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粉土海床波流作用下海底管道稳定性研究 摘要 2 1 世纪是海洋的世纪。近年来，我国加快了海洋油气资源的开发和利用，海 底管道的铺设量逐年增加。在从近岸平台向陆地的油气输送中，管道输送仍然是 目前最重要的运输方式之一。然而，海底管道所处的海洋环境复杂，管道周围底 床在波浪、潮流等水动力的作用下极易产生冲刷，造成管道悬跨。悬跨段的管道 没有了底床的支持力和摩擦力，在波浪、潮流力的作用下很容易发生振动，对管 道的安全稳定性造成极大的破坏。 本文基于大型物理模型试验，通过水槽中进行的管道试验所观察到的现象以 及采集的数据进行整理分析，对管道的受力振动问题进行了系统的研究。 本文介绍了目前国内外对于海底管道底床冲刷，受力振动问题的研究现状， 并提出了本文的研究特点。对物理模型试验的试验条件，试验内容等进行了详细 的描述。通过对试验中底床变化的细致观察，将海底管道周围底床冲刷和沙波形 成过程进行详细的说明，总结出一定的规律。 本文针对我国海底管道大都铺设于细颗粒物海床的特点，主要对粉土海床上 海底管道的受力情况进行分析。对比不同组次的试验，总结出不同波浪要素，不 同埋置深度海底管道的受力特征，并分析了流的作用对管道受力的影响，弥孙了 国内外关于波流联合作用研究的不足。 本文通过中砂、极细砂海床与粉土海床的受力进行对比，分析底床对海底管 道受力的影响。在此基础上对粉土海床平铺海底管道在波流联合作用下的受力过 程进行详细的分析。此外，本文还试探性的引入了“剩余力 的概念，对单个波 浪过程的作用进行分析，以便研究管道的振动趋势。 最后，本文介绍了管道涡流振动的机理，并结合东方卜1 管道的测量资料和 所在研究区的概况，分析了有无台风两种情况下，海底管道的振动疲劳问题，对 该区域的管道施工维护提供参考。 关键词：海底管道；物理模型试验；受力；振动疲劳 r e s e ar c ho nt h es t a biiit yo fs u b m arin epiplin eo nt h e e f f e c to fw a v ea n dtid aic urr e n to nsilt ys e a b e d a b s t r a c t t h et 、e n t y ? f i r s tc e n t u l ) ，i so c e a nc e m u r y i nr e c e my e a r s ，m ee x p l o i 协t i o no f m 撕n eo i la 1 1 dg a sh a sd e v e l o p e dv e r yf 瓠ti no u rn a t i o n 1 1 1 u s ，s u b m a r i n ep i p e l i n e s h a v e b e e ni i l c r e a s i n ge v e 巧y e a r p i p e l i n e s 仃a n s p o i r t a t i o ni ss t i l lo n eo ft l l ei m p o r t a m 仃a m s p o r t a t i o nm o d e s ，d e l i v e r i n go i la n dg a sf r o mo f f s h o r ep l a t f o 册t ol a l l d h o w e v e r ， i 1 1c o r n p l e xm a r i n ee n v i r o 啪e n t ，b e d 啪u n dp i p e l m e sa r o u s es c o u r e 2 l s i l yu i l d e rt h e e f f e c to f 血eh y d r o d y n 锄i ct e n n s ，s u c ha sw a v eo rt i d a lc u 玎e n t ，t 1 1 e nr e s u l ti ns p a n t h es p a n i l i n g p i p e l i n e sw i l ll o s et h es u p p o n i v ef o r c ea n d 衔c t i o n w h e nt h e 、v a v eo r t i d a lc 肼e n tf o r c ea c t e do n ，t h ep i p e l i n e s 谢l lv i b r a t e t m sw i l lb r e a kt h es 疵t ya n d s 切b i l i t ) ，o ft l l ep i p e l i n e se x 臼r e m e l y 1 1 1 ep 印e r b a s e do np h y s i c a lm o d e lt e s t s ，s t u d i e dm ef o r c e i n d u c e dv i b r a t i o n s y s t e m a t i c a l l y 也r o u g