（水利工程专业论文）海底管道的动力分析与损伤检测技术研究.pdf

海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 捅妥 本文采用理论分析和数值模拟方法，对海底管线进行了动力分析，总结了海 底管线损伤类型与各种检测方法，并用有限元法对管线的漏磁检测进行了数值模 拟。 首先以胜利埕岛油田的海底管线为例，进行了受力分析和动力响应分析。建 立了海底输油管线在外载荷作用下的振动微分方程，利用有限元方法建立海底悬 跨管道模型，然后对其进行了模态分析，进行浪致振动分析，并进行海底管线海 流引起的顺流向振动分析。结果认为，当出现掏空现象时，由于水平管段的悬空， 于是在波浪荷载作用下，振动引起弯管处及弯管处管卡的应力最大，在循环应力 作用下，管线的疲劳寿命容易降低。考虑腐蚀或焊接缺陷等因素，则立管根部的 焊缝是疲劳损伤或脆性开裂的薄弱环节。 其次，分析了海底管线损伤的原因和损伤的类型，论述了各种管外损伤检测 方法、管内损伤检测方法、腐蚀损伤检测方法的基本原理和优缺点，介绍了相关 规范对管线损伤检测的有关规定。按照成因可以将管线的损伤划分为三大类，即 腐蚀损伤，机械损伤和焊接损伤；在各种损伤检测方法中，磁通检测爬行器能被 用于各种类型的管道，因为传感器和管道壁之间不需要耦合介质，但只能精确的 给出金属损失超过管道壁厚2 0 的腐蚀量；超声波爬行器比高分辨率的漏磁检测 爬行器价格高，但比其敏感性高，最小能够检测到腐蚀量为管道壁厚1 0 的腐蚀 和腐蚀增量为1 一2 的金属损耗，但仅限于用在输送液体的管道上。另外，介绍 了a s m e 、a p i 、d n v 等规范对损伤检测的规定和检测方法，为制定损伤检测标准 提供参考。 最后，对漏磁检测进行了数值模拟。分析了漏磁检测的理论模型，并利用大 型有限元软件a n s y s 建立了有限元计算模型。模拟损伤发生时的漏磁信号，与没 有发生任何损伤时的检测信号进行对比。通过对不同尺寸的损伤进行漏磁检测模 拟，可以得出，漏磁信号的峰峰值与缺陷深度呈近线性关系，缺陷越深，则漏磁 信号越强。漏磁信号的峰峰值随着缺陷长度增加而降低，但降低的幅值并不很明 显。漏磁信号的峰峰值随着缺陷长度增加而降低，但降低的幅值并不很明显。还 针对噪声存在下的漏磁检测信号进行了研究。 关键词：海底管道；损伤检测；动力分析；漏磁检测；数值模拟 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 d y n a m i ca n a i y s isa n dd a m a g ed e t e c t i o nr e s e a r c h o fu n d e r s e ap i p e ii r e a b s t r a c t d y n a m i ca n a l y s i s o ft h eu n d e r s e a p i p e l i n e i ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l ya n d n u m e r i c a l l y t h ed a m a g et y p e so ft h ep i p e l i n ea r es u m m a r i z e da n dv a r i o u sd a m a g e d e t e c t i o nm e t h o d sa r es t u d i e d a n dm a g n e t i cf l u x l e a k a g eo ft h ep i p e l i n e s i s s i m u l a t e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d f i r s t l y , t a k et h ep i p e l i n ei nc h e n g d a oa r e ao fs h e n g l io i lf i e l da se x a m p l e ，t h e f o r c e s o f t h ep i p e l i n ea n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h ep i p e l i n ei sa n a l y z e d f i r s t l y , t h e v i b r a t i o nd i f i f e r e n t i a le q u a t i o no ft h ep i p e l i n ei sw r i t t e nw h e nt h e1 0 a di sa p p l i e d t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dm o d e lo ft h es u s p e n d e ds p a no ft h ep i p e l i n ei sb u i l t t h e n 山e m o d a la n a l y s i so ft h em o d e l i ss t u d i e d n e x t t h ev i b r a t