水中悬浮管道的结构形式及受力特征分析

卢召红，高珊珊，于慧敏，计 静，闫 亮，刘迎春

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油 大庆石化公司，黑龙江 大庆 163714)

水中悬浮管道的结构形式及受力特征分析

卢召红1，高珊珊1，于慧敏2，计 静1，闫 亮1，刘迎春1

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油 大庆石化公司，黑龙江 大庆 163714)

针对水中悬浮管道，提出其建造方式，并给出计算模型和计算方法。利用Morison公式计算作用在管体上的波浪荷载，计算分析管道在波浪力和水流力作用下的内力。借助ANSYS软件建立水中悬浮管道的有限元计算模型，运用Airy线性波浪理论计算水质点的速度和加速度，在此方法上计算管体的荷载和内力，与公式计算结果进行对比分析。结果表明，两者计算结果基本吻合，其误差在2%范围之内。

水中悬浮管道；内力；波浪力；Morison公式

油气输送管道在遇到江海湖泊时，其穿越方式多采用水底管道或水上架空等方式。然而，海底铺设管道施工难度大、工程造价高、易与水底脱离形成悬跨节段，水上架空管道受风及外界影响作用大，存在影响环境等诸多问题。许多学者对此类问题展开了大量的研究工作，曾晓辉、刘春阁等采用摄动法对铺管船铺管时管道的受力进行研究分析[1]，提出海底管道铺设时管体的受力计算方法；李春，沙秋等对海底管道悬空造成的失效原因进行评估分析，并提出了相应的失效消减措施[2]；余建星，马勇健等考虑涡激振动影响，提出了海底管道最大悬空允许长度[3]，避免悬空管道失效破坏；张文福，巨秀丽等提出悬索跨越式管道并对其抗风性能进行分析研究[4]。水中悬浮管道，与水底输送管道相比，水中悬浮管道不会因局部与河床或海床脱离悬空而造成安全隐患，并且工程造价低，施工方法简单，使用期间维修检测方便，利于监控等。在水中油、气等管道输送中，尤其在深海采油外输工程领域中，该体系将会得到广泛的研究和应用[5]。本文提出水中悬浮管道的结构形式，并对其受力特征进行分析研究，计算管体所受主要荷载，简化计算模型，计算分析管体应力状态，为后续的研究应用奠定基础。

1 水中悬浮管道结构形式

水中悬浮管道的组成构件包括：在水面以下一定深度的管道、锚索、连接装置、抗拔桩、水岸构筑物等。在水平面以下，当管道的浮重比大于1时，用拉索和主索连接管道，主索与抗拔桩的连接来平衡剩余的浮力，以保证各悬浮管道的平衡，如图1(a)所示；当悬浮管道所受的浮重比小于1时，采用悬浮筒和水的浮力共同拖住管道以防止其下沉，主索与悬浮筒相连，拉杆与管道和主索相连，悬浮筒用拉索和主索与抗拔桩相连，见图1(b)。

2 水中悬浮管道所受主要荷载计算方法

2.1 基本假定和计算模型

水中悬浮管道所处的环境比较复杂，主要受海流影响而产生的波浪力、水流力、涡流力及静水压力等的共同作用[6]。为简化计算分析作如下两点假定：(1)流体无粘性，不可压缩并且流动无旋转；(2)水流和波浪的作用相互独立,互不干扰[7]。

根据悬浮管道在水中的布置情况，建立计算模型：每个管段上设有2对锚索，每对锚索共有2根，与管成约为15°角，如图2(a)所示。主缆(索)在延伸方向具有很大的刚性，且垂直于延伸方向，因刚度远小于管道的线刚度，故锚索与管道间的连接可简化为铰支座，将管道简化为简支梁，建立如图2(b)所示计算模型。

2.2 作用在管道上的波浪力计算

波浪力计算中常根据结构物的尺度与波长的比值分为小尺度波浪力计算和大尺度波浪力计算。当D/L≤0.2时(其中D为外管道直径，L为海水波长)，称为小尺度物体；当D/L>0.2时为大尺度物体。本文提出的管径D一般不超过3m，当在相对水深为d/L≥1/2的深水区时，海水波长L为T2g/2πm[8-9]。作用在管道上的波浪力可按小尺度物体计算，因此采用Morison方程，总波浪水平力f(t)可表示为拖拽力fI和惯性力FD之和[10]：

(1)

波浪作用于管道上的垂直波浪力[11]为：

(2)

式中：CM惯性力系数；v为水质点的水平加速度，m/s2；ρ为海水密度，kg/m3；D为外管道的直径，m；CD为阻力系数；u为水质点的水平速度，m/s；CL为浮托力系数。

在计算水平波浪力f(t)max时，因为fI(t)和fD(t)不在同一时间出现最大值，可按以下方法进行计算。

当fI(t)max<2fD(t)max时：

f(t)max=fD(t)max+fI(t)max/(4fD(t)max)

(3)

或 f(t)max=fD(t)max+fI(t)max

(4)

取(3)式和(4)式中较小值，当fI(t)max≥2fD(t)max时：

f(t)max=fI(t)max

(5)

系数CM、CD与雷诺数有关，取值[12]如表1，表1中需要的雷诺数计算公式[12]为：

Re=uD/r

(6)

式中：u为水流的速度，m/s；D为外管道的直径，m；R为海水的运动粘度，取1×10-6m2/s。

2.3 作用在管道上的水流力计算

由于管道一般置于30m以下，水流可以近似看作一种稳定的平面流动，因此可采用以下公式来计算作用在管道上的水流力值[10]：

(7)

(8)

