倪玲英，耿光偉，劉秉德

(1.中國石油大學(xué)(華東)，石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300270)

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基于AutoPIPE的海底懸空管線挖溝埋設(shè)應(yīng)力分析

倪玲英1，耿光偉1，劉秉德2

(1.中國石油大學(xué)(華東)，石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300270)

基于AutoPIPE軟件考慮管土作用機(jī)制，以施加密集V-stop模擬海床，并通過改變V-stop位置模擬挖溝過程，懸空管道在治理過程中的應(yīng)力表明，一次挖溝成型與多次挖溝成型之后的管道應(yīng)力相同，但多次挖溝成型過程中的應(yīng)力峰值明顯低于一次挖溝成型，而避免了懸空管道在挖溝過程中可能發(fā)生的屈服破壞；海底懸空管道挖溝埋設(shè)過程中隨著挖溝深度和管道溫差的增加，管道應(yīng)力、屈服位移呈現(xiàn)增大趨勢。

海底懸空管道；挖溝埋設(shè)；AutoPIPE；應(yīng)力分析

為實(shí)現(xiàn)海洋油氣等資源的多方配置，海底形成了規(guī)模龐大的網(wǎng)狀集輸管線系統(tǒng)。海流沖刷、海底不穩(wěn)定、人工采砂等因素極易造成海底管線懸空現(xiàn)象難[1-3]。目前針對(duì)海底管道懸空通常采用砂袋覆蓋結(jié)合混凝土連鎖排、水下支撐樁等防護(hù)措施，但以上措施易致管道二次沖刷且不適合大范圍應(yīng)用。二次挖溝即在懸空管道底部挖溝使懸空段沉管觸底進(jìn)行埋設(shè)，其具有投資少、施工快等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外有關(guān)海底懸空管道二次挖溝治理的報(bào)道只有簡單提到[4-5]，沒有介紹挖溝時(shí)管道強(qiáng)度評(píng)估[6]。為此，考慮基于AutoPIPE軟件，在文獻(xiàn)[7-8]基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮管土作用機(jī)制，以及管道熱膨脹因素，研究管道的應(yīng)力分布特性，所采用的數(shù)值模擬方法完全仿真挖溝過程，精確反應(yīng)挖溝各階段的應(yīng)力特點(diǎn)。

1 ASCE規(guī)范計(jì)算土體荷載

1)軸向土彈簧。作用到單位長度管道上的最大軸向土反力[9]為

(1)

2)水平橫向土彈簧。作用到單位長度管道上的最大水平橫向土反力[9]為

(2)

式中：Nch，Nqh為粘土載重量系數(shù)。

3)豎直方向土彈簧。豎直向下運(yùn)動(dòng)土反力為

(3)

豎直向上運(yùn)動(dòng)土反力為

(4)

式中：Nc、Nq、Nr、Ncv及Nqv為承載因子。

2 模型建立

對(duì)于埋地管道在土壤模型中可以認(rèn)為埋地管道周圍的土壤發(fā)生彈塑性變形，等效管道剛度，如圖1a)所示管-土模型。管道周圍的土壤通過不同方向的土彈簧分別模擬土壓力，以及管道軸向摩擦力，如圖1b)土彈簧模型，設(shè)置3個(gè)方向上的土彈簧模型。

圖1 管-土作用計(jì)算模型

以渤海某海底懸空輸油管道直徑×壁厚=304.8 mm×12.7 mm為例，其相關(guān)參數(shù)見表1，鋼材為API 5L X60(屈服強(qiáng)度δs為414 MPa)，管內(nèi)操作內(nèi)壓為4 MPa。海床土壤參數(shù)見表2。

取230 m計(jì)算管線，2端分別添加Anchor點(diǎn)固定，然后分別從2端各取100 m管線設(shè)置為埋地狀態(tài)，中間30 m長的管段處于懸空狀態(tài)，不做任何設(shè)置。A00～A01,A02～A03為埋地管段，其中總共添加50個(gè)管節(jié)點(diǎn)；A01～A02為懸跨管段，其中添加15個(gè)管節(jié)點(diǎn)；A01、A02為坡肩。初始懸

空狀態(tài)時(shí)管道受力分布云圖見圖2。

由圖2可見，管段懸空狀態(tài)下坡肩(A01,A02)處的受力最大，下傾過程直至懸空段中部，應(yīng)力由小變大，管線整體應(yīng)力分布呈對(duì)稱特性。

3 挖溝模擬計(jì)算

3.1 一次挖溝治理

表1 海底管道參數(shù)

表2 海床土壤參數(shù)

圖2 初始懸空狀態(tài)下管道應(yīng)力分布

對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)下海底懸空管道不考慮波浪和海流的影響，挖溝過程中受到的載荷有自重、浮力、內(nèi)壓、熱膨脹以及海床對(duì)管道的支撐作用。運(yùn)用Auto PIPE軟件模擬該懸空管道的一次挖溝成型，并分析該過程中管道應(yīng)力分布變化情況。為了便于模擬挖溝過程，通過施加密布V-stop來模擬海床支撐。挖溝過程中移動(dòng)V-stop位置改變懸跨長度，同時(shí)設(shè)置V-stop上部間隙(gap)為1 000 mm(表示上部無約束，可無限制的產(chǎn)生向上位移)。挖溝深度通過V-stop的下部間隙(down)距離設(shè)置來控制，比如,設(shè)置下部間隙為1 200 mm,則管道沉降至1 200 mm時(shí)觸底。計(jì)算過程考慮管道溫差與挖溝深度因素的影響。挖溝建模過程如圖3所示。

