^[13]于2004年在基于建立的基于廣義變分原理的三維有限元模型基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)用增量漂移法和迭代法求解了該模型。為了求解漂浮軟管在海流作用下的張力和彎矩，又在此兩類方法的基礎(chǔ)上，編出了軟管二維和三維靜態(tài)分析的計(jì)算程序。

呂晨亮等^[14]于2005年研究了波紋管的扭轉(zhuǎn)特性，比較了基于旋轉(zhuǎn)殼理論的C型波紋管和U型波紋管的扭轉(zhuǎn)剛度的積分計(jì)算公式與有限元分析之間的關(guān)系。

張世富、張騫、王云龍等^[15]在2007年對(duì)鋼質(zhì)管線在漂浮狀態(tài)進(jìn)行了非線性動(dòng)力分析和靜力分析，同時(shí)分析了波浪載荷對(duì)海上漂浮鋼質(zhì)管線的變形影響以及管道內(nèi)流體的流動(dòng)對(duì)管線變形的影響。

張世富、陳暢等^[16]在2015年利用不完全淹沒(méi)圓柱體模型對(duì)Morison公式進(jìn)行了改進(jìn)，并利用推導(dǎo)出的基于簡(jiǎn)化梁的海上軟管拉力計(jì)算公式進(jìn)一步優(yōu)化軟管的錨固方案。

趙東偉、吳世德等^[17]在2017年通過(guò)建立軟管組與浮筒相連接的整體靜力模型，考慮管組與主管影響，研究得出整體靜態(tài)荷載在管線漂浮時(shí)趨近于線性分布，降低了求解管組彎矩分布的難度。但存在建模過(guò)程中忽略了變徑管及尾管與主管存在質(zhì)量差的問(wèn)題。

紀(jì)志遠(yuǎn)，程久歡等^[18]在2018年利用CAESARII軟件分析了某海上CALM單點(diǎn)管道所受到的應(yīng)力，詳細(xì)介紹了如何對(duì)CALM單點(diǎn)管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，編制了 CALM單點(diǎn)管道應(yīng)力分析計(jì)算工況，得到了應(yīng)力計(jì)算分析要考慮重量控制及應(yīng)力比，也要考慮漂浮外載對(duì)管道壁厚也有影響的結(jié)論。

張世富、楊東宇等^[19]在2018年利用Ansys軟件分析了裝配式管道在漂浮狀態(tài)下對(duì)油船進(jìn)行輸送時(shí)的受力狀態(tài)，計(jì)算了對(duì)管道影響較大的力，得出了未超過(guò)屈服極限值的理想錨固距離。

金邦杰、趙宏林等^[20]在2019年建立有限元模型，對(duì)漂浮軟管進(jìn)行靜力和動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)施加彎矩及將軟管簡(jiǎn)化為一根梁的方法，利用等效方法及瞬態(tài)分析，得出軟管中間部分需要具有較高抗彎曲及拉伸的特性。該研究結(jié)果對(duì)漂浮軟管的設(shè)計(jì)具有參考作用。

2.1.2 ?漂浮軟管在內(nèi)壓或外壓下的局部分析

對(duì)于局部分析來(lái)說(shuō)，不僅限于大口徑的軟管，復(fù)合材料層合管結(jié)構(gòu)如金屬編制膠管及波紋管也在研究范圍內(nèi)。

J.F.McNamara和A.M.Harte^[21]在1992年提出了黏合的多層撓性管對(duì)一般載荷和壓力的響應(yīng)的三維分析模型。 給出了精確的有5層的示例管的層間壓力的徑向分布圖，該模型可以對(duì)各個(gè)層中的變形和應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。

D.B.Mciver^[22]在1995年對(duì)黏合管及非黏合管進(jìn)行研究，通過(guò)將各同性層考慮為厚壁圓筒、加強(qiáng)帶為有扭曲剛度的曲梁結(jié)構(gòu)，考慮各層間的摩擦，最終得到了在考慮管道拉、彎、扭、剪、溫差等載荷條件下的力學(xué)響應(yīng)。