式中：fDC为水流引起的阻力；fLC为水流引起的浮托力；CD为阻力系数；ρw为海水的密度，1 030kg/m3；D为圆形管的外直径，m；Vcmax为水流的最大可能速度，m/s；CL为托浮力系数。

管道在水平方向和竖直方向总的受力分别为：

Fx=fI(t)+fDC

(9)

Fz=fL(t)+fLC+f-q

(10)

式中：f为海水浮力；P为管道单位长度重量。

2.4 计算弯曲应力

由于悬浮管道简化为简支梁，可求出约束处的反力和管道各截面的内力，根据各个截面上的内力可以计算出相应的应力值。先计算合弯矩值，在计算弯曲应力值。

合弯矩计算公式：

(11)

最大弯曲应力：

(12)

式中：W为抗弯截面系数。

3 波流作用下悬浮管道的应力状态分析

借助ANSYS有限元数值分析方法，建立悬浮管道的有限元计算模型，并对其在波流作用下的应力进行计算，将计算结果与简化模型应用理论公式计算的波流作用下应力状态结果对比分析。

3.1 有限元模型建立

pipe59是一种可承受拉、压、弯作用的单元[13-14]，单元的每个节点有6个自由度，即沿x、y、z方向的线位移及绕x、y、z轴的角位移。Link10是杆轴方向的拉压单元[15]，单元的每个节点有3个自由度，即沿x、y、z方向的平动。因此利用有限元软件ANSYS对悬浮管道建模进行受力分析，采用pipe59单元模拟横截面相对长度很小的悬浮管道结构，采用Link10单元模拟锚索与管道的铰接结构。这两种单元的结合能够模拟出海洋波浪和水流对管道的作用。Pipe59单元使用参数如图3。

不同波浪理论的适用范围主要受波高H、波长L(或波周期T)和水深h控制，Airy线性波浪理论适用于波陡很小δ=H/L≪1情况下。利用有限元软件ANSYS分析悬浮管道在波浪荷载作用下的受力分析，进行参数设置时，波浪理论选取Airy线性波浪理论[16]计算水质点的速度和加速度。

表2 有限元法与理论法计算结果比较

3.2 算例

某悬浮管道节间长10m，钢构件，钢管外直径D=159mm，管壁厚度t1=2mm，钢材屈服强fy=414MPa，弹性模量E=2.1×105N/mm2，泊松比u=0.29，密度7 850kg/m3。

管道所处环境参数：水深40m，有效波高5.2m，有效波周期5.0s，海面流速1.93m/s，中部流速1.21m/s，底部流速0.87m/s，海水密度为1 030kg/m3，波浪相位角取57°。由于管道直径相对于海水的深度很小，可以忽略不计，所以作用在管道上的海水流速取底部流速0.87m/s。悬浮管道有限元计算模型如图4所示，用pipe59模拟管道和link10模拟索单元，两者的连接是铰接，索与海洋底泥土连接为刚接。

用有限元法与理论公式法，分别计算悬浮管道在波浪力与水流力共同作用下、水流力作用下和波浪力作用下的最大弯矩值、最大应力值和最大挠度值，所得有限元法与理论法计算结果比较如表2所示。

从表2中看出管道在受到波浪力和水流力共同作用下的挠度、弯矩和应力值，将有限元法计算结果与理论计算结果比较分析，得出理论法计算结果与有限元法计算结果相对差异较大，但符合工程需要。分析认为：有限元计算时，考虑到管道直径变化小时的速度变化和波浪力与水流力之间的相互影响，将管道与拉杆(索)之间的连接简化为刚性铰支座，忽略其竖向变形对计算结果都会带来较大误差。

4 结论

1)与理论简化模型计算相比，有限元计算时考虑到管道直径变化小时的速度变化和波浪力与水流力之间的相互作用影响，导致两者之间结果存有误差；此外，理论简化方法将管道与拉杆(索)之间的连接简化为刚性铰支座，与实际不完全相符，也会导致计算结果存有误差。但最终两者计算结果误差较小，满足工程需要。

2)波浪力和水流力是作用在深水中悬浮管道的主要作用力，其大小和作用方向对管道的应力状态有很多的影响，水压力和涡流力对管道的影响较小，可忽略不计。

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(责任编辑 王利君)

Analysis of structure and mechanical characteristic of submerged floating pipeline

LUZhaohong1,GAOShanshan1,YUHuimin2,JIJing1,YANLiang1,LIUYingchun1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,DaqingPetroleumInstitute,HeilongjiangDaqing163318,China；2.ChinaPetroleumDaqingPetrochemicalCo,HeilongjiangDaqing163714,China)

Theconstructionmethodofsubmergedfloatingpipelinewasproposedanditsthecalculationmodelandcalculationmethodweregiven.ThewaveloadsonthetubewerecalculatedbytheMorisonformula,andtheinternalforceofthepipelineundertheactionofwaveforceandflowforcewascalculatedandanalyzed.WiththeaidofANSYSsoftware,thefiniteelementcalculationmodelofthesubmergedfloatingpipelinewasestablished.ThespeedandaccelerationofwaterqualitypointwerecalculatedbyusingAirylinearwavetheory,theloadandinternalforceonthepipelinewerecalculated.Comparativeresultsshowthatthecalculationresultsarebasicallyconsistent,andthedeviationsarewithinthecontrollablerange,whichcanprovidereferenceforthesubsequentresearchandapplication.

Submergedfloatingpipeline;internalforce;waveforce;Morisonformula

1673-9469(2016)04-0056-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.013

2016-09-04

国家自然科学基金资助项目(51578120)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541068)；大庆市科技计划项目(szdfy-2015-06)

卢召红(1976-)，男，山东临沂人，硕士，副教授，从事组合结构、混凝土结构方面的研究。

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