hn l ep h e n o m e n o no b s e r v e da n d t h ed a _ t ac o l l e c t e di nt l l et e s t s r e s e a r c hs t a t u sa th o m ea 1 1 da b r o a dp r e s e m l yi si m r o d u c e d ，i n c l u d i n gs c o u ro f t l l eb e d a n df o 够e i n d u c e dv i b r a t i o n ，m e nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep 印e ri sb r o u g h t f 1 0 r w t l r d t h ec o n d i t i o n sa n dc o n t e r l to ft h ep h y s i c a lm o d e lt e s t sa r ed e s c r i b e d d e t a i l e d l y 1 1 1 ec o u r s e so ft h es c o u r a r o u dt h ep i p e l i n ea i l dt h ef o m a t i o no fs a i l d w a v e sa r ee x p l a i n e di nd e t a i lt l l r o u 曲t t l ec l o s eo b s e r v a t i o no ft h ec h a l l g ei nb e d ，a n d c e r t a i nm l e sa r es u n 】m a r i z e dt o o t h ef o r c e a c t e do ns u b m a r i n ep i p e l i n e si 1 1s i l 够b e di sa 1 1 a l y z e dm a i n l y ，b e c a u s e t l l ep i p e l i n e sa r eg e n e r a l l yl a y e do nf i n es e d i m e n t si no u rc o u n t 巧t l l r o u 曲t h e c o n t r a s to fd i 毹r e mt r i a l s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef 0 r c ei n n u e n c 甜b yt h ed i 伍：r e n c e s o ft h ew a v ee l e m e n t sa n dt h eb u r i a ld e p t hi ss 1 衄m a r i z e d t h e nt h ei r l n u e n c eo ft h e f o r c eu i l d e rc u r r e n ti sa l s o 锄1 y z e d ，m a k i n gu pf o r t h e1 a c ko ft h er e s e a r c ha th o m e a 1 1 da b r o a da b o u tm ee 仃e c tu n d e rb o t h 儇v ea n dc u r r e n t t h ei n n u e n c eo ft h ef o r c ea c t e do np i p e l i n e so nd i f r e r e mh n d so fs e a b e di s s t u d i e db yt h ec o n t r a s to ft h et h r e es o r t so fb e d s m e d i u ms a n d ，f i n es a n da n ds i l t s e a b e d t l l ep m c e s so ft h ef o r c ea c t e do nt h es u b m 撕n e p i p e l i 理e su 1 1 d e rb o t h 、v a v e a n dc u r r e n ti ns i l t yb e di sa z l a l y z e dc o n c r e t e l yo na b o v eb a s i s i na d d i t i o n ，an e w c o n c e p t r e s i d u a lf o r c ei sh l t r o d u c e dt e n t a t i v e l y ，w h i c hi su s e dt os t u d yt h ee ! f r e c ti n s i n 9 1 e 、a v ep e r i o d ，i no r d e r t oe x p l a i nt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h