i o no ft h ep i p e l i n ed u et ot h e w a v e sa n dt h ec u r r e n t sa r ea n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a tt h es t r e s s a tt h e w i n d i n gp i p ei st h em a x i m u mf o rt h ev i b r a t i o no ft h es u s p e n d e ds p a nc a u s e db yt h e w a v e1 0 a d f o r c e db yt h ec y c l es t r e s s ，t h ep i p e l i n ew i l lh a v eal o w e rf a t i g u el i f e t i m e c o n s i d e r i n gt h ec o r r o s i o na n dt h ew e l d i n gd e f e c t ，t h ew e l d i n gl i n ea tt h ee n do ft h e r i s e ri st h ew e a k e s tp o s i t i o no ff a t i g u ed a m a g ea n db r i t t l ef r a c t u r e s e c o n d l y , t h ed a m a g et y p e so ft h ep i p e l i n ea n dt h er e a s o n so ft h ep i p e l i n e d a m a g ei sa n a l y z e d t h eo u t e rd e t e c t i o nm e t h o d so ft h ep i p e l i n e t h ei n n e rd e t e c t i o n m e t h o do f t h ep i p e l i n ea n dt h ec o r r o s i o nd e t e c t i o nm e t h o 礁a r ed i s c u s s e d r e g u l a t i o n s a b o u tt h ed a m a g ed e t e c t i o ni nt h er e l a t e dc o d e sa r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h e r e a s o n ，d a m a g e sc a nb es o r t e d i n t ot h r e e c a t e g o r i e s ，t h a ti s c o r r o s i o nd a m a g e ， m e c h a n i c a ld a m a g ea n dw e l d i n gd a m a g e a m o n ga 1 1t h ed e t e c t i o nm e t h o d s m a g n e t i s md e t e c t i o nc a t e r p i l l a rc a nb eu s e di nv a r i o u sk i n d so fp i p e l i n e s f o ri td o e s n o tn e e dc o u p l i n gm e d i u mb e t w e e nt h es e n s o ra n dt h ew a l lo ft h ep i p e b u ti tc a n o n l yp r e c i s e l yd e t e c tac o r r o s i o no fo v e r2 0 o ft h ew a l lt h i c k n e s s u l t r a s o n i c d e t e c t i o nc a nh a v eah i g h e rs e n s i t i v i t yt h a nt h em a g n e t i s md e t e c t i o n ，i tc a nd e t e c ta c o r r o s i o no fo v e rl o o ft h ew a l lt h i c k n e s sa n da ni n c r e m e n to fl t o2 o ft h e m e t a lw a s t a g e b u tt h eu l t r a s o n i cd e t e c t i o ni sm o r ee x p e n s i v e i ti su s e do n l yi nt h e p i p e st h a tt r a n s f e rl i q u i d s a l s o ，t h er e g u l a t i o na n d d e t e c t i o nm e t h o di nt h ec o d e ss u c h a sa s m e a p