A.Bahtui^[23]在2008年建立了一個(gè)新的柔性撓性管本構(gòu)模型來(lái)模擬非黏合撓性管的滯后效應(yīng)，通過(guò)考慮內(nèi)外壓和彎曲的有限元模擬，提出了在評(píng)估結(jié)構(gòu)時(shí)運(yùn)用在不同層之間的摩擦和連續(xù)介質(zhì)微平面之間滑移條件下的解析法有誤差，而通過(guò)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的有限元模型是更為可行的辦法。

戚圣好、趙宏林等^[24]在2018年對(duì)漂浮輸油軟管承受徑向壓載時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺旋鋼筋層的徑向壓載與徑向壓縮量呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，且在一段初始的壓縮量以后，其良好的線性關(guān)系會(huì)在之后的相當(dāng)大一段壓縮量之內(nèi)保持。

2.1.3 ?漂浮軟管疲勞研究分析

對(duì)于與時(shí)間因素有關(guān)的疲勞現(xiàn)象是指在循環(huán)足夠多次的加載載荷后，材料局部發(fā)生斷裂或者是出現(xiàn)裂紋的永久變化。根據(jù)載荷類型分類，疲勞一般可分為隨機(jī)疲勞、沖擊疲勞、接觸疲勞、聲疲勞、微動(dòng)磨損疲勞，一般經(jīng)歷裂紋萌生-裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展-裂紋斷裂3個(gè)階段，是一個(gè)積累的過(guò)程。對(duì)于管線因震動(dòng)而進(jìn)行的疲勞分析一般可劃分為兩個(gè)方向：一是水平面內(nèi)平行于波浪作用的振動(dòng);二是垂直平面內(nèi)垂直于波浪作用的振動(dòng)。

Zhang Y^[25]在2003年介紹了用于預(yù)測(cè)關(guān)于疲勞壽命、壓潰破壞和軸向壓縮問(wèn)題下非黏合撓性管疲勞性能的方法。給深水油田的開發(fā)提供了關(guān)于柔性管道疲勞破壞的可行辦法。

Smith等^[26]在2007年在破碎波作用下對(duì)非黏合撓性管進(jìn)行了疲勞分析。指出管道復(fù)雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)很大程度上導(dǎo)致了疲勞設(shè)計(jì)的保守計(jì)算，并介紹了可以具有更長(zhǎng)疲勞壽命的先進(jìn)方法。

Lassen等^[27]在2010年通過(guò)對(duì)一個(gè)海上裝卸浮標(biāo)系統(tǒng)的裝卸軟管進(jìn)行極限載荷抵抗和疲勞耐性的研究，對(duì)軟管進(jìn)行了局部疲勞破壞情況分析，提出對(duì)十年間隔更換的配件應(yīng)該進(jìn)行針對(duì)疲勞的形狀優(yōu)化。

時(shí)文斌、高強(qiáng)等^[28]在2018年利用ABAQUS軟件對(duì)漂浮軟管進(jìn)行有限元分析，通過(guò)建立有限元模型來(lái)分析靜態(tài)下漂浮軟管在有內(nèi)壓和彎矩作用下的情況。除此以外，利用水平方向的Morison方程得到了軟管的載荷譜，建立了漂浮軟管的疲勞壽命分析模型，得到了軟管的疲勞壽命。

2.2? 國(guó)內(nèi)外海底管線波流作用研究現(xiàn)狀

目前鋼質(zhì)管線在海上的應(yīng)用，多是作為海底管線進(jìn)行使用的。管線在海底主要承受海床沖刷力、大流速海流力、海床滑移、懸跨等影響。歸納來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)于海底管線的研究主要有兩類：一是在管線穩(wěn)定性研究;二是在管線沖刷與防護(hù)研究。

2.2.1 ?海底管線穩(wěn)定性研究

海底鋼管穩(wěn)定性研究主要考慮3個(gè)影響因素：一是內(nèi)外壓及溫度等復(fù)雜載荷聯(lián)合作用;二是地震作用;三是所處如發(fā)生滑坡、懸空和液化等地形變化導(dǎo)致不穩(wěn)。