ep i p e l i n e s a tl a s t ，t h e m e c h a n i s mo fv o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o ni se x p o l n l d e d a n dt l l e v i b r a t i o nf a t i g u eo ft h ep i p e l i n e si sd i s c u s s e db y 印p l y i n gt h es u r v e yd a t ao fd f1 1 g a sl ea 1 1 dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft 1 1 er e s e a r c ha r e a ，眦d e rt y p h o o no rn o t t h i s r e s e a r c hw i l lh e l pt h ei n s t a l l a t i o na n dm em a i n t e n a n c eo ft h ep i p e l i n e si 1 1t l l ea r e a k e yw o r d s ： s u b m a ri n ep i p li n e ： p h y s i c a l m o d e it e s t ： f o r c e ： v i b r a ti o n f a t i g u e 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国海洋大学或其他单位的 学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：撩签字日期：加尹年月r 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：毫呈阳 签字日期：沙咿年月厂日 翩繇才尚 签字日期：p o ，年6 月f 日 粉七海床波流作用下海底管道稳定性研究 u 日i j 吾 。 0 1 研究意义 能源问题是当今世界三大问题之一，世界经济快速发展，对能源的需求也与 日俱增。油气资源作为常规的能源，在全球的现代化发展中更是起着不可替代的 作用。占地球表面积7 0 以上的海洋，蕴藏着丰富的油气资源，全球的海洋油气 资源占全球油气资源总量的3 4 n 1 。截至2 0 0 6 年1 月，世界已探明的石油储量为 1 7 5 7 1 0 8 t ，天然气储量为1 7 3 1 0 1 2 m 3 。其中，海洋石油资源量约1 3 5 0 1 0 8 t ， 已探明约3 8 0 1 0 8 t ，海洋天然气资源约1 4 0 1 0 1 2 m 3 ，已探明约4 0 1 0 1 2 m 3 。我国 拥有3 1 0 6 k m 2 海域，有着极为丰富的海上油气资源，中国近海大陆架已发现沉积 盆地1 1 个，有效勘探面积约6 0 1 0 4k m 2 。中国海域油气地质条件良好，勘探程度 和发现程度较低，尚处于旱中期勘探阶段，潜力较大，是中国石油增储上产潜力 较大的地区心1 ，开采海洋油气资源已成为我国能源发展的一个重要方向。海洋石 油和天然气对国民经济建设、国家安全战略有着重要的意义。 海底管道作为海上油气资源的生命线，是海上油气传输的主要方式，是海上 油气资源得以发挥应用作用的重要保障。海底管道是指最高水位时，位于海面以 下的那部分管道，直径一般为2 0 c m 至l m 。1 9 5 4 年，b r o w n r 0 0 t 公司在美国墨西哥 湾铺设世界上第_ 条海底管道，半个多世纪来，海底管道的铺设己遍及全球海域， 世界各国铺设的海底管道总长度已达十几万k m 。我国的第一条海底管道是中同合 作开发的黄河三角洲埕北油田海底管道，该管道由新日铁公司设计，1 9 8 5 年建成 投产，至今仍在生产运行。我国的第一条长距离海底管道是1 9 9 2 年建成投产的锦 州2 0 2 天然气凝析油混输管道b 3 ，该管道全长4 8 6 k m ，管径为3 0 4 8 c m ，是第一 条由国内铺管船铺设的海底管道。我国迄今为止最长的海底管道是1 9 9 5 年底建成 投产的由南海崖1 3 一l 气田至香港的海底输气管道，该管道全长7 8 7 k m ，管径为 7 1 1 2 c m ，年输气量为2 9 1 0 3 ，由美国j pk e n n y 公司负责设计，意大利s e i p e m 公司负责施工。2 0 多年来，我国已先后在渤海、东海以及南海累计铺设了约 2 0 0 0 0 k m 的海底管道。中国海上油气在“十五期间的产量已达到年产4 1 0 。t ， 这意味着我国的海底管道铺设量有了大幅度的增长。可以说，在我国新建管道的 发展期和已建管道的维护期已经到来。 由于海底管道所处的海洋环境异常恶劣，从而使海底管道的铺设和运营都存 粉十海床波流作用下海底管道稳定性研究 在较大的风险，世界上海底管道事故频发，对海上油气的生产和输送都造成了极 大的影响。 