海底悬空管道受坠物撞击凹陷损伤研究❋

李 伟， 郭海燕❋❋， 李晓秋

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100；2.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司技术研发中心，天津 300452)

海底管道是通过密闭管道在海底连续输送大量油(气)的管道，是海上油(气)田开发生产系统的主要组成部分，也是目前最快捷、安全和经济可靠的海上油气运输方式。海底管道输油效率高、运油能力强，因此在油气工业链中被广泛应用。

在海底管道安装和油气输送过程中，渔业捕捞等人类海洋活动经常造成物体坠落，进而与管道发生碰撞，给海底管道造成了不利损伤。此外，由于长期受海底地形、海流以及沙土等因素的影响，海底管道会出现冲刷掏空现象，从而产生局部悬空管段。因此，对海底悬空管道受坠物撞击产生的损伤进行分析，具有重要的实际意义。

海底管道受坠物撞击是一个高度非线性问题，不仅要考虑坠物与管道的接触，还应考虑管道与海床土体的相互作用。DNV规范[1-2]指出了海底管线损伤的不同级别，规定了海底管线受到拖网渔具或外来物体冲击后的变形限制条件，给出了允许的最大永久凹陷深度与管线半径的关系，但在计算时假定冲击能量完全由管道凹陷变形吸收，忽略了坠物、海床土体以及其他方面对能量的吸收，也简化了冲击过程中诸多非线性因素的影响。理论研究方面，Wierzbicki和Suh等[3]、Bai Yong等[4]、Ellinas和Wallker等[5]、Furnes和Amdahl[6]均给出了冲击能量或冲击荷载与管道凹陷损伤之间的关系，但都在不同程度上作了简化，无法反映坠物撞击管道更加真实的情况。运用有限元方法进行数值模拟，可以更好地解决此类问题。

目前，关于海底管道碰撞损伤的有限元数值模拟大多集中在裸置管道[7-9]，对于悬空管道受坠物撞击后的损伤研究则比较少。黄小光等[10]对海底悬空管道受抛描撞击过程进行了数值仿真，分析了锚击速度和管道混凝土层对管道最大等效应力的影响，但是对于管土之间的耦合作用，采用非线性弹簧模拟，不能较好地反映海床的作用；娄敏等[11]考虑管土相互作用，以Drucker-Prager模型模拟海床，模拟海底悬空管道受坠物撞击的动态响应过程，分析了撞击速度、坠物质量、坠物形状以及海床土体参数对管道凹陷变形及动力响应幅值的影响，但没有就其他因素对海底悬空管道动态响应的影响作进一步研究。

LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，可以较为精确地处理各种高度非线性问题。本文基于非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA，建立坠物、海底悬空管道以及海床的三维模型，考虑接触、摩擦和管土耦合作用，模拟海底悬空管道受坠物撞击的动态过程，对比分析撞击能量、撞击角度、坠物与管道之间的摩擦对海底悬空管道受撞击后凹陷损伤的影响。

1 坠物冲击速度与冲击能量

物体在水中下落，当物体重力、浮力以及流体阻力达到力学平衡时，其沉降速度趋于稳定。在物体下降50～100 m的水深后，通常会达到其最终速度，物体受力平衡，之后以恒定速度继续下落[1]。可用如下等式表示：

(1)

其中：m为物体质量；g为重力加速度；V为物体置换水的体积；ρwater为水的密度；CD为物体的拖曳力系数；A为物体在下落方向的投影面积；vT为物体在水中的最终速度。

物体在最终速度时的动能ET为：

(2)

联合(1)式得：

(3)

在冲击中发挥作用的动能EE，不仅包括最终速度动能，还包括由附加水质量引起的动能，用EA表示。则有效冲击能变为：

(4)

其中，附加质量(kg)：

ma=ρw·Ca·V，

(5)

本文附加质量以附加质量密度的形式[12]表达为：

(6)