對(duì)于穩(wěn)定性的理論方法研究主要有靜態(tài)分析法、動(dòng)態(tài)分析法和半動(dòng)態(tài)分析法。靜態(tài)分析法就是考慮管道自重、波流作用、土質(zhì)摩擦的靜力平衡，但是因?yàn)橹豢紤]了海床土質(zhì)的摩擦因素，造成此方法對(duì)管道-流體-海床聯(lián)合作用的分析不夠。隨著對(duì)該問(wèn)題的認(rèn)識(shí)逐步加深，發(fā)展出了考慮管道-流體-海床聯(lián)合作用的動(dòng)態(tài)分析法，該方法可以利用通過(guò)靜力分析得到的平衡狀態(tài)作為初始狀態(tài)。動(dòng)態(tài)分析法通常是一種時(shí)域解法，基本原理是將周期性動(dòng)力載荷作用在管道上，其數(shù)值方法可分為有限差分法、有限元法及集中質(zhì)量法3類。為了較短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出較精確的結(jié)果，可用半動(dòng)態(tài)分析法。半動(dòng)態(tài)分析法是忽略掉動(dòng)態(tài)分析中的次要因素，以靜態(tài)分析公式形式替代，通常采用數(shù)值方法的理論方法和模型實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合的方式來(lái)分析管道的穩(wěn)定性。

Clukey等^[29]在1989年闡述了波-管-土相互作用的重要性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，土壤的迅速致密化可以有效降低液化風(fēng)險(xiǎn)，也可以防止管道浮到海面。

Yucheng Li等^[30]在1997年對(duì)雷諾數(shù)較高的海底管道周圍不可壓縮的湍流就行了3步有限元方法（FEM）和大渦模擬（LES），通過(guò)二維和三維數(shù)值模擬，得到了數(shù)值模擬與物理模型的波流作用非常吻合。

C Kalliontzis^[31]在1998年借助有限元模型，運(yùn)用松弛算法研究了海底管道對(duì)地震產(chǎn)生的垂直海底運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)，得到了強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)的垂直加速度地震記錄的響應(yīng)譜，為管道的穩(wěn)定性研究提供了初步的指導(dǎo)。

J Zhou等^[32]在2001年基于Morison方程，考慮海水對(duì)管道的影響，借助有限元模型推導(dǎo)了自由跨度海底管道在地震載荷作用下的動(dòng)力學(xué)方程，并提出了控制管道響應(yīng)的辦法。

邱大洪等^[33]在1989年分析研究了海底管線在基于一階橢圓余弦波理論下的深海海底的非線性波浪滲流力的解析解。

戴英杰等^[34]在1996年研究了懸跨段海洋管道的非線性自由振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了管道自由震動(dòng)頻率與水深成正相關(guān)關(guān)系，與張力成負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而懸跨管道和漂浮管線有很多的不同，首先懸跨管道離海底比較近，而漂浮管線主要在海面上或者離海面幾十厘米。其次懸跨管道受到的海流相對(duì)漂浮管道更大，而漂浮管道相對(duì)懸跨管道來(lái)說(shuō)更容易受到波浪、海流以及風(fēng)力的影響。

李昕^[35]在2003年對(duì)不同物質(zhì)等因素對(duì)海底懸跨管道所產(chǎn)生的動(dòng)力反應(yīng)影響進(jìn)行了分析。

張世富，劉梁華^[36]在2012年對(duì)錨固狀態(tài)下的野戰(zhàn)鋼質(zhì)管線的可能失效模式進(jìn)行了研究，分析了在內(nèi)壓和外載下的管線彎曲變形和應(yīng)力情況。通過(guò)對(duì)海底管線的變形狀態(tài)和受力情況進(jìn)行模擬，得到了在不高于四級(jí)海況情況下的海底管線最佳錨固距離。

武慧生^[37]在2017年利用ANSYS軟件對(duì)海底管道的懸空段進(jìn)行研究，分析得出了對(duì)管線影響最大的地震波與土壤分別為EL-Centro波及粉砂土，給海底管道的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