ia n dd n vi sd i s c u s s e d s oa st og i v er e f e r e n c e st oe s t a b l i s ht h ed a m a g e d e t e c t i o nr e g u l a t i o ni nt h ep i p e l i n e a l s o d e t e c t i o no fm a g n e t i cf l u xl e a k a g ei sa n a l y z e dn u m e r i c a l l y t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dm o d e lw a sb u i l tu s i n ga n s y ss o f t w a r e t h es i g n a lo fm a g n e t i cf l u x l e a k a g ei sc a l c u l a t e dw h e nd a m a g eo c c u r sa tt h ew a l lo ft h ep i p e l i n e a n da l s ot i l e s i g n a l sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw h e nd a m a g eo c c u r sa td i f i e r e n ts i z e s i ti sf o u n d t h a tt h ep e a kv a l u ei sa p p r o x i m a t e l yi np r o p o r t i o nw i t ht h ed e p t ho ft h ed a m a g e t h e h i g h e rt h ed e p t h ，t h es i g n a li n c r e a s e s t h ep e a kv a l u es l i g h t l yd e c r e a s e sw h e nt h e l e n g t ho ft h ed a m a g ee n h a n c e t h ep e a kv a l u eo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g ee v i d e n t l y d e c r e a s e sw h e nt h ew i d t ho f t h ed a m a g ei n c r e a s e s a n df i n a l l y , t h es i g n a lo f m a g n e t i c f l u xl e a k a g ei sa n a l y z e dw h e nn o i s e se x i s t k e yw o r d ：u n d e r s e ap i p e l i n e ；d a m a g ed e t e c t i o n ；d y n a m i ca n a l y s i s ；m a g n e t i c f l u xl e a k a g e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 1 1 引言 第一章前言 海底油气管线是海洋油气开发的重要设施。由于具有运输量大、不受天气因 素影响等方面的优点，管线运输有着其他运输方式不可替代的优越性。但由于海 洋环境十分复杂恶劣，海浪、海流和潮汐等长期作用于结构，另外结构还会受到 地震载荷的作用。在此环境条件下，环境腐蚀、海生物附着、地基土冲刷、液化 和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳累积等各种不利因素 都将导致管线结构整体抗力的衰减，从而影响结构的安全度和使用寿命。 直接铺设于海底的管线容易因外界因素而损坏，通常都要开沟把管线埋在海 底下一定深度，并用土壤或沙石遮盖起来以进行保护。但是，由于海流的冲刷作 用，海底管线的某些管段可能会逐渐地裸露出来而形成悬跨段。 在制造、铺设和服役期间，管线结构会出现各种可能的缺陷和损伤。制造、 安装过程中产生的缺陷是导致海底管线破坏的诱因，而外界海洋环境条件和内部 输送介质的腐蚀作用以及浪、流引起的振动则是海底管线破坏的直接原因。 随着我国海洋油气资源的开发和应用，对油气管线的设计、检漏、定位、维 修及评估提出了新的任务和更高的要求。海底输油气管道的损伤检测和泄漏定位 技术的研究必然起着越来越重要的作用，有着广阔的应用前景。 综上所述，虽然海洋石油生产已经对全球经济有很大的影响，国内外相关领 域专家、学者已经，t 展了一定的研究工作，但由于海洋环境条件的复杂性，在海 底管线的破损研究和泄漏检测领域，许多关键问题尚处在研究阶段。 1 2 损伤检测技术简介 缺陷检测即对结构进行检测与评估，以确定结构是否有缺陷存在，进而判别 缺陷的位置与损伤程度，以及结构目前的安全状况和结构缺陷的变化趋势等。 