a r n o l d 在上世纪8 0 年代对美国密西西比河三角洲1 9 5 8 1 9 6 5 年间海底管道事 故进行了统计h 1 ，发现海床运动和波流冲刷是海底管道失效的主要原因，它们所 引起的海底管道失效占总失效的3 6 2 ，这与该海域水深较浅以及海底地质松软 有关。腐蚀和机械破坏是海底管道失效的次要原因，机械破坏包括锚和其它不明 物体造成的海底管道破坏，它们分别占总失效的2 9 2 和2 6 6 ，其它原因引起 的海底管道失效占8 。d e m a r s 等对u s g c 记录的1 9 6 7 一1 9 7 5 年间墨西哥湾海底管道 事故进行分析发现腐蚀、波流冲刷、第三方活动和海床运动是引起海底管道失效 的主要原因。美国删s 对墨西哥湾1 9 6 7 一1 9 8 7 年2 0 年间海底管道失效原因进行了统 计，发现腐蚀是引起海底管道失效的主要原因，占总失效的5 0 ，第三方活动、 暴风雨及波流作用等造成底床形态变化是海底管道失效的次要原因，分别占总失 效的2 0 和1 2 ，其它不明原因引起的失效占1 8 强3 。 从以上统计不难看出，波流作用于海底管道及其底床，导致管道受力，并造 成底床冲刷，进而使得管道底床淘空，管道悬跨，对海底管道的安全稳定性会造 成重要的影响。当海底管道埋深不足时，在波流反复作用冲刷下会逐渐裸露出海 底，并进而呈现悬跨的状态，波流流经悬跨管道时会在管道后部释放旋涡，使管 道受到的波流作用力发生变化，引起管道剧烈的振动。当悬跨管道自振频率与旋 涡释放频率相近时管道会发生涡激共振，管道在很短的时间内产生疲劳破坏。2 0 世纪5 0 年代以来，世界上关于海底管道因波流作用，底床冲蚀悬空而造成破坏的 报道层出不穷。2 0 0 0 年1 0 月，我国东海平湖油气田海底输油管道因波流冲刷断裂， 油气田被迫停产，使依靠平湖油气田供气的上海浦东天然气供应几乎中断，造成 了极其严重的后果陋1 。平湖的海底管道每年平均需要花费2 0 0 一3 0 0 万元处理冲刷 问题，并且还担心随时发生新的冲刷区造成管道破坏。东方管道目前已经对管道 的悬跨处理了3 次，也花费了大量的费用。胜利埕岛油田管道维护费更是平均每 年维持在3 0 0 5 0 0 万元。 综上，我们可以看出，由于海底管道周围的水动力条件极为复杂，在波浪与 流的作用下，海底管道受力振动，管道的底床形态也时刻变化，底床形态的变化 又引起受力的变化，从而影响管道的安全稳定性。因此有必要探讨波流一管道一 2 粉十海床波流作用下海底管道稳定性研究 底床三者之间相互作用的关系，研究海底管道的受力过程，以及振动疲劳问题， 在此基础上揭示海底管道安全失稳的复杂力学过程，进一步提出事f i 预防措施， 减少不必要的经济损失。 0 2 研究现状 o 2 1 物理模型试验研究 物理模型试验是研究管道冲刷受力问题的重要方法，国内外在此领域已经开 展了大量的工作。马良n 3 总结了试验数据，提出了海洋土不发生冲刷的最大允许 流速，一旦超过该流速，大量沙粒发生运动，海床将失去稳定性，埋设的海底管 道可能由于上部海床冲刷而暴露出来。 闫澎旺等m 1 用细砂和原型管道进行了模型试验，对半埋入土中的管道，进行 了管道侧向阻力试验以及用往复荷载模拟水动力荷载作用下管道的侧向阻力及 沉降量，该试验给出了土体侧向阻力的表达式。 李玉成及陈兵等阳一们针对波浪作用下海底管线上的升力、水平力等进行了模 型试验研究，通过试验分析波浪场中管线周围的流场特性以及管线受力，为近海 管线设计提供必要的依据。 秦崇仁等1 利用波浪水槽，针对不同水深、不同波要素、不同管径和泥沙粒 径等对管道附近冲刷的影响进行了模型试验，初步得到了冲刷发生的临界波浪条 件及稳定后冲刷坑的深度和范围。 羊皓平n 2 1 通过系统的多种床面下的流动试验和水动力测量试验，分析了冲刷 引起的流场特性和水动力特性的变化，探讨了管线振荡绕流中冲刷问题的机理。 国外在这方面的工作开展较早，成果也相对较多。c h i e w 根据不同的研究 目的，设计了三个类型的实验，对单向流作用下冲刷起动的机理和冲刷的发展过 程进行了探讨。此外，他还研究了波浪作用下，管道上安装扰流板对冲刷深度、 幅度及冲刷发展速度的影响n 钔。 j e n s e n 等m 3 在一l o m 长，0 3 m 宽，0 3 m 高的水槽内，采用一系列不能发生形 变的固壁平衡冲蚀床面( 称冻结冲刷床) ，模拟了单向流作用下，冲刷发展过程各 个阶段，管道周围的流场特性和管道的受力情况，从而为进一步的数值模拟工作 奠定了试验基础。 f o d a 等n 蜘在5 4 8 6 m 长、2 4 4 m 宽、1 5 2 m 深的水槽中进行模型试验，研究了两 3 粉七海床波流作用下海底管道稳定性研究 端自由半埋管线在海床上的稳定性。 s u m e r 等n7 叫钔对波、流作用下管线周围海床冲刷问题做了大量的试验研究， 在冲刷的起动、冲刷发展的影响因素，冲刷后管道的自埋等方面进行了详尽的探 讨，他们的成果为后人在这一领域进行进一步的研究提供了许多有价值的帮助。 o 2 2 波浪、流的作用力对管道稳定性影响的研究 早期的研究，由于仪器限制，必须对作用在管道上的水动力作计算。