張磊、王振寧等^[38]在2017年利用ANSYS/LY- DYNA程序模擬了錨貫入海床的過(guò)程，得出該過(guò)程中海床與錨的能量和位移變化，對(duì)海底管道由于一定埋深的海床在應(yīng)急拋錨荷載作用下的保護(hù)效果進(jìn)行了分析，確定了管道在考慮錨貫入海床深度因素下的安全埋深值。

黃啟峰、郭海燕等^[39]在2018年利用ANSYS/LY- DYNA軟件對(duì)海底管道遭受墜物錨擊進(jìn)行了損傷試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，建立了有限元模型，得出海底管道的凹陷損傷與墜物質(zhì)量和墜落高度成正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。

程永舟、肖丹等^[40]在2018年建立了物理模型，通過(guò)該模型試驗(yàn)研究了管線在砂質(zhì)海床上的受力情況，并對(duì)波浪的高度、周期以及管線由于波浪與管線的夾角所受波浪力的影響進(jìn)行了研究分析。

陳俊文、王暢等^[41]在2020年對(duì)海底管線在位穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)DNVGL體系得出相較于統(tǒng)一配重的海底管線，基于最大允許自由懸跨長(zhǎng)度和鋪設(shè)中綜合應(yīng)力分析的分段配重海底管線能滿足在位穩(wěn)定性要求，且更加經(jīng)濟(jì)。

2.2.2 ?海底管線沖刷與防護(hù)研究

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于海底管線附近海床沖刷機(jī)

理^[42-50]研究不多，大多都采用模擬實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行分析。模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)設(shè)置條件不同，可分為3類：一是管線在波浪單獨(dú)作用時(shí)的沖刷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究;二是管線在單向流作用下的沖刷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究;三是管線在振蕩流作用下的沖刷機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究。由于海底管線的環(huán)境更加復(fù)雜多變，可采用有效的防護(hù)措施保護(hù)管線。防護(hù)措施主要有兩類：一是通過(guò)加添導(dǎo)流板來(lái)實(shí)現(xiàn)沖刷坑的自埋;二是在管線周圍利用柔性材料來(lái)減小沖刷。

Y.M.Chiew^[51]在1993年研究了擾流板方位對(duì)海底管道周圍波浪誘發(fā)沖刷的影響。通過(guò)純波浪作用的實(shí)驗(yàn)表明擾流板可以增加管道下方（隧道沖刷）和下游（清水沖刷）的沖刷量。

Azamathulla H M^[52]在2014年利用LGP建立模型對(duì)傾斜管道的沖刷進(jìn)行模擬，之后利用物理模型驗(yàn)證了該模型可以較好預(yù)測(cè)沖刷深度。

秦崇仁等^[53]在1995年基于管線附近海床沖刷由于水深、管徑、波要素和泥沙性質(zhì)變化而產(chǎn)生的變化和影響，計(jì)算了沖刷穩(wěn)定后坑的大小和沖刷的臨界波浪條件。

浦群等人^[54]在1999年通過(guò)利用抽氣式U型振蕩流水槽生產(chǎn)周期性的水體振蕩對(duì)振蕩流中管道附近海床的沖刷過(guò)程進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，得到了無(wú)因次參數(shù)e/D和KC數(shù)之間的關(guān)系，并給出了最大平衡沖刷深度S與KC數(shù)的擬合關(guān)系式。

羊皓平^[55]在2001年進(jìn)行了多種床面下的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和水動(dòng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)流場(chǎng)特性和水動(dòng)力特性由于沖刷帶來(lái)的變化進(jìn)行了分析，并對(duì)管線在振蕩繞流中的沖刷機(jī)理進(jìn)行了探討。

趙冬巖，余建星等^[56]在2009年通過(guò)對(duì)海底管線防沖刷技術(shù)的基本原理的應(yīng)用，提出了仿生“人工草”固定法，并結(jié)合現(xiàn)有工程項(xiàng)目進(jìn)行了試驗(yàn)研究，有效地解決了管道由于海底沖刷而造成的懸空問(wèn)題。

楊立鵬^[57]在2012年研究了海底管線周圍床面的局部沖刷及其防護(hù)方法，推導(dǎo)得出了沖刷起動(dòng)在波浪作用下的臨界壓力差和臨界波高公式，并建立了在安裝剛性導(dǎo)流板后的管線沖刷深度的計(jì)算公式，對(duì)工程的實(shí)際應(yīng)用有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

