（岩土工程专业论文）浅海海底悬空管道动力响应分析及治理.pdf

中图分类号：t e 5 4单位代码：1 0 4 2 5 学号：s 0 7 0 6 0 7 1 5 寸阂石浊六学 硕士学位论文 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 浅海海底悬空管道动力响应分析及治理 a n a l y s i sa n dc o n t r o lo fd y n a m i cr e s p o n s eo f s u s p e n d e d p l p e n n ei ns n a l l o ws e a s 学科专业：岩土工程 研究方向：岩土力学工程 作者姓名：高文 指导教师：闰相祯教授 冯永训教授级高工 中国石油大学( 华东) 2 0 10 年4 月 a n a l y s i sa n dc o n t r o lo fd y n a m i cr e s p o n s eo f l 1 l -1 s u s p e n f l e np l p e l i n ei ns 1 1 a l l o ws e a s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g a ow e n s u p e r v i s o r ：p r o f y a nx i a n g z h e n p r o f f e n gy o n g x u n c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r 0 1 e u m ( e a s tc h i n a ) 64 6眦7mm7，m 7 叭1洲y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 夕， 渤久 日期： 弘如年万月乡p 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：气咖年步月乡口日 日期：口户年亍月；p e l 帕0 摘要 海底管线是海上油田的生命线，海洋油田的油、气、水等的集输、储运，多是通 过海底管道来完成的，海底管线把海上油田的整个生产系统有机地联系了起来。然而， 由于海底管道所处的海洋环境非常复杂，特别是当海底管道因为冲刷、残余应力等原因 出现悬空后将直接受到波浪、海流等的作用，存在着诸多不确定因素，使得海底管道的 运营风险俱增。因此对海底管道出现悬空后动力特性的分析及悬空的治理显得尤为重 要。鉴于此，本文以浅海海底水平悬空管道及立管为研究对象，以流体动力学理论、流 固耦合理论及有限元理论为基础，用通用有限元软件a n s y s 建立立管及水平悬空管道 的有限元模型，对海底悬空管道的动力特征进行了全面的分析，并针对埕岛海域海洋平 台立管管卡的破坏情况设计出了一套适用性更强的海底立管管卡一灌浆式立管管卡。研 究结果表明，管跨的悬空长度对其动力响应起决定性的作用，管跨的各动力特征均随悬 跨长度的增大而大幅增大，且管跨的自振频率随悬空长度的增大而减小，使得管跨越容 易发生涡激共振。如何有效的减小管跨的悬空长度成为治理海底管道因悬空发生破坏的 关键，本文所设计的灌浆式管卡及针对目标海域所制定的悬空管道的治理对策和方案均 可以很好的解决管跨发生涡激共振。 关键词：悬空管道，动力响应，涡激振动，管卡 加0 a b s t r a c t s u b m e r g e dp i p e l i n e sa r et h el i f e l i n eo ft h eo f f s h o r eo i lf i e l d ，w h i c hc o n n e c tt h ew h o l e p r o d u c t i o ns y s t e mt o g e t h e r m o s to ft h eg a t h e r i n ga n ds t o r a g eo fo i l ，g a s ，w a t e ri nm a r i n e o i lf i e l d s ，i sa c c o m p l i s h e dt h r o u g has u b m a r i n ep i p e l i n e h o w e v e r ，t h em a r i n ee n v i r o n m e n t o fas u b m a r i n ep i p e l i n ei sv e r yc o m p l e x e s p e c i a l l yw h e nt h es u b m a r i n ep i p e l i n ea p p e a r s