结构缺陷检测这一概念的提出和发展，首先源自动态结构的故障诊断，即旋 转机械设备的故障诊断，它是在2 0 世纪6 0 年代初期，由于航天和军工行业的需 要而发展起来的，以后又逐步应用扩展到建筑、桥梁、海洋平台、水工结构、管 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 道和压力容器等其它各个领域。 从2 0 世纪7 0 年代初到现在，人们为了寻找解决各种结构的缺陷检测问题， 进行了许多的研究工作，出现了很多种方法。常用的检测方法有振动检测法、超 声波检测法、漏磁检测法、x 射线与y 射线检测法、染色渗透检测法等等。 工程结构的缺陷或损伤一般分为二类：突然损伤和积累损伤。突然损伤是由 突然因素引起的，而积累损伤则具有缓慢累积的性质，造成的主要原因是结构的 老化、腐蚀和交变循环载荷引起的疲劳等。对突然损伤，可进行封闭集中检测。 而对累积损伤，由于不清楚损伤的具体位置和程度，需采取长期的监测或定期的 检测。 缺陷检测的方法分为几类。一类方法是利用结构动态特性进行检测，这种动 力检测技术把传感器固定在一些重要部件中，从而专门远距离地检测这些部件的 动态参数。该技术已在桥梁和建筑上有广泛的应用。这种局部损伤检测技术的优 点是可以直接确定构件缺陷的存在及其大体位置。对于压力容器、机翼和油箱等 小型有规则的结构，这种动力检测技术是很好的识别方法。 另一类检测方法是利用染色渗透、x 射线、v 射线、光干涉、超声波和电磁 学监测等技术对结构的某些局部进行定期检查。染色渗透技术是对结构的局部表 面进行涂层，涂料则渗透到裂缝里，观察表面就可发现表面的裂纹；x 射线、y 射线探损技术是利用x 射线、y 射线穿透构件后的照片进行损伤检测；超声波技 术是向构件发射高频声波并测量反射或折射的情况，从而识别出结构的损伤或复 合材料的分层或其他缺陷；电磁检测技术是利用涡流和磁场的原理进行识别结构 的损伤和复合材料的分层。这类技术在建筑、航天和船舶等领域已有广泛的应用。 在工程结构的检测中可以采用二步法进行，即：第一步，首先进行粗略的检 测，判断缺陷是否存在以及缺陷位置的大概区域；第二步，在已判断有缺陷的区 域内，进一步检测而判断缺陷的具体位置和损伤程度等，以及进行缺陷评估。 由于海底管道的泄漏会造成直接的经济损失和严重的海洋污染，世界各海洋 石油生产国都对海底管道的在线检测十分重视，并进行了大量的研究工作。目前， 针对管道的检测方法主要有：漏磁检测、超声检测、涡流检测、声发射检测、电 子内窥和视频检测等，其中漏磁检测和超声检测在国外已作为常规的管道检测项 目之一而得到了广泛的应用。 海底管道的动力分析与损伤榆测技术i i 】f 究 漏磁检测技术的基本原理为，采用合适的励磁回路将强磁场作用于由铁磁性 材料制成的管道，并将其磁化饱和，当被检测区域存在裂纹或腐蚀等缺陷时，该 区域的磁场会发生畸变，导致一部分磁场从材料中外泄形成管道表面局部区域的 漏磁场。采用布置在励磁回路之间并处于管道同一横截面的若二f 片霍尔元件组成 的检测单元来检测漏磁场的变化，即可获得反映管道缺陷状况的检测信号。 漏磁检测可以利用现有的有限元软件( 如a n s y s ) 进行数值模拟。在利用漏 磁检测技术进行管道的内部缺陷检测时，可以首先进行数值模拟，研究不同程度、 不同形式的缺陷存在时的漏磁检测信号特征，从而建立- n n 专家系统，可以将实 测数据与之比较，判断缺陷特征。因此，数值模拟的方法，可以为漏磁检测提供 参考依据，同时还可以大大节省经费，不用再对所有不同形式与不同程度的缺陷 进行大量的室内实验。 超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性( 声速、衰减、反射和声阻 抗等) 来实现对缺陷的测定。超声检测法是一种接触式单点检测方法，虽然检测 效率较低，但测量壁厚精度较高。 检测装置一般采用多通道采集数据，获得的数据量非常大，所以要求信号处 理的速度要快。同时也由于微小缺陷所引起的检测信号很微弱，容易被噪声淹没。 所以，对检测信号进行信号处理，从中提取缺陷信号，是一项至关重要的工作。 国内外许多专家学者都对检测信号的分析与处理进行了研究与探讨。 近年来，无损检测技术的进展主要包括以下三个方面： a ) 无损检测技术正在从一般的无损检测向自动无损检测和定量无损检测发 展，引入计算机和数字图像处理技术进行检测和分析数据，以减少人为因素 的影响，提高检测的可靠性。 b ) 无损检测技术在向微观缺陷检测技术、在线检测技术和在役检测技术发 展。研究微观缺陷的存在与发展，及早发现缺陷，避免重大损失的发生。 在线和在役检测技术可以缩短检测时间，不影响正常生产，减少经济损失。 c ) 开展无损检测新原理、新方法、新技术的探索研究。 在超声自动检测方面，通过解决型面跟踪、信噪比等问题，已从简单管、棒、 平板自动检测发展到发动机盘、大型曲面复合材料构件等的全自动检测。并可以 同时给出a 扫描、b 扫描和c 扫描结果。 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 超声相控阵技术已有近2 0 年的历史，初期主要应用于医疗领域，随着电子 技术和计算机技术的迅速发展，已逐渐应用于工业无损检测。超声相控阵换能器 由多个相互独立的压电芯片组成阵列，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成 个新的波阵面。