杭州灣海底管道懸跨渦激疲勞精細(xì)分析

曹國(guó)民

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇徐州 221008

杭州灣海底管道是我國(guó)在強(qiáng)潮流區(qū)海灣建成的口徑最大、距離最長(zhǎng)的海底原油管道，其作為甬滬寧海底管道的一個(gè)重要組成部分，于2004年全線投產(chǎn)。由于杭州灣海底管道所處海域?qū)儆趶?qiáng)潮流區(qū)海域，風(fēng)高、潮急、潮差大，管道極易受到?jīng)_蝕。根據(jù)歷年檢測(cè)資料可知，杭州灣海底管道均呈現(xiàn)不同程度懸跨現(xiàn)象。當(dāng)海流流經(jīng)管跨時(shí)常伴隨周期性漩渦脫落，有可能引發(fā)海底管道產(chǎn)生渦激振動(dòng)，從而導(dǎo)致疲勞破壞[1]。

關(guān)于海底管道懸跨渦激振動(dòng)疲勞現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。如時(shí)米波[2]等建立管土非線性耦合模型對(duì)管跨渦激振動(dòng)進(jìn)行了模擬；謝麗婉[3]等開發(fā)了海底管跨渦激疲勞分析程序，實(shí)現(xiàn)了管跨結(jié)構(gòu)的疲勞損傷計(jì)算；方華燦[4]等對(duì)海底管道管跨的流激渦旋振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出管跨振動(dòng)應(yīng)力符合瑞利分布；Xu[5]等評(píng)估了線性海底管道懸跨段的渦激振動(dòng)響應(yīng)及疲勞壽命；Baarholm[6]等研究了管道流向和橫向渦激疲勞，指出流向和橫向疲勞具有同等的重要性；Esplin[7]等對(duì)懸跨管道疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。這些研究大部分都是基于海流環(huán)境比較平和及單一流速條件下進(jìn)行的研究，而針對(duì)強(qiáng)潮流環(huán)境下海底管道渦激疲勞評(píng)估研究較少。本文針對(duì)杭州灣惡劣的強(qiáng)潮流區(qū)海域底層流速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布特性，建立底層流速分布函數(shù)，研究海底管道懸跨在強(qiáng)潮流作用下橫向振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)及疲勞壽命，并分析強(qiáng)潮流作用下管跨疲勞損傷影響因素，識(shí)別管跨疲勞損傷主導(dǎo)因素，為工程決策提供參考。

1 杭州灣海底管道海域底層流速分布特性

杭州灣位于我國(guó)浙江省東北部，是我國(guó)沿海潮差最大的海灣，具有潮位強(qiáng)、潮差大、流速快等特點(diǎn)，環(huán)境極其惡劣。為準(zhǔn)確獲取杭州灣海域底層流速分布，在杭州灣海底管道所在海域設(shè)置4個(gè)臨時(shí)潮流觀測(cè)站，利用多普勒剖面流速儀實(shí)時(shí)觀測(cè)12 d的連續(xù)潮流和潮位動(dòng)態(tài)變化過程。

根據(jù)杭州灣4個(gè)臨時(shí)潮位觀測(cè)站12 d的實(shí)測(cè)底層流速、潮位分布數(shù)據(jù)和該海域某永久潮位站同時(shí)刻潮差數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，建立回歸方程，確立杭州灣海底管道所在海域底層流速與該潮位站潮差之間相關(guān)關(guān)系。根據(jù)該潮位站一年的潮位分布數(shù)據(jù)及相關(guān)關(guān)系，可近似估算出杭州灣海底管道所在海域一年內(nèi)的底層流速分布情況，見圖1。

圖1 某測(cè)點(diǎn)流速概率分布柱狀圖

由圖1知，杭州灣海底流速主要集中在0.7～1.1 m/s，近似服從正態(tài)分布。利用Matlab中Cftool工具箱擬合流速分布，如圖2所示。

圖2 擬合流速分布曲線

圖2中的擬合曲線滿足均值μ=0.896 3、標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.129 8的正態(tài)分布，流速概率分布函數(shù)FV為：

式中：V為海流流速，m/s。

根據(jù)杭州灣海域流速分布，將疲勞工況劃分為以下9個(gè)子工況，如表1所示。

表1 疲勞工況劃分方案

2 杭州灣海底管道管跨繞流CFD仿真及動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1 杭州灣海底管道管跨繞流CFD仿真