其中：ρe为坠物等效密度；ρw为海水密度；ρa为坠物密度；Ca为附加质量系数。

2 海底悬空管道受坠物撞击数值模拟

2.1 模型参数

本文选取海底悬空管道两端均埋于海床土体的情况，见图1。

图1 海底悬空管道示意图Fig.1 Diagram of submarine suspended pipeline

海底管道模型的几何参数选取参考海底管道工程设计参数，管道直径选取0.508 m，管道壁厚0.012 7 m，管道材料为X65，其他材料属性见表1。海底管道悬空段长度10 m，两端入土各30 m。

表1 海底悬空管道材料属性Table 1 Material attributes of submarine suspended pipeline

本文选用的坠物模型材料参数见表2。

表2 坠物材料属性

以附加质量密度的形式考虑坠物与海水的流固耦合作用，海水密度取1 025 kg/m3，附加质量系数取1.0，由(6)式计算得坠物等效密度为8 875 kg/m3。

海底管道非悬空段与海床相互接触，海床是一种典型的非线性材料，对管道受撞击后的动态响应有十分重要的作用。本文海床模型材料参数见表3。

表3 海床材料属性

2.2 ANSYS/LS-DYNA建模

运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对海底悬空管受坠物撞击过程进行数值模拟，需要确定合适的单元类型、材料模型、接触类型和边界条件等。

本文选用实体单元SOLID164模拟坠物以及海床土体，选用壳单元SHELL163模拟管道。坠物选用刚体Rigid模型，管道选用塑性随动强化Cowper-Symbonds模型，海床选用适合模拟土壤的Drucker-Prager模型。通过划分单元网格，并对管土接触部分网格加密，建立坠物撞击海底悬空管道的三维有限元模型。

模型边界条件的设定：对悬空管道两端固定轴向位移，其余方向自由；海床上表面边界自由，下表面固定竖向位移，即Y向位移，其余侧面均固定侧向位移，即与XOY平面平行的面约束Z方向位移、与YOZ平面平行的面约束X方向位移。

坠物与管道、管道与海床之间的接触均设置为自动面面接触(ASTS)。LS-DYNA程序中，物体之间的接触无需通过接触单元模拟，而是通过定义接触面和目标面来实现。面面接触由于完全对称，所以接触面与目标面的选择是任意的；自动接触不需要人工干预接触方向。定义接触时，设置相应摩擦系数以考虑摩擦的作用。本文动、静摩擦系数分别为0.2及0.3[13]。

ANSYS/LS-DYNA建立的海底悬空管道受坠物撞击有限元模型见图2。

图2 海底悬空管道受坠物撞击有限元模型Fig.2 The finite element model of submarine suspended pipeline impacted by dropped objects

2.3 ANSYS/LS-DYNA求解

所有设定完成之后，生成K文件并对K文件进行进一步编辑，本文中对Drucker-Prager模型相关参数的输入在K文件中完成。编辑完成后，将K文件递交给LS-DYNA求解器求解。

3 计算结果分析

LS-PREPOST是LSTC公司专门为LS-DYNA求解器开发的后处理器，它提供快速的后处理功能，本文选用LS-PREPOST对数值模拟结果进行后处理。

为验证本文数值模拟结果的准确性，选取质量为1 000 kg的实心球体坠物，以7 m/s的速度垂直撞击海底悬空管道，将管道在受坠物撞击部位产生的凹陷损伤与文献[11]计算结果作对比，如图3所示。

图3 管道在受坠物撞击部位产生的凹陷损伤Fig.3 Dent damage of the impacted part on pipeline by dropped objects

从上图可以看出，本文数值模拟结果与文献[11]计算结果较为吻合。

3.1 不同撞击能量对管道凹陷损伤的影响

本文选用不同质量的实心球体，由公式(1)确定其撞击速度，然后分别得出管道在受撞击部位的凹陷损伤。具体坠物参数见表4。

表4 实心球体坠物参数Table 4 Attributes of solid sphere dropped objects

海底悬空管道在受撞击部位的最大凹陷损伤以及最终凹陷损伤见图4。

从计算结果中可以看出，随着球体坠物撞击能量的增大，海底悬空管道受撞击部位的最大凹陷损伤以及最终凹陷损伤都变大，管道更易发生破坏，给管道安全带来更大的威胁。

3.2 不同撞击角度对管道凹陷损伤的影响

在实际工程案例中，由于海流等因素的影响，坠物撞击海底悬空管道有可能不是垂直撞击，而是以一定的倾斜角度与管道发生碰撞。本文分别对沿管道长度方向、管道横向，坠物以30°、45°、60°、90°撞击管道的工况进行模拟，对比不同工况下管道受撞击部位的凹陷损伤。图5 为不同撞击角度示意图。