计算作 用在海底管道上的波浪力都是用莫里森( m o r i s o n ) 方程，计算水平力、垂直力 和上举力。然而测试表明，莫里森方程在预测形态细节和力的作用时间历史上有 局限性。随着研究的深入，s o e d i g d o 等乜们提出了w a k ei i 模型，该模型基于对振荡 流的线性n a v i e r s t o k e s 模型闭合形式的解法，得出了尾流速度的修正值，而且 基于起动效应确定了水动力系数。该模型可用来设计计算只在规则波作用下的各 种管径的海底管道的稳定性，是对莫罩森( m o r i s o n ) 方程的完善。 s a b a g 等心门通过试验与理论分析，证明了w a k ei i 模型与试验结果吻合较好， 可以进行广泛的应用。 s u d h a n 等心2 3 通过试验对埋置于底床中的管道所受波浪力进行了研究。试验水 槽长3 0 m 、宽2 m 、高1 7 m ，把一段长1 9 6 m ，直径0 2 m 的管道模型埋置于砂质底床 0 0 8 m 米深度中，针对不同波高和埋置深度进行了多组试验。管道垂直于水流方 向放置，通过均匀布置在环管道周围的1 2 个传感器测定管道所受波浪力。试验结 果显示：管道所受波浪力明显取决于波周期，并与管道埋置深度有关。管道顶部 所受波浪力较大，管道底部所受波浪力较小。 s i r i s u p 等乜砌通过试验研究了小雷诺数情况下，螺旋布置翼板的固定圆柱体 受力情况，并对圆柱体周围流场进行了数值模拟。 k u m a r 等乜们研究了粘性土海床上，海底管道所受波浪力的作用情况。 国内这方面也有相应的研究。马良及张日向拉铂在对海底部分埋设管道在波流 作用下水动力效应的试验中，研究了水动力系数与k c 数之间的相关性以及影响水 动力系数的因素。 李磊岩乜6 1 以空心有机玻璃管为模型管线，在长5 0 m 、宽3 0 m 、深l m 水池中进行 了海流条件下悬跨海底管线动力响应试验，研究了流速、管长、内流等条件对管 跨段动力响应的影响。 4 粉七海床波流作用下海底管道稳定性研究 高福平等乜7 3 以水动力加载试验得到的描述管道在位稳定性的波浪环境参数、 管道参数和海床土性参数之间的无量纲耦合关系为基础，提出了一种考虑波一管一 土动力耦合作用的海底管道在位稳定性分析方法，并通过算例与挪威船级社推荐 的d n v 设计规范进行了比较分析。分析表明：考虑波一管一土耦合作用的管道稳定 性分析方法与d n v 管道设计规范有很好的可比性，而且物理机理更清晰，可为管 道稳定性设计提供有益的参考。 任艳荣等心邮分析了弹塑性海床上的管道受到的力的作用。 李玉成编写了波浪对海上建筑物的影响一书汹1 ，研究了圆柱体周围的 速度场。结果表明管线周围会发生绕流，而且流场相对集中。管线周围土体受波 浪应力较为集中，加速了土体的侵蚀，会影响管线稳定性。重力波的存在，也会 增加直接作用在管线和沉积物上的水力荷载，进而影响海底土的抗压和抗剪能 力。 李玉成等3 还提出了应用三步有限元法结合大涡模拟湍流模型的二维和三 维数值模拟方法，并且成功应用在计算海底管线所受波浪力的问题上。二维和三 维数值模拟结果都与实测数据符合较好，而三维结果稍好于二维结果。 孙昭晨及邱大洪聃订研究了浅水区海底埋设管线上的非线性波浪力。结果表 明，当周期较长的波浪进入浅水地区后，由于水深的影响引起了波剖面的变形， 将使海底埋置管线上受到较大的波浪力，特别当波浪周期长且相对波高也较大 时，波浪力的增大也相当可观。 麦继婷等2 1 根据悬浮隧道自身结构特点和工程设计中所考虑的波浪条件，利 用m o r i s o n 方程和线性波浪理论，计算分析了隧道放置深度、海流速度、流向与 波向间的夹角、波浪周期等诸多因素对隧道所受水平波浪力的影响。研究发现： ( 1 ) 隧道放置深度过大，将使水平波浪力变化幅度增加，在一个波浪作用周期内 受力情况趋于复杂。( 2 ) 海流速度的变化，导致波浪力变化幅度、出现峰值的时 刻发生变化，且曲线波形变化趋于对称。而流向与波向间夹角对波浪力的影响， 当海流速度较小时，夹角的变化对波浪力几乎不产生影响，只有当速度较大时， 才有所反应。( 3 ) 周期的变化对隧道所受波浪力有明显影响，波浪作用周期过小 将导致隧道所受波浪力的变化幅度显著增加，且在波浪作用周期内峰值次数增 加，使得隧道所受波浪力变化趋于复杂。因此在设计时应对周期较短的波浪对结 5 粉土海床波流作用下海底管道稳定性研究 构物的作用予以重视。 总之，关于海底管道冲刷掏空和管道稳定性早己引起国内外高度重视。我国 在这方面的研究起步较晚，但发展较快，由于目前我国海底管道面临的问题比较 严重，需要加大研究力度，为海底管道安全提供技术保障。 0 2 3 管道振动疲劳的研究 在国内的研究中，马良等3 3 对管跨结构的涡流振动响应和失效问题作了理论 分析，研究了不同跨长的管跨结构在不同载荷环境条件下的疲劳寿命问题，提出 了稳定性模型和准则，给出了防止管跨结构出现频率锁定的允许跨长。 唐友刚等1 应用转动柔度系数反映管跨结构两端的约束作用，利用模态分析 法求解管道管跨结构的涡流振动方程，并得出动应力分布。 