h a n g i n g t h es i t u a t i o ni sd i r e c t l yc a u s e db yt h ew a v ev a c a n c i e sa r i s ea n dt h er o l eo fo c e a n c u r r e n t sb e c a u s eo fe r o s i o n , r e s i d u a ls t r e s sa n do t h e rf a c t o r s i ti sl i k e l yt h a tt h er i s ko ft h e o p e r a t i o no fs u b m a r i n ep i p e l i n ew i l li n c r e a s eb e c a u s eo fm a n yu n c e r t a i n t i e sf a c t o r s t h e r e f o r e ，i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt oa n a l y z eo fd y n a m i cr e s p o n s eo ft h eh a n g i n g s u s p e n d e dp i p e l i n ea n dt h ec o n t r o lo fh a n g i n g t a k i n gr i s e ra n dh o r i z o n t a lh a n g i n gp i p e si n s h a l l o ws e a sa st h er e s e a r c ho b je c t s ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr i s e ra n dh o r i z o n t a lh a n g i n g p i p eh a sb e e nb u i l tu pb yt h es o f t w a r e a n s y s o nt h eb a s i so fh y d r o d y n a m i ct h e o r y , f l u i d s o l i dc o u p l i n gt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n tt h e o r y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o fd y n a m i cr e s p o n s eo fs u s p e n d e dp i p e l i n ei ns h a l l o ws e a s ，as e to fb e n t h i cr i s e rd a m p so f 1 1 i g ha d a p t a b i l i t yn a m e df i l l i n gr i s e rc l a m ph a v eb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ed e s t r u c t i o no f r i s e ro fo f f s h o r ep l a t f o r mi nc h e n g d a os e aa r e a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p a nl e n g t ho ft h e p i p ec r o s sp l a y st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nd y n a m i cr e s p o n s e ：a l lt h ed y n a m i cr e s p o n s e s i n c r e a s ea n dt h en a t u r a lf r e q u e n c yr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n gl e n g t ho ft h ep i p ec r o s s i t m a k e st h ep i p ec r o s so c c u rv o r t e x i n d u c e dr e s o n a n c em o r ee a s i l y h o wt or e d u c et h es p a n l e n g t ho