海洋雙金屬?gòu)?fù)合管的沖擊載荷響應(yīng)

李 英， 顏星晗

(天津大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 港口與海洋工程天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300350)

0 引 言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋油氣資源在各國(guó)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。海底管道是運(yùn)輸海洋油氣資源便捷且具有經(jīng)濟(jì)性的方式，是海上油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。與傳統(tǒng)碳鋼管相比，雙金屬?gòu)?fù)合管具有耐沖擊、耐壓等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)雙金屬?gòu)?fù)合管還具有耐腐蝕性，且與耐腐蝕合金管相比，雙金屬?gòu)?fù)合管又具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，其造價(jià)只有薄壁不銹鋼管的三分之二。在實(shí)際工程中，海底管道經(jīng)常會(huì)受到漁業(yè)活動(dòng)、錨擊等第三方破壞，其中錨擊是海底管道發(fā)生第三方破壞的主要形式之一[1]。

ODINA等[2]采用有限元建模方法分析墜物速度和角度對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。OBEID等[3]對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管在動(dòng)態(tài)沖擊下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值研究，研究沖擊能量對(duì)凹痕深度、應(yīng)變和殘余應(yīng)力的影響。

雙金屬?gòu)?fù)合管在國(guó)內(nèi)海洋輸油管線上的應(yīng)用起步較晚，目前還沒(méi)有對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管受撞擊的研究，但是有較多海底管道受撞擊的研究。崔鵬等[4]通過(guò)海底管道錨擊作用下的損傷試驗(yàn)，研究墜物質(zhì)量、墜落高度、墜物形狀、管道敷設(shè)條件和水深等因素對(duì)海底管道機(jī)械損傷的影響。楊秀娟等[5]通過(guò)三維非線性有限元法研究海底管道受墜物撞擊的過(guò)程，將Newmark法與N-R迭代法相結(jié)合求解墜物撞擊的動(dòng)力學(xué)方程，并分別研究墜物形狀、墜物與管道碰撞角度、墜物與保護(hù)層的摩擦和混凝土厚度對(duì)管道撞擊的影響。王懿等[6]通過(guò)耦合歐拉-拉格朗日法研究海底管道受船舶撞擊的過(guò)程，分析土壤參數(shù)、船錨自身尺寸和重量、船錨墜落速度以及管道埋深對(duì)管道撞擊塑性變形的影響。張萌萌等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究拋錨作業(yè)中海底管道的應(yīng)力狀態(tài)，用能量法研究拋錨速度、埋深等因素對(duì)管道的影響。董文乙[8]通過(guò)有限元法對(duì)海底懸空管道受錨擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，分析墜物速度、墜物質(zhì)量對(duì)管道的塑性變形和管道動(dòng)力響應(yīng)幅值的影響。白俊磊[9]利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)海底管道受墜物撞擊進(jìn)行數(shù)值仿真，并從海底管道的機(jī)械損傷和敏感性分析兩個(gè)方面對(duì)此過(guò)程進(jìn)行研究，并對(duì)管道安全性進(jìn)行評(píng)估。馮亞萍等[10]通過(guò)耦合歐拉-拉格朗日方法模擬船舶拋錨撞擊埋置管道的動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究拋錨水深、船錨入泥角度和管道埋深對(duì)管道受錨擊后的損傷影響。

海洋雙金屬?gòu)?fù)合管具有結(jié)構(gòu)特殊性，因此其在承受錨擊等沖擊載荷時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生基襯管分離的現(xiàn)象，這將對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的力學(xué)性能產(chǎn)生影響[11]。因此，開(kāi)展雙金屬?gòu)?fù)合管錨擊損傷研究具有重要的工程意義。本文采用有限元建模的方法對(duì)船錨撞擊雙金屬?gòu)?fù)合管的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析船錨撞擊方向、管道運(yùn)行狀況、運(yùn)行壓力大小、錨質(zhì)量、落錨速度對(duì)管道凹陷損傷、基襯管分離程度的影響。