圖3 一次挖溝成型數(shù)值模擬

通過上述過程的模擬計(jì)算得到挖溝過程中管道豎直方向位移與最大等效應(yīng)力，見表3、4。圖4為海底懸空管道在挖溝后的彎曲示意圖。

表3 挖溝過程中豎向位移

注：L-挖溝長度；L1-懸空段觸底長度；L2-坡肩處平躺段屈曲部分的屈曲長度；hmax-最大屈曲高度；L3-屈曲最高點(diǎn)與坡肩的水平長度；fv-海底管道的豎向最大位移(管道觸底之前為自由懸空的最大豎向位移，觸底之后即為挖溝深度)。

表4 挖溝過程中最大等效應(yīng)力

δ-挖溝深度(一次挖溝成型時(shí)即為初始懸空深度)圖4 海底懸空管道在挖溝后的彎曲示意

從表1、2可見，整個(gè)挖溝過程中，在懸空段觸底之前，平躺段屈曲部分中的hmax、L2、L3和懸空段最大豎向位移fv,以及管道的最大等效應(yīng)力都是一直增大的，懸空段剛觸底時(shí)達(dá)到最大值。懸空段觸底后，fv保持不變，其值等于挖溝深度，而hmax、L2、L3和δm先減小，之后保持不變，如圖5所示，其中，管道溫差為20 ℃。

圖5 海底懸空管道在挖溝過程中的位移、受力特性

其他條件不變時(shí)，管道觸底之前，挖溝深度增大但最大等效應(yīng)力幾乎沒有變化，觸底之后，隨著挖溝深度的增加，管道最大等效應(yīng)力明顯增大，如圖6所示。當(dāng)設(shè)置管道溫差增加時(shí)，管道最大等效應(yīng)力表現(xiàn)出線性增加趨勢，如圖7所示。

圖6 觸底長度變化曲線

圖7 最大等效應(yīng)力隨管道溫差的變化曲線

3.2 多次挖溝治理

按照一次挖溝時(shí)工況設(shè)置進(jìn)行多次挖溝模擬，最大的區(qū)別在于V-stop下部間隙要設(shè)置多次來控制模擬挖溝深度。本文以二次挖溝過程為多次挖溝特例。同理，三次挖溝等多次挖溝都以相同的處理方式進(jìn)行建模計(jì)算，見圖8。

圖8 多次挖溝成型數(shù)值模擬

按圖8所示進(jìn)行不同狀態(tài)下的挖溝建模計(jì)算，得出該管道在整個(gè)挖溝過程中坡肩處最大等效應(yīng)力的變化趨勢。與一次挖溝成型進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。其中，管道溫差為20 ℃，一次、二次和三次挖溝成型的每次挖溝深度為0.6、0.3、0.2 m。

由圖9可見，一次挖溝成型中的管道應(yīng)力在挖溝過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，若高溫運(yùn)行或懸空深度較大時(shí)，其峰值更大，容易使管道發(fā)生屈服破壞。而多次挖溝成型在挖溝過程中能夠明顯降低該峰值，且最終挖溝成型的管道應(yīng)力與一次挖溝時(shí)相同，卻降低了懸空管道在挖溝治理過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 多次挖溝方式應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1)管道初始懸空狀態(tài)下，坡肩處的應(yīng)力最大，其次為懸空管段中部。

2)海底懸空管道的挖溝治理過程中，管道應(yīng)力隨挖溝深度或管道溫差的增加而明顯增大。

3)在任一挖溝長度下，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在坡肩，一次挖溝成型的整個(gè)過程中，最大等效應(yīng)力先增大后減小再保持不變，其峰值出現(xiàn)在懸空段剛接觸底部海床時(shí)。

4)一次挖溝成型和多次挖溝成型的管道最終應(yīng)力相同，但多次挖溝成型能明顯降低一次挖溝成型中的應(yīng)力峰值，從而避免了挖溝過程中管道可能發(fā)生的屈服破壞。

[1] 王利金,劉錦昆.埕島油田海底管道沖刷懸空機(jī)理及對(duì)策[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2004,23(1):44-48.

[2] 董文乙.海底管線懸空段預(yù)防性管理[C].第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,2011:425-433．

[3] 倪玲英,劉秉德,詹燕民，等.海底雙層保溫管的懸空數(shù)值模擬[J].船海工程,2014(6):154-156+160.

[4] 奉虎,王彥紅,王靖.海底管道懸跨處理方法及其適用性分析[J].中國造船,2012(A02):74-81.

[5] 劉極莉,王佐強(qiáng),劉楚．海底管道沖刷及自由懸跨處理方法評(píng)估[C].第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,2011:375-378．

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[9] ASCE, Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe[S]. America: 2001.

Stress Analysis about Post-trenching of Submarine Suspended Pipelines Based on AutoPIPE

NI Ling-ying1, GENG Guang-wei1, LIU Bing-de2

(1.School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580, China;2.CNOOC Tianjin Pipeline Engineering Co., Ltd., Tianjin 300270, China)

The stress changes of submarine suspended pipeline in the governance process were calculated in AutoPIPE, exerting concentrated V-stop to simulate seabed, and simulate trenching by changing the V-stop position. The result indicate that first-trenching embedding has the same stress with post-trenching, but post-trenching treatment can obviously decrease the peak stress, avoiding damage to yield suspended pipeline that may occur in the process of trenching. The depth of pipe cover and temperature difference of submarine suspended pipeline will significantly increases pipe stress in the process of governance.

submarine suspended pipeline; post-trenching treatment; AutoPIPE; stress analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.042

2016-09-26

中海油(中國)有限公司項(xiàng)目(S12TJPWX015)

倪玲英(1964—)，女，博士，教授

研究方向：海洋油氣工程

P754

A

1671-7953(2017)04-0182-05

修回日期：2016-10-28