ft h ep i p ec r o s se f f e c t i v e l yh a sb e c o m e t h ek e yf a c t o rt oc o n t r o ld a m a g e sr e l a t e dt o p i p ec r o s si ns u b m a r i n ep i p e l i n e s t h ef i l l i n gd a m p sa n dc o n t r o lc o u n t e r m e a s u r eo fs p a n p i p e sw h i c ha r er e s e a r c h e di nt h ep a p e rc a ns o l v ev o r t e x i n d u c e dr e s o n a n c eo ft h ep i p e c r 0 s s k e y w o r d s ：s u s p e n d e dp i p e l i n e ，d y n a m i cr e s p o n s e ，v o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o n ，p i p ee l i p 1 1 l i 一 目录 第1 章绪论1 1 1 选题的目的和意义。1 1 2 海底管道悬空机理2 1 3 海底管道的截面型式。3 1 4 国内外研究现状6 1 5 本文研究的主要内容7 第2 章海底悬空管道受力分析。8 2 1 波浪对悬空管道的作用8 2 1 1m o r i s o n 方程及波浪对悬跨的作用力8 2 1 2 波浪理论的选择1 0 2 2 海流对悬空管道的作用1 1 2 2 1 涡激振动的形成机理1 l 2 2 2 漩涡对管跨的作用1 2 2 3 水动力荷载系数的确定。1 3 第3 章立管的动力响应分析1 7 3 1p i p e 5 9 单元特性1 7 3 2 立管系统及其所受荷载1 9 3 2 1 立管系统的定义及组成1 9 3 2 2 立管所受的荷载2 0 3 3 立管的模态分析2 1 3 3 1 有限元模型建立2 1 3 3 2 不同约束条件对立管自振频率的影响2 2 3 3 3 悬跨长度对立管自振频率的影响2 3 3 4 立管的瞬态分析2 4 3 4 1 立管悬空长度对其中间节点x 方向上位移的影响2 5 3 4 2 立管悬空长度对其中间节点x 方向上速度的影响2 6 3 4 3 立管悬空长度对其中间节点x 方向上加速度的影响2 8 3 4 4 立管悬空长度对其中间节点m i s e s 应力的影响3 0 3 4 5 立管悬空长度对其支座x 方向上反力的影响3 2 3 4 6 立管悬空长度对其所受弯矩的影响3 3 3 4 7 立管悬空长度对其支座z 方向上反力的影响3 5 第4 章灌浆式立管管卡的设计及结构型式优化3 6 4 1 灌浆式立管管卡设计的背景及意义：3 6 4 2 灌浆式管卡的结构型式及工作原理3 6 4 2 1 灌浆式管卡的结构型式3 6 4 2 2 灌浆式管卡的工作原理步骤3 7 4 2 3 灌浆式管卡的优点3 7 4 3 灌浆式管卡胶囊结构型式及填充物材料的选择3 8 4 3 1 胶囊的结构型式及材料选择3 8 4 3 2 胶囊填充材料的选择3 8 4 4 灌浆式管卡有限元模型的建立及结构优化3 9 4 4 1 管卡有限元模型的建立及边界条件的确定3 9 4 4 2 管卡结构型式的优化：4 0 第5 章水平悬空管道的动力响应分析4 7 5 1 管道有限元模型的建立4 7 5 1 1 边界条件的处理：4 7 5 1 2 管道有限元模型及各项材料参数4 8 5 2 水平悬空管道模态分析4 9 5 2 1 悬跨长度对管道自振频率的影响4 9 5 2 2 土弹簧刚度对管道自振频率的影响5 0 5 3 水平悬空管道瞬态分析5 2 5 3 1 悬空长度对管跨动力响应的影响5 2 5 3 2 土弹簧刚度对管跨动力响应的影响5 5 5 3 3 海流流速对管道动力响应的影响5 9 5 3 4 海流入射角度对管跨动力响应的影响6 3 第6 章水平管道悬空的治理6 8 6 1 袋装混凝土支承法6 8 6 2 水下短桩托管法6 8 6 3 软管连接法6 9 6 4 安装扰流器法7 0 结论与展望。7 1 参考文献7 2 发表论文和科研情况说明，7 6 弱【谢7 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第1 章绪论 随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求越来越大。