1 錨擊雙金屬?gòu)?fù)合管有限元模型

所研究的雙金屬?gòu)?fù)合管的外基管由壁厚為14.3 mm、外徑為330.0 mm的DNV級(jí)450碳鋼制成，內(nèi)襯管為壁厚為3.0 mm、外徑為301.4 mm的AISI 316不銹鋼管。DNV級(jí)450碳鋼和AISI 316不銹鋼的力學(xué)參數(shù)如表1所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。管道位于200 m水深處，管道長(zhǎng)度為2 m。管道的參數(shù)設(shè)計(jì)符合DNV-OS-F101(2010)的一般機(jī)械要求。

表1 雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)外管的材料力學(xué)性能

圖1 DNV級(jí)450碳鋼和AISI 316不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

外管和內(nèi)管均采用Abaqus中具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)的六面體線性減縮積分單元，能夠得出較為精確的位移結(jié)果，在縱向上選用20 mm尺寸單元。船錨的尺度為500 mm × 32 mm × 5 mm，由于船錨在雙金屬?gòu)?fù)合管的撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的變形可以忽略不計(jì)，因此采用R3D4離散剛體單元進(jìn)行模擬。海床模擬為解析剛體并連續(xù)支撐管道，長(zhǎng)度為2 m，寬為600 mm，厚為40 mm。拋錨撞擊雙金屬?gòu)?fù)合管的有限元模型如圖2所示。

圖2 拋錨撞擊雙金屬?gòu)?fù)合管有限元模型

采用Abaqus/Explicit中的動(dòng)態(tài)顯示算法模擬錨對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的撞擊過(guò)程。采用面面接觸模擬內(nèi)外管、管道與海床、管道與錨之間的接觸關(guān)系。在各個(gè)接觸對(duì)中：切向的接觸由經(jīng)典庫(kù)倫摩擦模型表示，摩擦因數(shù)為0.5；法向的接觸選用硬接觸。對(duì)管道的近端和遠(yuǎn)端以及海床施加完全固定約束，對(duì)船錨只釋放其垂直方向的自由度。

分別研究管道為空管和處于運(yùn)行狀態(tài)兩種工況。在管道處于空管狀態(tài)下，先后施加管道水下重力、外壓、沖擊載荷、有效軸向力，最后卸載殘余應(yīng)力；在管道處于運(yùn)行狀態(tài)下，先后施加水下重力、管道外壓、管道內(nèi)壓、沖擊載荷、有效軸向力，卸載殘余應(yīng)力，最后加載操作壓力。

2 錨擊雙金屬?gòu)?fù)合管損傷影響因素分析

由于在較短的時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生較大的變形，沖擊是高度非線性的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。非線性又導(dǎo)致在沖擊載荷下管道變形具有不同類型。海底管道的變形主要為局部凹陷。管道的局部凹陷受許多因素的影響，從船錨撞擊方向、管道運(yùn)行狀況、運(yùn)行壓力大小、錨質(zhì)量、落錨速度等幾方面來(lái)研究這些因素對(duì)管道凹陷損傷、基襯管分離程度的影響。在確定凹陷損傷和基襯管分離程度時(shí)，并未考慮保溫層和混凝土配重層的影響。這些涂層會(huì)吸收沖擊能量，因此不考慮保溫層和混凝土配重層的影響更加保守。

2.1 沖擊載荷對(duì)空雙金屬?gòu)?fù)合管的損傷

管道受錨擊作用造成的損傷主要取決于沖擊能量的大小，這包括錨自身的動(dòng)能和附加水動(dòng)力的能量?jī)刹糠帧Ｓ捎诟郊铀畡?dòng)力的能量與錨自身的動(dòng)能相比微乎其微，因此將錨自身的動(dòng)能視為最終的沖擊能量。若錨質(zhì)量確定，錨在下落過(guò)程中的動(dòng)能僅由落錨速度決定。DNV-RP-F107(2010)給出用于定義管道損傷嚴(yán)重性的分類。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)基于將凹陷深度與管道直徑之比限制為最大5%來(lái)限制管道中的損傷。因此，選用管道凹陷深度與管道直徑之比來(lái)評(píng)價(jià)管道凹陷損傷。