方华灿等酗分析了在稳定海流的作用下，发生同向与横向涡激共振的条件， 及发生涡激共振时管跨的响应，建立了计算管跨振动的振幅及频率的经验公式。 通过计算分析，认为管跨的水平方向涡激振动一般不会对管道系统的正常运行构 成威胁，而管跨的竖直方向共振则必须予以消除。 孟昭瑛等m 3 对不同流速下的海底管道的涡流振动进行了试验研究，通过对比 不同管径、不同跨长、不同边界条件的各组模型试验，得出了涡流振动时振幅、 频率等参数的关系曲线，并运用尾流振子数学模型研究了涡流振动的响应： 肖芳淳利用矩阵分析的方法将管道悬跨段处理成w i n k l e 弹性地基上的半 无限长梁，确定了管道悬跨段的自振频率，并利用共振条件计算极限冲刷跨长。 余建星等陋岫对海底管道管跨段在稳定流和随机流作用下的动力响应规律进 行了分别的测定，总结出了频率锁定现象出现的条件，提出了海底管道的可靠性 设计方法和管理中应采取的相应措施。 郭海燕等们考虑管内流体流动的作用，研究了一端固定、一端铰支的边界下， 输流立管在地震力作用下的反应，研究表明：输流管道横向振动的固有频率随着 管内流速的增加而降低，当管内流速不大时，流速对管道的动力反应影响较小。 在国外的研究中，c o u t a n c e a u h 们对圆柱绕流现象中的尾流形成过程进行了研 究，表明分离诱导的二次涡阻碍了边界层涡量向下输送和主涡涡量的集中，而且 过程发展下去会导致主涡层断裂形成孤立涡旋。 k a t i n a s 等h 门在水流作用下进行光滑及高密度管线的涡流振动研究，结果显 6 粉十海床波流作用下海底管道稳定性研究 示：管线的共振最大幅度与折减速度有一定的相关性。 g k f u r n e s 及j b e r n t s e n h 2 1 通过轴向力的联结在时域内分析了海底悬跨管 道顺向和垂向涡激振动的祸合关系，研究表明涡激振动时顺向和垂向的祸合关系 不可忽略。 h o n g 及c h o i h 锄对定界面和变截面管道的涡激振动问题进行了实验研究。 m a t t e o 】u c a 及e m m a n u e lh 4 3 总结了关于尾流的振子模型理论和试验研究成果， 系统的阐述了非均匀流弹性圆柱体的涡流振动。 b r u s c h i 及v i t a l i h 趵对海底悬跨段管道在不同边界条件下的涡流振动试验进 行了对比研究。 h o u n e r h 刚通过研究得出：管内液体的流动可以降低管道的固有频率，从而引 起管道低阶振型的祸合振动，当流速较小时，产生的动力对振动的影响较小，可 以忽略；当流速较大，达到某一临界速度时，会导致管道结构动力失稳。 t a ox u 等h 7 3 采用时域、频域、时域和频域混合三种方法来评估海底管道悬跨 段的涡激振动响应及疲劳寿命。 p a i d o u s s i s 及i s s i dh 踟研究了竖向输液管道的动力特性和稳定性问题，得 出：如果内部流体为恒定流，则在较高的流速下，管道不仅会发生弯曲，而且还 会发生颤振现象。 o 3 本文的主要工作 本文以大型水槽物理模型试验为基础，结合国内外其他学者的研究成果，主 要对粉土海床上管道的受力进行研究，依次分析了波浪、波流联合条件下不同管 道埋置深度的受力过程，特别是对波流联合作用下粉土海床管道的受力过程进行 详细的研究。并以东方卜1 管道为例，研究管道的振动疲劳问题。本文所做的主 要工作包括： 1 - 对物理模型试验的冲刷过程和沙波的形成过程进行详细描述。 2 分析了不同波浪参数、不同埋设深度对管道受力的影响。 3 分析了加入流的作用后，管道受力的特点。 4 分析了不同海床类型，管道的受力特征。 5 对波流联合作用下粉土海床平铺管道的受力过程进行详细的分析。 6 引入“剩余力”的概念，分析单个波浪过程作用后，管道的受力振动趋势。 7 粉土海床波流作用下海底管道稳定性研究 7 根据实例，对比分析无台风和有台风两种情况下，管道的振动疲劳问题。 8 粉土海床波流作用下海底管道稳定性研究 1 物理模型实验 1 1 试验目的 中国海洋大学海洋地球科学学院与天津海洋石油工程股份有限公司、天津大 学共同承担了中国海洋石油总公司综合科研项目一海床变化对海底管道影响技 术研究课题，在进行了前期大量调研的基础上，对不同管径、不同水动力要素、 不同海床类型、不同埋深等条件下管道冲刷的情况进行了物理模型试验研究。 本文依托上述项目，从中采用同一管径的若干组物理模型试验数据进行分 析，着重于粉土海床。依次分析了波浪、波流联合条件下不同埋置深度管道的受 力过程及影响因素，特别是对波流联合作用下粉土海床管道的受力过程进行详细 的研究，并在此基础上探讨了管道的振动疲劳问题。 1 2 试验条件 该试验是在胜利油田钻井工艺研究院海洋研究所水槽实验室中进行，试验水 槽长6 2 m ，宽1 5 m ，深1 1 m ，有效工作水深o 7 m ，采用的试验水深o 5 m ，试验 用水为生活用自来水。水槽底部为混凝土，边壁为嵌有2 0 c m 厚的玻璃，玻璃之 间采用钢架连接。水槽造波系统为推板式造波机，由电液伺服计算机自动控制系 统来控制造波，可以生成周期o 6 3 5 s 的规则波和长峰随机波，水槽同时配有 造流设备，具备模拟流的能力。