当陆上石油 资源经过长时期、大规模的开发之后，世界范围的油气勘探与开发转向了资源丰富、占 地球表面7 1 左右的辽阔的海洋，并逐渐形成了投资高、风险大、高新技术密集的能源 工业新领域。勘探表明，我国南海海域、渤海海域都储存着丰富的油气资源，从2 0 世纪 0 6 年代起，我国开始自主开发海上油气资源，n 8 0 年代与国外合作开发，引进国外投资， 进入大规模开发阶段。经过引进、消化、吸收和集成国外先进的开发技术、大力发展自 主的配套技术和高新技术，我国海上油气田开发得到了快速发展。 在海洋油气田的陆续开发的工程中，具有输送连续、管理方便、效率高、成本低等 诸多优点的海底管道，成为海洋油气生产系统中的一个重要组成部分，并得到广泛的应 用。由于受到海上油气开发起步滞后的影响，我国的海底管道是在近2 0 年才发展起来的。 1 9 7 3 年首次在山东黄岛铺设了3 条各5 3 0 m 长的双重保温输油管道，最大水深为1 2 m ，用 以运送胜利原油。近二十多年以来，我国海底输油管道的建设取得了长足的进步。据不 完全统计，在中国海域已经铺设了2 0 0 0 多公里的海底管道。 然而，由于海底管道所处的海洋环境非常恶劣，直接受到波浪、潮流等作用，存 在着许多不确定因素，使得海底管道的铺设和运营风险俱增。而海底管道一旦破坏， 势必会造成巨大的经济损失和海洋环境的污染。a r n o l d 对美国密西西比河三角洲 1 9 5 8 1 9 6 5 年间海底管道失效事故进行了统计，发现造成海底管道失效的主要原因是海 床运动和波流冲刷所形成的管道悬空。2 0 世纪5 0 年代以来，世界上关于海底管道因冲 蚀悬空而造成破坏的报道层出不穷。我国已铺设的海底管道也存在很多的问题，据有 关方面对埕岛油田6 1 条海底管线的调查，仅有5 条管线未被冲刷悬空，仅占8 ，其 他管道悬空平均高度为1 3 3 m ，最大为2 5 0 m ，其中大于等于2 m 的有1 6 根，占2 6 ， 大于等于l m 的有4 8 根，占7 9 ；从悬空长度统计，平均悬空长度为1 5 1 m ，最大3 0 m ， 其中大于等于2 0 m 的2 2 根，占3 6 ，大于等于1 0 m 的4 3 根，占7 0 。 海底管道因冲刷等原因悬空后不仅改变了整条管线所承受的荷载形式及管道的应 力状态，且当海流流经管跨时，常伴随着周期性的漩涡脱落。这种由漩涡脱落引起的 管跨周期性的振动称为涡激振动，涡激振动是决定海底管道的使用寿命、引发管道疲 如 第1 章绪论 劳破坏的主要因素。因此，正确地认识和描述管跨在波浪和海流作用下的涡激振动动 力特性，寻找一种切实可行的管道悬空的治理方法，对保证海底管线在服役期间安全 运行有重要意义。 1 2 海底管道悬空机理 海底管线出现管跨的原因有很多，根据不同的形成原因，大致有以下三种形式： ( 1 ) 海底冲刷所形成的管跨 对于埋设于海底土壤以下一定深度或部分裸露于海底表面的管线，当海流流速大于 海床土壤的启动速度时，土壤颗粒就会被海流搬离原来的位置，这便是冲刷现象。在冲 刷比较严重的管段，埋地管线将会裸露出地面，形成跨长、跨高不等的管跨，其形式如 图1 1 。 图1 - 1 海流冲刷所致的海底管道悬空 f i g1 - 1s u b m a r i n ep i p e l i n es u s p e n d e dc a u s e db yc u r r e n t se r o s i o n ( 2 ) 海底地形所形成的管跨类型 海底管线在布置过程中，由于海床面不规则，管线在经过凹凸不平的海床表面时就 会形成如图1 2 的管跨；当海底管线铺设于岩石类海床上时，由于埋设难度大经常利用 分段固定的方法，便会形成形成如图1 3 所示连续分段的管跨形式。其由于海底管道所 经的地区地形、地质的差别这种管跨类型的表现形式也略有差别。 图l - 2 海床表面凸凹不平所致的管道悬空 f i g1 - 2p i p e l i n es u s p e n d e dd u et ou n e v e n s u r f a c eo ft h es e a - b e d 图1 - 3 海底地形所致的分段管道悬空 f i g1 - 3 s u b - s e a b e dp i p e l i n es u s p e n d e d d u et ot e r r a i n 知 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此外，管线在爬坡或上岸段和与海洋平台立管连接段也将形成此种类型管跨，分别 如图1 - 4 和1 5 所示。 