針對(duì)質(zhì)量為2.5 t的錨，以落錨速度區(qū)間為2～5 m/s、間隔為1 m/s對(duì)垂直和平行于管道軸線的沖擊方向進(jìn)行數(shù)值分析。圖3和圖4分別為空管狀態(tài)下2種沖擊方向下雙金屬?gòu)?fù)合管的凹陷損傷和基襯管分離量隨沖擊能量的變化曲線。

圖3 不同沖擊能量下雙金屬?gòu)?fù)合管凹陷損傷(空管)

圖4 不同沖擊能量下雙金屬?gòu)?fù)合管基襯管分離量(空管)

圖3表明：2種沖擊方向下的管道凹陷損傷都隨著沖擊能量的增加而增大；與平行于管道軸線的沖擊方向相比，垂直于管道軸線方向的沖擊造成更大的管道凹陷損傷；雙金屬?gòu)?fù)合管抵抗平行于管道軸線方向沖擊的能力明顯優(yōu)于抵抗垂直于管道軸線方向的沖擊。圖4表明：2種沖擊方向下的基襯管分離量變化呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，平行于管道軸線方向的沖擊造成的基襯分離隨著沖擊能量的增加而增大，垂直于管道軸線方向的沖擊造成的基襯分離隨著沖擊能量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這主要是由于在沖擊過(guò)程中，垂直于管道軸線方向的沖擊應(yīng)力更大，造成更大的管道變形，使內(nèi)管先達(dá)到屈服極限，此時(shí)外管尚未達(dá)到屈服極限，使內(nèi)外管的間隙變??；平行于管道軸線方向的沖擊比垂直于管道軸線方向的沖擊造成更大的基襯分離。

2.2 沖擊載荷對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下雙金屬?gòu)?fù)合管的損傷

與空管狀態(tài)相比，雙金屬?gòu)?fù)合管在正常運(yùn)行工況下的運(yùn)行壓力會(huì)對(duì)錨與雙金屬?gòu)?fù)合管的撞擊產(chǎn)生影響。圖5和圖6分別為管道正常運(yùn)行時(shí)2種沖擊方向下雙金屬?gòu)?fù)合管的凹陷損傷和基襯管分離量隨沖擊能量的變化曲線。

圖5 不同沖擊能量下雙金屬?gòu)?fù)合管凹陷損傷(運(yùn)行狀態(tài))

圖6 不同沖擊能量下雙金屬?gòu)?fù)合管基襯管分離量(運(yùn)行狀態(tài))

圖5表明：2種沖擊方向下的管道凹陷損傷都隨著沖擊能量的增加而增大；與垂直于管道軸線方向的沖擊相比，雙金屬?gòu)?fù)合管在抵抗平行于管道軸線方向的沖擊的表現(xiàn)更加優(yōu)越，垂直于管道軸線方向的沖擊造成更大的管道凹陷損傷。圖6表明：平行于管道軸線方向的沖擊造成的基襯分離隨著沖擊能量的增加而增大；垂直于管道軸線方向的沖擊造成的基襯分離隨著沖擊能量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；平行于管道軸線方向的沖擊比垂直于管道軸線方向的沖擊造成更大的基襯分離。在所研究的沖擊能量范圍內(nèi)，管道凹陷深度與外徑之比均小于5%，符合DNV-RP-F107(2010)規(guī)范。對(duì)比圖5與圖3可知，運(yùn)行狀態(tài)下的雙金屬?gòu)?fù)合管受到撞擊后的凹陷損傷小于空管狀態(tài)。因此，研究不同運(yùn)行壓力下雙金屬?gòu)?fù)合管受到撞擊后的性能。