水槽后部设有消能滩，为一倾斜面，由消能网袋、 塑料泡沫板等组成，倾斜面底部布有碎石块，这些设旌可以最大限度的消减波浪， 减少反射波浪对试验的影响。试验用到的主要测量仪器有：d s 一3 0 型多点波高仪、 波浪力数据采集仪及相应传感器、土体孔压数据采集仪及相应传感器、y i h 型光 纤液体界面测定仪以及照相摄像设备等。试验波浪参数由波高仪测量，精细的底 床形态变化由步进式地形测量仪测量，精度1 衄。( 实验室及仪器见图卜1 ) 。 9 粉士海床波流作用下海底管馗稳定性研究 a 试验水槽外观 b 试验水槽内部 c 波浪力数据采集系统 网圉图 精十静床敞m 作用下海底管道轻2 忭研究 引 d 地形删帚柠制系统 p 波高仪及步进式地形测量仪 嘲1 ) 宴验室及试验所用仪器图 13 试验设计 13l 试验比例尺的设计 在目前的海底管道设计中，进行物理模型试验以推求实际情况下作用在海底 管道上的波浪力仍然是目村工程界普遍应用的方法。物理模型试验结果要正确 反映原型的物理现象和参数必须以相似理论和量纲分析为基础，模型与原型之 州应遵守一定的相似准则，常用的相似准则有以下五种： 1 ) 重力相似准则，叉称弗劳德( f r o u d e ) 相似准则即 。老2 筹。常数 式中，e 为弗劳德数；矿为流速；g 为重力加速度；工为长度 粉十海床波流作用下海底管道稳定性研究 2 ) 内摩擦力相似准则，又称雷诺( r e y n o l d s ) 相似准则，即 尼：丝：磐塾：常数 “8 v 粘性力 巾默 式中，尼为雷诺数；1 ，为流体运动粘滞系数。 3 ) 压力相似准则，叉称欧拉( e u l e r ) 相似准则，即 邑= 等= 臀= 常数 式中，邑为欧拉数；p 为流体密度；尸为压强。 4 ) 表面张力相似准则，又称韦伯( w 曲e r ) 相似准则，即 耽：堕：常数 仃 p 式中，为韦伯数；仃为流体的表面张力系数；盯p 为运动毛细管率。 5 ) 弹性力相似准则，也称柯西( c a u c h y ) 相似准则，即 t ，z g = ；= 常数 l p 式中，g 为柯西数；e 为弹性模量。 由于物理模型试验不能同时满足f r o u d e 相似和r e y n o l d s 相似，即当物理模 型试验与实际条件下k c 数相同时，r e 数却不能相同。按照惯例，一般只考虑主 要作用力满足相似要求，而其他相似准则近似满足。本试验研究对象是波浪、流 对管道的作用力，重力是主要作用力，因此模型按照重力相似设计，即模型与原 型之间满足弗劳德( f r o u d e ) 数相等。考虑工程结构模型型式为正态，本试验几 何比例尺取1 ：2 0 。参照f r o u d e 相似中重要物理量的换算表( 表卜1 ) ，得出试 验参数的比例尺。 1 2 粉士海床波流作用下海底管道稳定性研究 试验参数比例尺： 波高比尺：砧= 力 1 l 2 时间比尺：以= 以 频率比尺：t = 才1 陀 i z 波速比尺：以c = 以 波浪压强比尺：砷= 旯 波浪作用的周期比尺：乃= 五 波浪对管道荷载合力比尺：五月= 管道受力比尺：名g = 旯疋= 1 3 2 管道模型的设计 根据我国海底管道的实际尺寸，模型管道( 图1 2 ) 的具体设计方案见表卜2 ： 1 3 粉十海床被流作用下海底管道稳定性口院 表卜2 管道模型设计 规格管径( c m )管壁厚度( c m )管长( c m )管线材料 大 5051 4 9玻璃钥 由 4 o5】4 9玻璃钥 小 35051 4 9玻璃钥 a 管道模型 b 管道模型 图卜2 管道模型 i3 3 试验波浪要素的设计 本次试验采用规则波。波浪作用下的泥沙运动是一个复杂的动力过程，波浪 和泥沙运动的各自相似条件很难同时满足，因此本文在比尺选择上根据研究重 点，以波浪相似为主要相似条件。在综合考虑了典型的海洋波浪条件、实验室条 件、造波机造波能力以及其他条件之后，设计波浪参数见表卜3 。 l 一怕旧恢偿一 粉士海床波流作用下海底管道稳定件研究 表1 3 模型波浪要素设计 平放( e d = 0 )半埋( e d = o 5 ) 水深 波高 周期波高周期 ( c m ) ( c m )( s ) ( c m )( s ) 5 081 381 3 5 01 71 31 7 1 3 5 01 71 9171 9 1 3 4 试验土样选择和模型区的设计 本次试验土样主要为粉土、极细砂和中砂。粉土的平均粒径0 0 3 1 舯，中值 粒径o 0 3 4 m m 。极细砂的平均粒径0 0 5 8 彻，中值粒径0 0 6 0 m m 。中砂的平均粒 径0 1 9 5 咖，中值粒径0 2 8 7 m m 。根据实验方案，采用原型土，本试验模拟海床 底质为近代黄河沉积物。 模型区为一上宽下窄的梯形深槽，边界为水泥台固定，防止发生渗水，影响 土体中孔隙水压力的变化。 依据海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程拍蜘和水工( 常规) 模型试验规 程嘞3 的相关规定，并同时考虑到试验过程中观察及测量地形的方便，本试验将 设计的模型置于水槽的中间位置，避免波浪反射等因素干扰。+ 1 3 5 仪器探头的布设 试验所用探头分为波压探头、波高探头、孔压探头三类。