图1 - 4 海管爬坡所致的管道悬空 f i g1 - 4 s u b - s e a b e dp i p e l i n es u s p e n d e d c a u s e db ys u s p e n d e dc l i m b i n g ( 3 ) 残余应力或热应力形成的管跨 _ _ 卜 - ii 二：l - i - - - - - _ + i i i 。 ) l 一厂一一、一“厂氓 j l| | 图1 - 5 海管与立管相连所致的管道悬空 f i g1 - 5 s u b - s e a b e dp i p e l i n es u s p e n d e dt u b e a n dc o n n e c t e dt ot h es e a 海底管线铺设后当管线中具有残余铺设应力时，由于应力、应变的再分配和传递及 热膨胀等原因，会引起管线的运动，当该运动在某一部位受阻时，便可能在该处出现屈 曲、翘起等现象来释放应力。这便会形成如图i - 6 所示的悬跨形式。 图1 _ 6 残余应力或热应力所致的管道悬空 f i g1 - 6r e s i d u a ls t r e s so rt h e r m a ls t r e s sc a u s e db yt h ep i p e l i n es u s p e n d e d 海底管道出现悬空的原因很多，除了以上提到的三种原因外，也有可能形成以上三 种因素共同作用而形成复合型的管跨，其结构形式也有所不同。 1 3 海底管道的截面型式 由于海水温度低等原因，海洋石油和天然气在管道中输送过程中往往需要采取保温 措施，保证其不会因低温而凝固。我国近海生产的石油大多含蜡量较高，属于高倾点或 高粘度的原油。海底管道的周围环境温度即海水温度一般说来要低于原油的倾点。因此， 对于含蜡量高的原油，当油温低于析蜡点时，管道内壁就会产生结蜡现象，从而减小了 管道的有效流通面积，致使管道的输送能力下降。若原油的温度降到倾点以下时，油中 舢 第1 章绪论 就会形成相互连接的石蜡网状结构物，造成原油流动性降低，给泵送带来很大的困难， 甚至停输。因此，输送动力液的海底管道往往需要保温措施以保证输送的畅通，管道最 常见的保温措施是在管道外层包裹保温材料以用来增加热阻，减少管内输送流体的温 降。 从管道的使用要求、运行条件、安全运输及其耐久性，并从管道的保温、防腐、保 护和改善管体受力与配重等要求来看，海洋管道典型的断面结构有两种基本式：即单层 管结构和双层管结构，分别如图1 7 和图1 8 所示。双层管内层管是输送管，外层管是 保护管，保温层夹在内、外管之间，内层管的内表面加防腐涂层，外层管的外表面加防 腐涂层和阴极保护设施。单层管共有5 层组成，由内而外分别是：钢管、防腐层、保温 层、防护层及混凝土配重层，双层管各项参数如表1 - 1 所示。我国海洋工程中所用的海 底管道绝大多数为双层管，有时为了增加管道在海底的稳定性可在外管加混凝土配层。 防 内管保温层 图1 7 双层管截面示意图 f i g1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fd o u b l e - p i p e s e c t i o n 混 加 图1 - 8 单层管截面示意图 f 逛1 - 8 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l e - p i p e s e c t i o n 表1 - 1 本文所研究双层管道参数 t a b l e1 - 1d o u b l e - c h a n n e lp a r a m e t e r so ft h i sa r t i c l e 项目 材料尺寸n u n基本特性描述 直径1 6 8 3 e ：2 0 7 1 0 p a 内管 钢( a p i5 l 6 5s m l ) 壁厚1 1 0 y = 0 3 密度7 8 0 0 k g m 3 直径3 2 4 0e = 2 0 7 1 0 1 1 忍 外管 钢( a p i5 l x 6 5s m l ) 壁厚1 1 0 v = 0 3 密度7 8 0 0 k g m 3 保温层聚氨脂泡沫厚度4 0 密度6 0 k g m 3 为了简化计算，按照管线刚度和单位长度质量相等的原则将双层管简化为单管处 理，其中为了保证简化前后管道所受外力不变，双层管经简化后管道的外径应保持不变。 以下从理论分析角度出发，研究双层保温管道复合截面的抗弯刚度，从而确定经简化后 单管的壁厚及有效密度，为接下来的有限元分析做准备。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 聚氨酯泡沫保温层本身材料的杨氏模量相对其它层来说非常小，而防腐层的厚度很 小， 因此忽略保温层和防腐层对管道刚度的影响，假设内管和外管之间分段固定连接， 则双层管道的刚度可由图1 9 所示的组合截面计算计算得到。 