在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接受单元的接收 并进行信号合成，再将合成结果以适当的形式显示。超声相控阵技术的优势是： 用单束扇形扫查代替栅格形扫查，可以提高检测速度；可以扫查大工件和形状复 杂的工件。 激光超声技术是利用激光束取代常规换能器，入射到工件表面因热变形产生 超声波进入工件内部，出射的超声波通过激光束接收来进行检测。与常规超声检 测比较，其优势是：非接触、高效、易于检测形状复杂的构件。 锥束计算机层析成像( 锥束c t ) 技术利用面阵探测器取代线阵探测器，由 面阵探测器来接收透过工件的锥束x 射线，通过光电转换和数字化，进行图像重 建，其主要优点是直接三维成像。 针对石油管道的缺陷检测，p i i 公司和t u b o s c o p e 公司等检测机构长期从事 管道的检测业务，有着多年的检测经验和完善的检测技术。 关于信号处理方法，一个发展方向是利用数字滤波、快速傅里叶变换、小波 方法等，用以发现早期缺陷或微小缺陷以及分析缺陷的细部特征。另一个发展方 向是利用神经网络，对不同形式、不同程度的缺陷进行分析，从而不需要建立专 家系统，而直接对缺陷做出判断。 缺陷检测过程中一个关键的问题就是对检测信息的识别。检测标识量往往受 到环境噪声信号的干扰，损伤信号淹没在噪声中，需要将其从背景噪声中提取出 来，才能准确地判断结构的损伤。近年来，一些先进的智能检测方法如人工神经 网络法、小波变换法和遗传算法等开始应用于损伤检测的信号分析。 1 3 胜利埕岛油田海底管线概况 海底管线作为海洋油气集输与储运系统的一个重要组成部分，海底管线老 化、破损引起和人为偷盗等原因引起的油气泄漏问题已日益成为油田必须严肃面 对的挑战。目前，埕岛海域己铺设了上百公里的海底管线，如图1 1 所示。随着 时间的推移，有些管线已接近设计年限，因此对海底管线进行检测是保证其正常 海底管道的动力分析与损伤榆测技术 i j f 究 使用的重要环节。海底管线破损后，不仅会导致停产，造成经济损失，而且还会 造成大面积海洋污染，造成严重的社会影响。 图i 1 埕岛油田海底管线分布不蒽图 损伤检测和泄漏检测主要有两个目的：一是防止泄漏对人类及环境造成危害 和污染，二是能够及时发现泄漏并确定泄漏位置从而可以采取相应的补救措施， 减少管道输送物的泄漏损失。从某种意义上说，损伤检测和泄漏定位技术是一种 避免管道发生重大事故或管道发生事故后将损失控制在最小范围内的安全措施。 如何利用现有的或开发出新的海底管线探伤检测及泄漏检测定位技术，提高管线 使用的安全性、结构的可靠性、延长使用年限、降低经济投入、保证海上油气生 产的安全正常运营已成为亟待解决的课题，该论文的研究具有重要的经济价值和 重大的社会意义。 自1 9 7 6 年黄河尾闾改道后，埕岛海区进入冲刷阶段。虽然经过了近3 0 年的 演化，但该海区海底冲刷的格局依然存在。以往被认为处于冲淤准平衡状态的 8 - - 1 2 米水深海域也有不同程度的冲刷现象，而平台周围的冲刷更为严重。水深 大于1 2 米的区域，海底淤积占主导地位，但也有轻微程度的冲刷出现，这种现 象在平台及管线周围较为明显。 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 由于冲刷现象的存在，海底管线可能会出现悬空段，海流在流经悬空管线时 会产生涡流，加速悬跨段周围海底的冲蚀，造成悬跨段长度和高度不断增加。海 洋石油开发公司于2 0 0 2 年曾委托青岛环海海洋工程勘察研究院对c b l a c b 4 a 等l o 条海底管线进行了勘察测量，勘测结果表明，l o 条管线都存在程度不同的 悬空现象，最大悬跨段长度达1 6 0 米左右，最大悬空高度为o 5 米，各条管线的 具体情况如表1 1 和图1 2 1 7 所示。 表1 1埕岛油田l o 条海底输油管线悬空状态统计表 序输送管线长度悬跨段数量最大跨长 工程名称投产日期 号介质 ( m )( 段)( m ) lc b 4 c - c b 4 b 油 9 7 0 728 52 0 0 0 7 2c b l 2 a 一中心一号油 2 3 9 5 431 0 0 41 9 9 9 8 3c b 4 b _ c b 4 a油 1 1 1 7 527 7 52 0 0 0 2 4c b 4 a _ c b l a油 2 7 2 5 441 6 0i 9 9 9 1 2 5c b l a 一中心二号油2 8 6 1 068 51 9 9 8 9 6s h 6 一c b 6 a油 5 8 5l4 02 0 0 1 3 7c b 6 a _ c b 6 b油 1 2 3 5 029 51 9 9 9 1 l 8c b 6 b c b l a油 9 7 1 9l 4 5 1 9 9 8 1 0 9 中心二号c b g 5气 4 5 1 7 8 5 1 0 02 0 0 0 9 1 0c b g 5 一登陆点气 6 2 4 1 561 l o2 0 0 0 9 图1 2c b 4 c - - - c b 4 b 输油管道悬空状态示意图 海底管道的动力分析与 ：6 i 伤检测技术研究 图13c b 4 b - - c b 4 a 输油管道悬空状态示意图 图1 4c b 4 a c b l a 输油管道悬空状态示意图 图1 5c b l a 一中心二号输油管道悬空状态示意图 海底管道的动力分析与损伤榆测技术研究 图1 6c b 6 a - - c b 6 b 输油管道悬空状态示意图 图1 7c b 6 b 一c b l a 输油管道悬空状态示意图 埕岛油田海区曾发生过多起海底管线破坏事故。