图4 管道受球体坠物撞击凹陷损伤Fig.4 Dent damage of the impacted part on pipeline by sphere objects

图5 不同撞击角度示意图Fig.5 Diagram of different impact angles

3.2.1 沿管道长度方向坠物不同撞击角度对管道凹陷损伤的影响 坠物沿管道长度方向以30°、45°、60°、90°撞击，管道受撞击部位的最大凹陷损伤以及最终凹陷损伤见图6。

由此可见，沿管道长度方向，随着坠物撞击角度的增大，管道受撞击部位的凹陷损伤变大；坠物质量小于1 500 kg时，撞击角度的影响不明显，随着坠物质量的增大，撞击角度对管道凹陷损伤的影响开始明显。

3.2.2 沿管道横向坠物不同撞击角度对管道凹陷损伤的影响 坠物沿管道横向以30°、45°、60°、90°的角度撞击，管道受撞击部位的最大凹陷损伤以及最终凹陷损伤见图7。

由此可见，沿管道横向，随着坠物撞击角度的增大，管道受撞击部位的凹陷损伤变大；相比于长度方向上不同角度的撞击，横向撞击在坠物质量小于1 500 kg时已有较明显的凹陷损伤差距；随着坠物质量的增大，撞击角度对管道凹陷损伤的影响更加明显。

图6 沿管道长度方向不同撞击角度对管道凹陷损伤的影响Fig.6 Influence on the dent damage of different impact angles along the longitudinal direction

图7 沿管道横向不同撞击角度对管道凹陷损伤的影响Fig.7 Influence on the dent damage of different impact angles along the transverse direction

3.3 坠物与管道间摩擦对管道凹陷损伤的影响

坠物与海底悬空管道的表面并非是绝对光滑的，发生撞击时，两者之间存有摩擦。坠物与管道之间的摩擦对管道受撞击部位凹陷损伤的影响见图8、9。

图8 坠物与管道间有无摩擦对管道凹陷损伤的影响Fig.8 Influence on the dent damage of friction between the object and pipeline

图9 不同撞击角度下有无摩擦对管道凹陷损伤的影响Fig.9 Influence on the dent damage of friction between the object and pipeline with different impact angles

从图8可以看出，坠物与海底悬空管道之间摩擦的存在，使得管道受撞击部位的凹陷损伤略微增大，但影响很小；总的来说，摩擦对大质量坠物撞击管道产生的影响要比小质量坠物显著一些，但仍然不是很明显。

图9给出了不同撞击角度下，有无摩擦对管道受撞击部位凹陷损伤的影响。可以看出，坠物与管道之间的摩擦对管道受撞击部位的凹陷损伤影响不大，撞击角度较小时，摩擦的影响略微明显些。

4 结论

本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，模拟海底悬空管道受坠物撞击的情况，并对管道受撞击部位的凹陷损伤进行了对比分析，得出如下结论。

(1)以规范中公式计算出的撞击能量作为能量输入，海底悬空管道受撞击部位的凹陷损伤随撞击能量的增大而变大。

(2)相比于以一定的倾斜角度撞击海底悬空管道，垂直撞击引起管道的凹陷损伤最大；质量较大的坠物，撞击角度对管道凹陷损伤的影响更明显。

(3)坠物与管道之间的摩擦使得管道受撞击部位的凹陷损伤偏大，但影响很小；坠物撞击角度较小时，摩擦对管道受撞击部位凹陷损伤的影响略微明显些。

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