y 杉多 飘一协2 a 愆, 2 蛏缈一 x f i g1 - 9 d o u b l ep i p es t i f f n e s sc a l c u l a t i o nd i a g r a m 图1 - 9 所示组合截面的刚度为： k ：e 万( d 1 4 - d 1 4 ) + 刀 ( d 2 4 7 d 2 4 ) 1 ：墨至亟：堕二型二型) 4 6 4 o 斗6 4 其中： d 。外管外径；d ，外管内径；d ：内管外径；d ：内管内径。 由表1 。1 的数据可得： k ：! 鱼! 兰! q 丝旦! ：! 垦至 设简化成单管后管道的内径为d ，壁厚为t ，由简化前后管道的外径和刚度不变的 原则可得： e , n - ( 3 2 4 4 一d “) 3 0 4 5 9 7 2 4 0 7 9 e s 1 。-上=一 则有d7 = 2 9 8 8 r a m t = ( 3 2 4 2 9 8 。8 ) 2 = 1 2 6 m m 设简化后单管的等效密度为p7 ，则由简化前后单层管单位长度的重量相等得： p7 = 7 8 0 0 x ( 0 0 0 1 7 3 + 0 0 0 3 4 4 ) + 6 0 0 0 1 5 7 i 0 0 0 3 9 = 1 0 5 8 2 k g m 3 由上面计算可得有限元分析时所用管道模型的各项参数如表1 2 所示： 第1 章绪论 表1 2 有限元分析时所用管道的各项参数 t a b l e1 - 2f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ep a r a m e t e r su s e di np i p e l i n e i 管道类型 外直径( m m )有效壁厚( m m )有效密度( k g m 3 )弹性模量( 衄4 )泊松比i l 双层管 3 2 41 2 61 0 5 8 22 0 7 x1 0 1 10 3 i 1 4 国内外研究现状 海底管道处于悬跨状态是一种比较危险的工作状态，直接受到潮、流、浪等海洋环 境的影响，潜在的不安全性因素较多，应给予足够的关注。近年来，各国学者对悬跨管 线的涡激振动做了大量试验和数值模拟工作。其中具有代表性的实验研究包括s a r p a k a y a 等 1 】 2 胴在u 形水槽中对近壁水平刚性圆柱水动力系数的试验研究与分析，并进行了倾斜 圆柱、多圆柱的受力试验研究；s u m e r 等【4 1 ( 1 9 9 2 ) 研究波流共同作用下海底管线受到的水 动力与u 。u 。( 、分别代表流的速度和振荡流的最大流速) 和扔的关系，发现在 u 。大于0 时，在振荡半周期内，有涡释放、消失现象；李玉成、陈兵等【5 1 ( 1 9 9 6 ) 在大 波流水槽中对波浪作用下海底管线的受力进行研究，并与比利时列日大学合作，在两种 不同比尺条件下进行了海管线上波浪力的物理模型实验研究，对比了不同比尺物理模型 实验的结果；孟昭瑛等【6 1 ( 1 9 9 4 ) 在稳定流中对悬跨管道的振动进行实验研究，通过对不 同管径、不同跨长、不同边界条件的1 1 组模型在不同流速下的试验，得出管道产生涡激 振动时诸参数( 跨长、管道结构特性、管道与土壤之间相互作用及水流特性等) 间的关系； 方华灿和隋信众【_ 7 ( 1 9 9 8 ) 在7 k 槽中对不同流速下海底管线悬跨结构的涡致振动进行了实 验研究； y a m a m o t o 等 翻( 1 9 7 4 ) 用势流理论对固壁上水平圆柱的波浪力进行研究；g r y t a 等 【9 1 ( 1 9 8 9 ) 基于简化的尾流速度、加速度模型矛1 m o r i s o n 公式模拟波流在海底管线上产生的 水动力；l e e 等( 1 9 9 4 ) 用有限差分法( f d m ) 结合亚格子( s g s ) 湍流模型模拟了均匀来流 情况下处于平板附近圆柱的绕流；陈兵和李玉成1 ( 1 9 9 9 ) 应用三步有限元法结合l e s 湍 流模型研究近底水平圆柱受力及其周围流场进行数值模拟；吕林【1 2 1 ( 2 0 0 6 ) 在n a v i e r - s t o k e s 方程的基础上，利用有限元方法对固定和旋转圆柱扰流进行了数值研究。s u m e r f r e d s e s 1 3 ( 1 9 8 8 ) 采用弹簧支承刚性圆柱体研究了波浪作用下管线振动问题：b m s c h i 等【1 4 1 ( 19 8 9 ) 基于现场试验研究波流共同作用下海底管线动力响应问题，并通过流波速度 比对振动分析方法进行划分。马良( 2 0 0 0 ) 分析了海底悬空管道由海流引起的振动，给出 避免管道共振的最大允许的悬跨长度算法。