例如，中心二号c b g 5 天 然气输送管道于2 0 0 0 年8 月竣工投产，但在2 0 0 2 年1 0 月1 9 日发生断裂事故。 断裂发生在c b g 5 变配电平台端立管的膨胀弯与管道连接处，属于应力交变区域。 断裂后的水平管段偏离原铺设位置数百米，给抢修工作带来了很大困难。抢修工 作持续了两个多月，给油田的生产造成了巨大的经济损失。 埕岛油田现有海底油气输送管线5 6 条，1 9 9 5 年建成投产的几条，至今已经有 9 年时间，海底石油管线在安装与油气输送过程、渔业捕捞等人类海洋活动以及 其它海洋事故中，难免会产生各种各样的损伤和缺陷，如出现表面凹坑、擦痕、裂 纹、弯扭及变形损伤等。损伤和缺陷的存在大大降低了海洋石油管线的承载能力， 缩短了管线的使用寿命，同时也威胁着海底石油管线及海洋生物环境的安全。因 此，为保障海底石油管线石油运输安全，避免遭受重大经济损失和海洋生物生态 环境的破坏，需要对海底石油管线进行振动分析、损伤检测和安全强度评估，为 管线的维修、结构承载潜力的挖掘，提供科学合理的决策依据，从而大大提高海底 石油管线的综合经济效益。 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 2 1 前言 第二章海底管线的动力分析 目前埕岛海区海底冲刷的格局依然存在，由于冲刷现象的存在，海底管线不 可避免会出现悬空段，海流在流经悬空管线时会产生涡流，加速悬跨段周围海底 的冲蚀，造成悬跨段长度和高度不断增加。胜利海洋石油开发公司于2 0 0 2 年曾 委托青岛环海海洋工程勘察研究院对c b l a c b 4 a 等1 0 条海底管线进行了勘察测 量，勘测结果表明，1 0 条管线都存在程度不同的悬空现象，最大悬跨段长度达 1 6 0 米左右，最大悬空高度为0 5 米。 埕岛油田现有海底油气输送管线5 6 条，为了分析悬跨管道和立管在外荷载 作用下的受力及动态响应情况，本章首先建立了海底输油管线在外荷载作用下的 振动微分方程，利用有限元方法建立海底悬跨管道模型，然后对其进行了模态分 析，进行浪致振动分析，并进行海底管线海流引起的顺流向振动分析。 2 2 海底输油管线的振动微分方程 假定水下输液管道是圆截面的，且沿管长方向是均匀的。管内流体为理想的 不可压缩流体，并且以流速v 流动。坐标系原点取在输液管道的左端，x 轴水平 向左，y 轴竖直向上。从管道中截取任一管段微元d x ，如图2 1 、2 2 所示。 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 对管壁单元，如图2 2 ，其受力平衡万程： 肪向： 警+ q s + f 宴。- 一瓦al 蟛夏 - o ( 2 4 ) j ，方向：一a ，m 等- f + q s 宇。- + 静卦望o x 小。 ( 2 5 ) 式中各变量的含义： 卜管道内截面积。 珊，府一管内流体单位长度质量，管道单位长质量( 包含附连水质量) 。 巨卜一抗弯刚度( 常量) 。 卜管内流体流速( 恒定流) 。 7 一张力。 卜管内流体内压。 卜立管内圆周长。 肌卜弯矩，剪力。 只口一管内流体与管壁的压力和摩擦阻力。 r 阻尼系数。 产一作用在管道上的外荷载。 方程( 2 2 ) 和( 2 4 ) 合并得到： 塑一爿竺。，里：0 ( 2 6 ) 沿管道轴线方向从x 到l 积分得到： h p = v o - a 只1 詈x ) ( 27 ) 其中为输液管道的长度，只和五为输液管道终端处的压强和张力。方程( 2 7 ) 中包含了o ，项，即非恒定流项。 方程( 2 3 ) 和( 2 5 ) 合并，考虑到q ：一e 1 _ d 。下y 得到： 日坐o x 4 一t - a p ) 妾x 一，( 言+ 矿0 2 co a y ，窘= 厂( 28 ) 把方程( 2 7 ) 代入方程( 2 8 ) 并经进一步整理可得输液管道系统的侧向运动微 分方程。 日窘喝础1o 。p ( l _ x ) _ m f v2 o 。2 y + 2 m f v a 2 y 。) 1 警塞+ c 害+ c m p + m f ，睾= 丁 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 2 3 计算软件与海底管道模型 2 3 i 有限元软件a n s y s 简介 a n s y s 公司作为全球计算机辅助工程( c a e ) 领域最主要的软件供应商，在世 界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流，a n s y s 在钢结构和钢筋混凝土 房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、海洋平台、海底管线、隧道以及地下建筑物 等工程中得到了广泛的应用。 a n s y s 是一个大型通用的商业有限元软件，功能完备的前后处理器可以为工 程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。 