該海底管道主要由鋼管層、防腐層、混凝土配重層和阻流板組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該管道參數(shù)詳見表2。海水流經(jīng)管跨時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性漩渦脫落，引發(fā)管跨結(jié)構(gòu)周期性振動(dòng)。利用FLUENT分別模擬流固耦合作用下各個(gè)疲勞子工況的管跨渦激升、曳力，圖4為流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖。

表2 杭州灣海底管道參數(shù)

圖3 海底管道結(jié)構(gòu)示意

圖4 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖

圖5為管徑30 in的管道在1.2 m/s流速下30 in管跨渦激升力、曳力時(shí)程曲線。由圖5可知，由于阻流板的強(qiáng)迫分流作用，在其前后形成劇烈壓力降，渦激升力呈現(xiàn)非對(duì)稱性，管道受到向下的凈作用力作用。

圖5 渦激升力、曳力時(shí)程曲線

2.2 杭州灣管跨動(dòng)力響應(yīng)分析

建立杭州灣海底管跨管土耦合非線性作用模型，其中浸沒段采用PIPE59，兩端埋設(shè)段采用PIPE16和COMBIN39共同模擬[8-10]。

利用ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力分析模塊分析管跨動(dòng)力響應(yīng)，提取各工況下管跨各點(diǎn)橫向渦激振動(dòng)應(yīng)力和位移。圖6為流速1.2 m/s時(shí)，30 in管跨中點(diǎn)橫向渦激振動(dòng)應(yīng)力和位移時(shí)程曲線。

圖6 渦激振動(dòng)、位移時(shí)程曲線

3 杭州灣海底管道疲勞壽命分析

3.1 管跨疲勞壽命

由杭州灣海底管跨動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果可知，管跨中點(diǎn)橫向渦激振動(dòng)是一個(gè)隨機(jī)變化過程，需選取合適的計(jì)數(shù)方法，統(tǒng)計(jì)管跨疲勞應(yīng)力并計(jì)算渦激疲勞壽命。由于雨流計(jì)數(shù)法原理與材料疲勞損傷機(jī)制一致，計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際，因而在國(guó)內(nèi)外被普遍采用[11]。

根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法原理，利用MATLAB編寫“三變程”雨流計(jì)數(shù)程序，主要包括4個(gè)階段：數(shù)據(jù)壓縮、一次雨流計(jì)數(shù)、殘余數(shù)據(jù)對(duì)接、二次雨流計(jì)數(shù)。雨流計(jì)數(shù)后即可根據(jù)S-N曲線和Miner線性疲勞損傷累積準(zhǔn)則計(jì)算管道疲勞損傷，即：

式中：D為對(duì)應(yīng)于整體海流環(huán)境的海底管道長(zhǎng)期疲勞損傷，a-1；Di為單一工況i下海底管道疲勞損傷，a-1；pi為第i種工況發(fā)生的概率；Ni為雨流計(jì)數(shù)后工況i中疲勞應(yīng)力循環(huán)的總數(shù)；Sj為雨流計(jì)數(shù)得到第j個(gè)疲勞應(yīng)力幅值，Pa；N為管道疲勞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；m和k為疲勞壽命S-N曲線中的常數(shù)。

則海底管道疲勞壽命T表達(dá)式為：

式中：△c為疲勞損傷臨界值。

3.2 計(jì)算實(shí)例

依據(jù)上述疲勞損傷和疲勞壽命計(jì)算方法，采用DNVSr-N曲線，應(yīng)力集中系數(shù)取1.4，分別計(jì)算管跨長(zhǎng)度10～30 m時(shí)，海底管道渦激疲勞損傷和疲勞壽命。圖7為管跨長(zhǎng)度12 m時(shí)管道疲勞損傷曲線，由圖7可知：管跨最大疲勞損傷出現(xiàn)在管跨中點(diǎn)，兩端埋設(shè)段疲勞損傷較小；管跨最大疲勞損傷為0.019 3 a-1，疲勞壽命為51.9 a；根據(jù)DNV規(guī)范，安全系數(shù)取2，則管跨疲勞壽命為25.9 a。圖8為管道疲勞壽命隨管跨長(zhǎng)度變化曲線。由圖8知，管跨疲勞壽命隨著跨長(zhǎng)的增大先顯著減小，隨后變化緩慢，當(dāng)管跨長(zhǎng)度為16 m時(shí)，管道疲勞壽命大于1 a，考慮目前管道外檢測(cè)周期為1 a，故可推薦杭州灣海底管道臨界跨長(zhǎng)為16 m。