2.3 運(yùn)行壓力對(duì)管道損傷的影響

海底管道在正常作業(yè)情況下存在運(yùn)行壓力，針對(duì)質(zhì)量為2.5 t的錨，研究落錨速度為4 m/s、方向垂直于管道軸線時(shí)，管道內(nèi)壓對(duì)管道損傷的影響。圖7和圖8給出管道內(nèi)壓為4～10 MPa時(shí)管道凹陷損傷和基襯管分離量。

圖7 不同內(nèi)壓下雙金屬?gòu)?fù)合管凹陷損傷

圖8 不同內(nèi)壓下雙金屬?gòu)?fù)合管基襯管分離量

由數(shù)值模擬結(jié)果可知：隨著管道內(nèi)壓的增大，雙金屬?gòu)?fù)合管受錨擊產(chǎn)生的凹陷損傷隨之減??；雙金屬?gòu)?fù)合管的基襯分離程度也隨著管道內(nèi)壓的增大而減小。

2.4 錨質(zhì)量對(duì)管道損傷的影響

錨質(zhì)量是影響雙金屬?gòu)?fù)合管錨擊損傷的一個(gè)重要因素，直接影響管道所受沖擊能量的大小。為研究錨質(zhì)量對(duì)管道損傷的影響，對(duì)錨質(zhì)量為2.0 t、2.5 t、3.0 t、3.5 t分別開(kāi)展數(shù)值模擬。在模型中，錨速度為4 m/s，方向垂直于管道軸線，管道運(yùn)行壓力為8 MPa。管道凹陷損傷和基襯分離量如圖9和圖10所示。

圖9 不同錨質(zhì)量下雙金屬?gòu)?fù)合管凹陷損傷

圖10 不同錨質(zhì)量下雙金屬?gòu)?fù)合管基襯管分離量

圖9表明：隨著錨質(zhì)量增大，管道受到的凹陷損傷增大，二者基本呈線性變化，這主要是由于在錨質(zhì)量增大的同時(shí)，錨的尺寸沒(méi)有發(fā)生改變，錨底部與雙金屬?gòu)?fù)合管的接觸面積也并未發(fā)生改變。圖10表明：雙金屬?gòu)?fù)合管的基襯分離程度隨錨質(zhì)量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這與增大落錨速度從而增大沖擊能量對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的影響基本相同。

3 結(jié) 論

針對(duì)頻繁發(fā)生的拋錨撞擊造成的海底管道損傷事故，引入雙金屬?gòu)?fù)合管，對(duì)拋錨撞擊雙金屬?gòu)?fù)合管過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，研究不同因素對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管撞擊凹陷損傷和基襯分離的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 海洋雙金屬?gòu)?fù)合管在空管狀態(tài)下和正常運(yùn)行狀態(tài)下的凹陷損傷都隨著沖擊能量(落錨速度和錨質(zhì)量)的增加而增大。平行于管道軸線方向的沖擊造成的基襯分離隨著沖擊能量的增加而增大。垂直于管道軸線方向的沖擊造成的基襯分離隨著沖擊能量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

(2) 海洋雙金屬?gòu)?fù)合管抵抗平行于管道軸線方向的沖擊的能力明顯優(yōu)于抵抗垂直于管道軸線方向的沖擊，垂直于管道軸線方向的沖擊會(huì)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管造成最嚴(yán)重的損傷，但垂直于管道軸線方向的沖擊相較于平行于管道軸線方向的沖擊導(dǎo)致基襯分離的風(fēng)險(xiǎn)最小。

(3) 在空管狀態(tài)下雙金屬?gòu)?fù)合管的基襯分離風(fēng)險(xiǎn)最大，因此，管道安裝在位后尚未進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的管道更應(yīng)防范拋錨風(fēng)險(xiǎn)。在管道正常運(yùn)行狀態(tài)下，管道內(nèi)壓的存在會(huì)減輕拋錨撞擊造成的凹陷損傷，并使基襯管的間距保持最小，且管道內(nèi)壓越大，管道的凹陷損傷越小，基襯分離程度越小。