一、前处理功能 a n s y s 具有强大的三维建模能力。与现在流行的大多数c a d 软件类似，通过 自顶向下或自底向上两种方式，以及布尔运算、坐标变换、曲线构造、蒙皮技术、 拖拉、旋转、拷贝、镜射、倒角等多种手段，可以建立起真实地反映工程结构的 复杂几何模型。 a n s y s 提供两种基本网格划分技术：智能网格和映射网格，分别推荐给a n s y s 初学者和高级使用者。智能扫略、自适应、局部细分、层网格、网格随移、金字 塔单元( 六面体与四面体单元的过渡单元) 等多种网格划分工具，帮助用户完成 精确的有限元模型。 二、后处理功能 a n s y s 的后处理用来观察a n s y s 分析类型的结果。后处理数据观察方法分图形 处理和数据处理两种，配合其它后处理工具可充分表达计算结果。a n s y s 还提供 自动或手动时程计算结果处理的工具。 三、结构动力分析 1 模态分析 模态分析用于提取结构的自然频率和振型，模态分析是其它动力分析的基 础，结构的基本模态和频率信息能有助于归纳其动力响应特征。可包含预应力模 态、有阻尼模态、无约束模态、大变形模态、接触结构模态、循环对称结构模态、 固一液耦合系统模态等特征。 2 瞬态动力分析 瞬态动力分析用于确定结构承受随时间变化载荷时的动力响应。 3 谐波响应分析 谐波响应分析用于求解线性结构承受正弦变化载荷的响应。该分析类型用于 研究随时间简谐变化载荷引起的共振问题。 4 响应谱分析 响应谱分析可用于求解谱载荷条件下的结构响应最大值。典型的响应谱分析 应用是地震分析。它用于研究地震对管道系统、塔和桥梁等结构的影响。 海底管道的动力分析。，愤1 ，j 椅测技术研究 5 随机振动分析 随机振动分析是一种特殊的谱分析，用于研究结构对随机激励的响应。值得 注意的是，a n s y s 可提供支持圆管形构件的流体静力、动力效应的p i p e 5 9 单元， 可以计算位于水中的圆管形构件的浮力、流力、波浪力的静载荷与动载荷，采用 p t p e 5 9 单元并结合a n s y s 提供的丰富的单元类型，可以求解导管架平台的动力问 题。此外，a n s y s 还可用于自升式、坐底式、半潜式平台、海底管线与单点系泊 锚泊定位系统的结构有限元静动力分析，可成为海洋工程结构设计的有力工具。 2 3 2 海底悬跨管道模型 a n s y s 程序单元库中的p i p e 5 9 单元是与空间梁单元类似的单元，可以考虑 轴向拉压、扭转、弯曲变形，同时扩充了单元的海洋环境载荷，即浮力、波浪力 与海流载荷的计算功能。该单元支持线性与非线性材料，同时也支持大位移与大 变形，还支持动力分析，可进行海洋环境载荷作用下的结构线性、非线性静力与 结构线性、非线性动力分析。载荷计算中可以考虑管外壁上的附着层。双层管的 外管承受环境载荷的作用，采用p i p e 5 9 模拟。 海底管线一般为双层管结构，为了简化计算，按照管线刚度和单位长度质量 相等简化为单管处理，其中为了保证外部作用力不变，因此管道的外径没有变化。 若外管需要附混凝土加重层，该加重层以附加质量的形式附给外管。 有一裸置海底管道，外管外径3 2 5 m m ，壁厚1 2 m m ，内管外径2 1 9 m m ，壁厚1 2 m r n 。 使用状态的工作水深1 2 m 。 管材参数：根据第一章所述的埕岛海区海底管线的冲刷淘蚀情况，悬跨管线 长度取5 0 m ，冲刷深度为l m 。管线的材料为钢材，其弹性模量e = 2 1 0 g p a ，泊松系 数p = o 3 ，管材质量密度p = 7 8 0 0 k g m ：1 。 在a n s y s 中，按照要求，建立模型。管道共分为2 0 个单元。每个单元长度 2 5 m 。建得的模型如图2 3 所示。建立三维坐标系，z 轴为重力方向，x 轴为管 道轴向。水深为1 2 m ，管道轴线离海底面1 m 。管道两端固定，管线的主要计算参 数见表2 i ，建模图形见图2 3 ，悬跨管线的节点坐标见表2 2 。 表2 i 悬跨管线的主要计算参数 单元类型p i p e 5 9泊松系数0 3 管线总长 5 0 m 管材密度7 8 0 0 k g m 3 单元长度 2 5 m 海水密度 1 0 2 5k g m 3 外管 由3 2 5 1 2 m m 原油密度 9 0 8k g m 3 内管 由2 1 9 1 2 m m 水深 1 2 m 弹性模量 2 1 0 0 p a 悬跨高度 l m 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 图2 3 悬跨管线模型示意图 表2 2 悬跨管线的节点坐标 n o d e xy z l0 0o o一1 1 o 22 50 o 1 1 o 35 oo o1 1 o 4 7 5 0 o1 1 o 51 0 oo o一1 1 0 61 2 5o o一1 1 o 71 5 00 o一1 1 盯 8 1 7 5o o1 1 o 92 0 oo o一1 1 o l o2 2 5o o1 1 o 1 l2 5 oo 0一1 1 o 1 22 7 5o o1 1 0 1 33 0 0o o 1 1 o 1 43 2 5o 0 一1 1 0 1 53 5 oo o一1 1 o 1 63 7 5o o1 1 o 1 7 4 0 oo o1 1 o 1 84 2 5o o一1 1 0 1 9 4 5 oo 01 1 o 2 04 7 5o o一1 1 o 2 15 0 0o o一1 1 o 海底管道的动力分析1 i 损伤榆测技术研究 2 4 海底悬跨管线的模态分析 析。 