波压探头共8 个， 间隔4 5 。布设在模型管壁上，并定义管道受到的波压方向，以管道j 下上方为0 。方向，按顺时针方向旋转3 6 0 。，通过d h d a s 信号测试分析系统实时监测管道 各个方向的波压变化。波高探头有3 个，设置在管道f 上方及前后，通过d s 一3 0 型多点波高采集仪观测试验过程中波浪变化。孔压探头共7 个，埋设在试验土体 中，可通过中国海洋大学土工模型试验数据自动采集系统来测量土体孔压变化。 在布设探头时，探头位置都远离了玻璃槽边壁，避免边壁效应的干扰，探头组合 采用螺旋式，最大可能避免之间相互影响。各探头的具体布设方式和布设位置见 表卜4 和图卜3 。 1 5 粉土海床波流作用下海底管道稳定性研究 表卜4 探头布设位置 探头位置 探头编号探头方向( 度)探头类型 l ( c m )h ( c m )d ( c m ) 0 4 ( p 4 )3 05 050孔压 n l ( p 5 ) 1 05 050孔压 0 3 ( p 3 ) 05 05o 孔压 n 2 ( p 6 )一1 05 05 o 孔压 n 3 ( p 1 1 ) 一3 05 050孔压 0 2 ( p 2 ) 05 01 3o 孔压 0 1 ( p 1 )05 02 l0孔压 l 一105 00 波压 1 705 04 5 波压 l 一60 5 09 0波压 1 405 01 3 5 波压 卜805 01 8 0 波压 、 1 5o5 02 2 5波压 1 3o5 02 7 0 波压 1 20 5 03 1 5波压 l 号 7 3 55 01 8 0 波高 3 号 一5 2 15 01 8 0 波高 5 号 05 01 8 0 波高 注：l 为水平方向距离( 以管道正上方为零点) ，h 为水深，d 为土体中埋置深度。 + l0 - l i 1 号 7 3 5 c m5 ：号5 2 1 c m j j 波向 - - - - - - - - - - - - 图卜3 探头布设示意图 1 6 粉土海床波流作用下海底管道稳定件研究 1 4 试验内容 试验开始前，先利用造波机控制系统以及造流控制系统，根据试验的设计情 况确定各波浪要素及流速。 试验主要内容为： ( 1 ) 在管道轴线中点位置，一沿垂直管道轴线方向，测量管道两侧不同距离 处的冲刷深度。 ( 2 ) 测定管道模型在不同水动力要素和不同埋深条件下受到的波( 流) 压。 ( 3 ) 测定海床在不同水动力要素和管道不同埋深条件下的土体孔隙水压力 ( 本文不对孔隙水压力进行分析) 。 试验在大型水槽中进行，考虑到造波系统的工作性能以及数据测量的需要， 试验采用波浪间歇加载的方式。在波浪作用的过程中采集波浪压力数据。每造波 段时间之后( 一般1 0 或1 5 分钟) ，就停止几分钟，待水面稳定之后，继续加载 波浪，并再次测量波浪压力。在本组试验结束后，测量管道前后一定距离内的地 形变化，并与试验前地形进行比较分析。冲刷深度的测量采用y i h 型光纤液体界 面测定仪，在管道轴线中点位置，沿垂直管道轴线方向布置测点，管道附近测点 间距1 c m ，读数时对同一测点读取三次，然后取其平均值，以减小误差。在试验 过程中，除了记录管道受力数据和土体孔隙水压力变化外，还通过照相机每隔1 5 秒拍摄一次管道附近的情况，并不时用摄相机录下一些水体运动和海床冲刷的过 程。在一组试验结束后，重新平铺地形，埋置管道，准备开始下一组试验。 本文涉及的试验组次主要有6 组，如表卜5 所示。 表卜5 物理模型试验组次( e 一埋深c m ，d 一管径c m ) 试验组次 波周期 波高 表层流速埋深 次数 总时间 t ( s ) h ( c m )v ( c m s ) e d t ( m i n ) 小波一平放一粉土 1 38 未造流 q 气34 7 中波一平放一粉土 1 317 未造流 q f 气35 5 大波一造流一平放一粉土 1 91 73 2 4 4o 445 5 大波一造流一半埋一粉土 1 91 73 3 6 2 2 435 0 大波一造流一平放一极细砂 1 91 73 3 2 1吣f 46 0 大波一造流一平放一中砂 1 91 73 3 4 2q 他44 0 1 7 粉士海床波流作用下海底管道稳定性研究 1 5 试验过程中底床变化 1 5 1 六组试验过程描述 ( 1 ) 小波一平放一粉土试验： 冲刷情况： 第一、二、三次造波后，底床均无冲刷， 沙波发育情况： 没有沙波发育。 ( 2 ) 中波一平放一粉土试验： 冲刷情况： 第一次造波6 m i n ，管下开始冲刷，第一次造波后管下冲刷o 4 c m ，悬跨8 c m 。 第二次造波后悬跨1 1 5 c m ，冲刷深度无变化。 第三次造波变化不大。 沙波发育情况： 第一次造波8 m i n 沙波丌始形成，第一次造波后沙波波长5 c m ，波高0 3 c m 。 第二次造波7 m i n 沙波波高o 5 c m ，波长仍为5 c m 。 第三次造波变化不大。 ( 3 ) 大波一造流一平放一粉土试验： 冲刷情况： 第一次造波流后冲刷o 2 c m 。 第二次造波流后冲刷o 3 c m 。 第三次造波流主要为沙波移