許文兵、王法承等^[58]在2017年模擬研究了海底管線的沖刷過(guò)程，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了在研究過(guò)程中應(yīng)用的水動(dòng)力模型與改進(jìn)的泥沙沖刷模型的可靠性，并將其應(yīng)用于淤泥質(zhì)海床上往復(fù)潮流作用下海底管線局部沖刷研究。

姜文全、姜昊君等^[59]在2018年通過(guò)分析導(dǎo)流板對(duì)海底管線下沉自埋及渦振影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)管線在上、下表面的海流區(qū)域形成壓力差的情況下更容易下沉自埋，壓力差與導(dǎo)流板的夾角成正相關(guān)關(guān)系。管線正上方安裝導(dǎo)流板時(shí)，管線由于導(dǎo)流板和管線后側(cè)壓力波動(dòng)變化而產(chǎn)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象，存在疲勞破壞隱患。

楊少鵬^[60]在2018年根據(jù)力學(xué)平衡原理，采用流體的連續(xù)性條件，推導(dǎo)了管線在安裝阻流器且有間隙情況下沖刷穩(wěn)定時(shí)的沖刷深度計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)了沖刷深度主要受到?jīng)_止流速及流速分布的影響。

程永舟、楊董為等^[61]在2018年對(duì)海底管線在斜坡上的三維沖刷特性進(jìn)行了研究，在考慮規(guī)則波和波浪港池實(shí)驗(yàn)的作用下，采用中值粒徑為0. 22 mm的原型沙鋪設(shè)與波浪傳播方向成45°夾角的1∶15斜坡，測(cè)量了管線下方最大沖刷坑深度河近岸波高變化的差異，對(duì)最大沖刷坑范圍、深度由于波高和周期帶來(lái)的影響進(jìn)行了分析。

3? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)所查文獻(xiàn)可以看出，對(duì)于水域管道的相關(guān)理論較早就有開始研究，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也做了大量的研究工作。

對(duì)于漂浮軟管，從最開始忽略了自身彎曲剛度的基于懸鏈線方程求解辦法，到之后結(jié)合經(jīng)典張力梁方程與懸鏈線方程來(lái)求解管線所受的彎矩，再到運(yùn)用有限元法及有限差分法對(duì)考慮軟管自身彎曲剛度和幾何非線性進(jìn)行建模，這也是一個(gè)從純靜態(tài)分析到動(dòng)態(tài)分析的發(fā)展過(guò)程。對(duì)于建立的模型采用增量及增量平衡迭代算法進(jìn)行求解。在查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)存在對(duì)管線分析過(guò)程中存在將管線質(zhì)量均勻化、忽略了可能存在的載荷分析如冰載荷等問(wèn)題，下步可多考慮建立管線質(zhì)量實(shí)際分布得更為細(xì)致的模型進(jìn)行求解，考慮到世界上有些結(jié)冰地區(qū)有石油產(chǎn)生和我國(guó)結(jié)冰的河流，應(yīng)該將冰載荷考慮進(jìn)載荷的分析之中。

對(duì)于海底管線，管線所處地區(qū)多變，環(huán)境載荷復(fù)雜。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖刷進(jìn)行了很多研究，理論分析比數(shù)值模擬和試驗(yàn)少，雖然逐步在考慮多個(gè)影響因素的條件下進(jìn)行建模，但至今未找到普遍適用的理論，同時(shí)發(fā)現(xiàn)之前的研究基本針對(duì)無(wú)缺陷管線，實(shí)際上管線在時(shí)間久了以后會(huì)被腐蝕或遇到地形變化而遭到局部不完全破壞，以后可以多研究針對(duì)沖刷機(jī)理的普遍適用理論，還有對(duì)有缺陷管道的管土作用進(jìn)行進(jìn)一步安全研究。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018YFC0810402）。

收稿日期：2020-04-07

作者簡(jiǎn)介：鐘韡（1996-），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，研究方向：從事石油與天然氣工程管線方面研究。E-mail：756603368@qq.com。