为了了解海底悬跨管线系统的动力特性，对建立的悬跨管线进行了模态分 表2 3 给出了悬跨管线模态分析结果，图2 4 图2 8 为悬跨管线的前九阶 振型。从图中可以看出，悬跨管线主要在x y 和x z 平面内的弯曲振动。管道的二 阶振型和一阶振型类似，主要是振动方向上不一样。一阶振动发生在x y 平面， 二阶振型x z 平面内。 表2 3 悬跨管线模态频率 阶数频率( h z )说明阶数频率( h z )说明 l0 5 5 0 6 2 阶y 20 5 5 0 6 2 一阶z 3 1 5 1 6 6 二阶y 41 5 1 6 6 二阶z 52 9 7 0 4 三阶y 62 9 7 0 4 三阶z 74 9 0 4 6 四阶y 84 9 0 4 6 四阶z 97 3 1 7 4 五阶y 1 07 3 1 7 4五阶z 图2 4 管道的一阶振型( 二阶为x z 平面内) 海底管道的动力分析0 损伤检测技术研究 图25 管道的三阶振型( 四阶为x z 平面内) 图2 6 管道的五阶振型( 六阶为x z 平面内) 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 图2 7 管道的七阶振型( 八阶为x z 平面内) 图2 8 管道的九阶振型 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 2 5 海底输油管线的浪致振动分析 2 5 1 作用在海底管线上的波浪力 一利用波谱模拟随机波很力 作用在海底管线单位长度上的随机波浪力可以用线性化的m o r i s o n 方程来 确定。 几，归( 列) + b j 姜叫( 列) ( 2 1 0 ) 其中b = c 。p 三。2 ：k d = q p ；d ； v ( z ，r ) 、i ( z ，) 为水质点运动的速度和加速 度；口为桩腿直径；p 为液体密度；c m 、c 。为流体惯性力系数和拖曳力系数； 盯。速度标准差。 如果采用a i r y 微幅波理论来表示流体水质点运动速度v ( z ，) 、加速度i ( z ，t ) ， 则 v ( z ，f ) - 兰尝c o s ( h 一甜f ) ( 2 11 ) s l n n 脚 i ( z ，) ：甜2 三警s i n ( h 一，) ( 2 1 2 ) s i n b 脚 于是方程( 24 1 ) 可以写成 弛，垆。k ( - i w2 ) 。c o s h ( k z ) 城居心，端扣 把公式( 2 1 3 ) 括弧内表达式用一个传递函数来表示，则公式( 2 1 3 ) 可以表示 为 f ( z ，) = ( 脚) 刁( f ) ( 2 1 4 ) 于是作用在平台上的波浪力谱为 s ，( ) = l 乃。( ) l2 s ，( ) ( 2 - 1 5 ) 其中s 。( ) 为波面谱。整个海底管线上的波浪力可以通过积分计算。 、一三设计波浪环境 、艰据埕岛油| ；f = | 勘探开发海洋环境一书的推荐，有效波高取2 5 米，相应 的周霸舅j p 秒，图2 9 为w e n s 波面谱。 l 海底管道的动力分析与损伤检测技术研究 w e n ss p e c t r u m ，、 j i。 0 2345 f r e q u e n c y ( r a d s ) 图2 9w e n s 波面谱 波浪力由公式( 2 1 4 ) 计算，惯性力系数和拖曳力系数分别取为2 o 和】2 。 图2 1 0 为海底悬跨管线单位长度上相应的波浪力时程曲线( 管跨直径为0 3 2 5 m ， 位于水下1 1 m 处) 。图2 1 i 为立管桩( 直径1 6 m ，水深1 2 m ) 上总的波浪力时程 曲线。图2 1 2 为单位长度立管桩上的波浪力时程曲线，其中图( a ) 为水面处单 位长度的波浪力，图( b ) 为水面以下6 m 处单位长度桩柱上的波浪力，图( c ) 为泥面处单位长度桩柱上的波浪力。 z ￥ 商 里 ：= ) 芑 8 f o r c eh i s t o r y t i m e ( s ) 图2 1 0 单位长度悬跨管线上的波浪力时程曲线 ( 直径03 2 5 m ，位于水下l l m 水深1 2 m ) ， 7 6 5 4 3 2 1 0 o 0 o 0 o 0 0 一叶edn 一 厂 +，f，tf_- 海底管道的动力分析t j 损伤检测技术研究 z 兰 茜 里 兰 3 芑 o 2 z 冒 竺 旦 苟 t - - 1 o5 0 05 1 t i m e ( s ) 图2 1 l 作用在立管桩上的总波浪力时程曲线 ( 直径1 6 m ，水深1 2 m ) x1 0 4 f o r c eh i s t o r y ii ( a ) 洲 嘶删舭删蜘州肿删 r r 01 0 0 i 汹w 麟啦雌删 。2 0 0 0 占_ 弓广1 苗焉矿赢乏o t i m e ( s ) 图2 1 2 作用在单位长度立管桩上的波浪力时程曲线( 直径1 6 m ，水深1 2 m ) ( a ) 水面处单位长度桩柱上的波浪力 ( b ) 水面以下6 m 处单位长度桩柱上的波浪力 ( c