罗延生( 1 9 9 9 ) 针对管跨系统动力响应这个模 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 糊随机过程，基于模糊随机数学理论，对有关问题提出了分析方法和计算模型，并通过 实验室内的模型实验进行了验证。余建星等( 2 0 0 4 ) 禾u 用随机过程理论和可靠性分析理论， 通过合理的化简，将非线性的随机振动方程简化为相应的线性随机振动方程。k a p u r i a 等( 1 9 9 8 ) 研究了轴向力和边界条件对允许悬跨长度的影响，指出忽略轴向力或边界条件 选择不当有时会给出偏于危险的结果。并给出了考虑海床刚度影响下的悬跨管道的涡激 振动和疲劳寿命计算方法。c h o i ( 2 0 0 1 ) 研究了海底管道的悬跨振动问题，给出了不同流 速，不同边界条件下的最大允许长度变化，并讨论了轴向力对频率的影响。r e i d 等( 2 0 0 0 ) 利用3 d 有限元方法研究了悬跨管道的疲劳问题，考虑了波浪荷载与涡激振动的联合作用 和其它参数( 阻尼，水深，和管道距海床的距离) 对不同方向上疲劳寿命的影响。g k f u m e s 和j b e m t s e n 1 5 】通过轴向力的联结在时域内分析了海底悬跨管道涡激振动升力和曳力的 非线性祸合振动关系，研究表明涡激振动时升力和曳力的耦合关系不可忽略。 p a n t a z o p o u l o s 1 6 】等人提出了基于f o u r i e r 变换的海底管道悬跨涡激振动研究方法。 a n f i n s e n 【l 7 】对影响海底悬跨管道涡激振动的各种参数进行了分析。a n f i n s e n 1 8 j 对影响海 底悬跨管道涡激振动的各种参数进行了分析。 1 5 本文研究的主要内容 管跨的出现改变了海底管线在管跨段所承受的载荷形式和应力状态。当海水流经管 跨时，将会引起管跨的涡激振动，管跨的涡激共振是引发管跨疲劳失效的主要因素。因 此对管跨动力响应分析的研究及出现管跨后治理方案的确定就显得尤为重要。鉴于此， 本文所研究的主要内容包括： 1 、系统的分析波浪及海流对管跨的作用。 2 、基于流体动力学理论、流固耦合理论及有限元理论，建立立管及水平悬空管道的力 学分析模型，进行海底悬空管道的动力特征分析并确定管道结构型式及海洋环境因 素对管跨动力特征的影响规律。 3 、针对埕岛海域海洋平台立管管卡的破坏情况及维修费用高、难度大等困难，经过多 方努力设计出了一套新型管卡一灌浆式立管管卡，并利用有限元软件对其结构型式 进行了优化。 4 、借鉴国内外海底管道悬空治理及预防的先进技术及理论，结合目标海域海底管道实 际情况，制定针对管道悬空的对策及方案。 第2 章海底悬空管道受力分析 第2 章海底悬空管道受力分析 2 1 波浪对悬空管道的作用 2 1 1m o r i s o n 方程及波浪对悬跨的作用力 作用于海洋结构物上的随机波浪荷载的计算是非常困难的，因为它包括了波浪和结 构物之间的相互作用。到目前为止，与波长相比尺度较小的细长柱体( 例如圆柱体d l 0 2 ) 的波浪力的计算，在工程设计中仍广泛采用莫里森方程。由于无论是立管还是海底水平 管道其截面尺寸远小于波浪的波长( d l o 2 ) ，用m o r i s o n 公式计算管道上的波浪力是符 合工程要求的。 莫里森等认为作用于直立柱体任意高度z 处的水平波力 包括两个分量：一方面是 波浪水质点运动的水平速度“。引起对柱体的作用力一水平拖拽力厶；另一方面是波浪 水质点运动的水平加速度车引起对柱体的作用力一水平惯性力石，计算简图如2 1 a g ， 所示。又认为波浪作用在柱体上的拖拽力的模式与单向定常水流作用在柱体上的拖拽力 的模式相同，即它与波浪水质点的水平速度的平方和单位柱高垂直于波向的投影面积成 正比，不同的是波浪水质点作周期性的往复的振荡运动，水平速度“，时正时负，因而对 柱体的拖拽力也是时正时负。 图2 - 1 小直径柱体波浪力计算简图 f i g2 - 1 c a l c u l a t i o no fw a v ef o r c e s0 1 1s m a l l - d i a m e t e rc y l i n d e rd i a g r a m 作用于直立柱体任意高度z 处单位柱高上的水平波浪力为： h = d 七 lq 越 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 = 三c d 础“，i “一+ p 瓦警+ c m p 瓦警 = 三1c d “，川+ p v od d u - - - - f m j 式中，“。