圖7 管道疲勞損傷曲線

圖8 懸跨長(zhǎng)度與疲勞壽命關(guān)系曲線

4 渦激疲勞損傷影響因素分析

4.1 疲勞損傷影響因素分析

4.1.1 跨長(zhǎng)

隨著管跨長(zhǎng)度增加，管道最大疲勞損傷呈增大趨勢(shì)，如圖9（a）所示。當(dāng)跨長(zhǎng)為20 m時(shí)，管道疲勞壽命不足一年，因而在管道運(yùn)行過程中，為保證海底管道安全，必須嚴(yán)格控制管跨長(zhǎng)度。

4.1.2 流速

隨著流速增大，管道疲勞損傷顯著增大，如圖9（b）所示。流速由0.8 m/s增加到1.2 m/s時(shí)，管跨一年疲勞累計(jì)損傷增大了近20倍。

4.1.3 土壤剪切強(qiáng)度

隨著管跨兩端埋設(shè)段土壤剪切強(qiáng)度的增加，管道疲勞損傷逐漸減小，但降幅不大，如圖9（c）所示，這主要是由于土壤剪切強(qiáng)度越大，土壤剛度越大，則累計(jì)損傷越小。

圖9 不同影響因素下管道系統(tǒng)疲勞特性曲線

4.1.4 輸送介質(zhì)溫度

輸送介質(zhì)溫度對(duì)管跨疲勞損傷具有一定影響，隨著輸送介質(zhì)溫度升高，管道疲勞損傷也逐漸增大，但增長(zhǎng)幅度不大，如圖9（d）所示。

4.2 基于正交數(shù)值實(shí)驗(yàn)的參數(shù)敏感性分析

分析杭州灣海底管跨疲勞損傷對(duì)各影響因素的敏感性，設(shè)計(jì)4因素、3水平的L9（34)正交數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分別求出各種情況下管跨中點(diǎn)疲勞損傷度，如表3所示。

表3 不同組合下管跨中點(diǎn)疲勞損傷

由表3知，R流速＞R跨長(zhǎng)＞R土壤＞R介質(zhì)溫度，極差越大，其水平變化對(duì)結(jié)果影響越大，因而杭州灣海底管跨疲勞損傷對(duì)流速的影響最為敏感，跨長(zhǎng)次之，土壤剪切強(qiáng)度和輸送介質(zhì)溫度對(duì)管跨疲勞損傷影響相對(duì)較小。因而在管道運(yùn)行過程中，根據(jù)該海域某潮位站潮差實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立海底管跨底層流速實(shí)時(shí)分布函數(shù)，對(duì)管跨進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞壽命精細(xì)評(píng)估十分必要。同時(shí)根據(jù)杭州灣海底管道歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，海底管道懸空也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，即管跨懸空出現(xiàn)位置及長(zhǎng)度是不斷變化的，且由于阻流板分流作用，懸空長(zhǎng)度段逐年減少，因而杭州灣海底管道實(shí)際經(jīng)受的疲勞損傷會(huì)低于基于單一懸空長(zhǎng)度計(jì)算出的疲勞損傷。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)杭州灣海底管道所在海域底層流速檢測(cè)數(shù)據(jù)及該海域某潮位站實(shí)時(shí)潮位潮差數(shù)據(jù)，給出杭州灣海底管道所在海域底層流速分布，可為海底管道后續(xù)安全運(yùn)行分析提供基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)。

（2）由于阻流板的存在，杭州灣海底管道升力系數(shù)存在非對(duì)稱性；動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果表明，管跨危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)位于管跨中點(diǎn)。

（3）杭州灣海底管跨引起的疲勞損傷對(duì)海底流速最為敏感，跨長(zhǎng)次之，流速和跨長(zhǎng)是管跨結(jié)構(gòu)疲勞損傷的主導(dǎo)因素，土壤剪切強(qiáng)度及輸送介質(zhì)溫度對(duì)管道疲勞損傷的影響不明顯。

（4）管跨疲勞壽命隨著跨長(zhǎng)的增大先顯著減小，隨后變化緩慢，可推薦16 m為其臨界跨長(zhǎng)。由于杭州灣海底管道懸空位置和長(zhǎng)度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，管道實(shí)際疲勞損傷小于計(jì)算某單一懸空長(zhǎng)度下的疲勞損傷，故推薦值有一定的保守性。