乘ld u ；_ x 分别为柱体轴中心位置任意高度z 处波浪水质点的水平速度和水平 d f 刀口速发；a 为单位柱局垂直十汲同的投影回积；为单位柱局的排水体积；p 为海水密 度；c o 为垂直于柱体轴线方向的拖拽力系数；c m 为附加质量系数。 对于圆柱体，式( 2 1 ) 可写成： 厶= c o p d u ，”p 瓦警( 2 - 2 ) 当d l o 2 时，可以认为柱体的存在对波浪运动无显著影响，所以式( 2 2 ) 中“，和车 a t 近似地分别采用柱体未插入波浪中时相应于柱体轴中心位置处的水质点的水平速度“， 和水平加速度睾，故式( 2 2 ) 可以写成： o t 厶= 毛c d p d u x i u a + c 盯v oo uix(2-3) 对于水平构件，波浪力计算中应包括水平及垂直波浪力两部分。所谓水平构件是指 构件的轴线与波浪的传播方向垂直( 或轴线与波峰线相平行) 。 单位长度构件所受水平力和垂直力分别为： 水平力： 垂直力： 式中： 厶= c o p d “川十户v o o 优u x 一 以= 圭c 。矽h + p 瓦鲁+ d 国2 一水质点的垂直分速； q 一升力系数，其他参数同前。 9 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 第2 章海底悬空管道受力分析 2 1 2 波浪理论的选择 海洋波浪的变化形式极其复杂，对天然海面的观测可知，海面上各点的水面变化呈 现着随时间和地点的随机过程。描述某一特定海域的波浪特性主要有特征波法和波浪谱 法。但当前针对我国各海区建立的波浪谱还为数极少，工程中广泛采用的仍是特征波法。 在不同水深传播的具有不同波高、周期和波长的波浪应采用合适的波浪理论加以描述。 目前常用的波浪理论有a i r y 波浪理论、s t o k e s 高阶波浪理论、椭圆余弦波理论和孤立 波理论等。 在管道设计中，要计算波浪对管道的作用，需要计算波浪引起的海底管道附近水质 点运动速度u m 。为此，需要由设计水深d 、波浪周期卿波高日，按照剧t 2 和刀的 数值，查图2 2 选择合适的波浪理论来计算u m ，从而计算出波浪对海管的波浪力。 0 0 1 0 0 0 1 极浅水一浅水二- + 深水 ：一，一一一吼o k e s 三阶波 厂s 蜘s 二阶波 ； 破碎 钟 ：矽 7 非破 。 a r i y 线性波 匕 = 孤立波 ； iii- 0 0 1 d t 2 ( f t s 2 ) 图2 - 2 各种波浪理论的使用范围 f i g2 - 2 t h eu s eo fav a r i e t yo fw a v et h e o r y 根据渤海地区的水文条件，本文波浪载荷的计算选用斯托克斯五阶波理论，其波速 c 、波面高度叼、质点水平速度“、质点垂直速度c o 、质点水平加速度d u 出、质点垂直 加速度d c o d t 等特征量的表达式如表2 1 所示： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 1 s t o k e s 五阶波各特征量 t a b l e2 - 1t h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e so fs t o k e sf i f t ho r d e rw a v e 特征量表达式 速度势彩 丝c 囊n = l 吮c j i z ( ，z 舾) s i i l ( 刀口) 5 ， 波面刁 七刁= 刁。c o s ( n o ) n = l 质点水平速度“ 石u = 主聆丸7 c o k s ) c o s n 口 l 7 = l 质点垂直速度c o 万c o = 5 ，z 丸幽( 聆触) s i n 咒口 一 盯= 1 质点水平加速度孚 百a u l a t = 善5 概础m ?( 缈= 等) o t 质点垂直力口速度鲁 百& o a t = 善5 概7 叫施) c o s 栉p( 国= 等) 波速c k c 2 = g 砌( 材) 1 + 旯2 c 。+ c ：】 其中0 = 戤一w ts = z + d 2 2 海流对悬空管道的作用 2 2 1 涡激振动的形成机理 以图2 3 的圆柱体为例，当流体接近圆柱前缘时，流体因受阻滞而压力增大并围绕 柱体表面的边界层沿两侧向下游方向发展，当雷诺数较大时，边界层在柱体断面宽度最 大点附近分离。分离后将沿柱体表面发生倒流，边界层在分离点处脱落，并形成向下游 延深的自由剪切层。在剪切层内，由于接近自由流区的外侧部分流速大于内侧部分，所 以流体便发生旋转并分散成若干个漩涡。 - - - - - - - - - - - - - - - - - 图2 - 3 柱体涡旋脱落示意图 f i g2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fc