金學(xué)文

摘 要：目前，工程中對(duì)于海底管線自由懸跨的疲勞評(píng)估主要集中在求解管線的極限跨長(zhǎng)，這種做法僅僅考慮自由懸跨的渦激共振對(duì)管線的影響，而沒(méi)有考慮自由懸跨在非渦激共振狀態(tài)下的疲勞損傷累積問(wèn)題。本文以埕島油田海底管道在不同浪流組合下的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估，分析不同環(huán)境因素，不同懸跨長(zhǎng)度對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：海底管道；疲勞；評(píng)估；埕島油田

1 埕島油田現(xiàn)狀

埕島海區(qū)位于黃河三角洲前緣、渤海灣中東部南岸的極淺海海域。地面工程建設(shè)模式以中心平臺(tái)為依托，在其周?chē)椛涫浇ㄔO(shè)衛(wèi)星平臺(tái)的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，中心平臺(tái)通過(guò)海底電纜為衛(wèi)星平臺(tái)生產(chǎn)提供電力，通過(guò)海底注水管線為其衛(wèi)星平臺(tái)提供注水源，衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)出的油、氣、水混合物則通過(guò)海底管線傳輸?shù)街行钠脚_(tái)進(jìn)行處理后分輸?shù)桨渡?。?jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)建設(shè)，1999年埕島油田實(shí)現(xiàn)200萬(wàn)噸產(chǎn)能規(guī)模，成為我國(guó)的第一大淺海油田。

2 海底管道懸空原因

在海底地形的變化、波流的沖刷和淘刷，管道的殘余應(yīng)力等海洋因素作用下，海底管道可能形成懸空段。根據(jù)海底管道形成懸空段的成因和類(lèi)型的不同，管道懸空段有以下三種類(lèi)型：

2.1 海底管道由于受到波流作用形成的懸空段

埋設(shè)在海床以下和裸露在海床上的海底管道受波流的沖刷和淘刷的影響，波流首先沖刷管道上面的顆粒，等到管道露出之后在沖刷管道下面的顆粒，由此管道形成懸空段。對(duì)于裸露在海床上的海底管道，波流沖刷管道下部的顆粒形成懸空現(xiàn)象。

2.2 由于海底管道的應(yīng)力集中形成的懸空段

海底管道在運(yùn)行過(guò)程中，由于受傳輸介質(zhì)的溫度、壓力等因素的作用也會(huì)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這種應(yīng)力集中會(huì)在管道的某個(gè)部位形成“屈曲現(xiàn)象”，屈曲現(xiàn)象會(huì)使管道的一段產(chǎn)生懸空現(xiàn)象從而使管道形成懸空段。

2.3 海底地形的崎嶇變化形成的懸空段

海底管道懸跨結(jié)構(gòu)在發(fā)生渦激振動(dòng)的過(guò)程中，存在著流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，從而改變作用在結(jié)構(gòu)上的流體荷載的分布和大小。

3 疲勞壽命評(píng)估

以埕島油田某管線為實(shí)例進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，討論各參數(shù)對(duì)懸跨管線疲勞壽命的影響。根據(jù)埕島油田海域水深范圍，設(shè)定計(jì)算管線處的水深為10m，考慮懸跨長(zhǎng)度、流速大小、波浪大小以及水流與管線的夾角等影響因素。

3.1 懸跨長(zhǎng)度的影響

主要考慮在其他條件一定的情況下懸跨長(zhǎng)度對(duì)疲勞壽命的影響。計(jì)算工況為潮流流速0.8m/s（懸跨管線位置），流向與懸跨管線垂直，懸跨管線兩端的約束對(duì)懸跨段的自振頻率有很大影響，約束條件的確定依賴(lài)于兩端部分對(duì)懸跨管段的作用力，而作用力的確定需要根據(jù)管線的內(nèi)力和管線的外載荷來(lái)確定。

在懸跨管線兩端約束為簡(jiǎn)支，流速一定的情況下（0.8m/s），管線的自振頻率隨懸跨長(zhǎng)度的增大而減小，管線的響應(yīng)頻率、應(yīng)力范圍變化趨勢(shì)也相同；管線懸跨長(zhǎng)度從30m逐漸增大時(shí)疲勞壽命由4.877年逐漸減小。

跨長(zhǎng)在24～29.5m范圍內(nèi)時(shí)懸跨管線隨著懸跨長(zhǎng)度增大疲勞壽命迅速減小。相同跨長(zhǎng)時(shí)固支約束下懸跨管線一階固有頻率大于簡(jiǎn)支約束下的一階固有頻率，懸跨長(zhǎng)度30m以內(nèi)的管線在0.8m/s的流速下，不需要評(píng)估渦激振動(dòng)情況。

3.2 流速的影響

主要分析懸跨管線在懸跨長(zhǎng)度、波浪條件等參數(shù)不變的情況下，流速大小對(duì)疲勞壽命的影響。計(jì)算工況為懸跨長(zhǎng)度30m，流向與管線垂直。邊界約束考慮兩端簡(jiǎn)支和兩端固支兩種，計(jì)算流速?gòu)?.4～1.5m/s變化時(shí)疲勞壽命大小。

流速小于0.5m/s時(shí)，對(duì)于30m懸跨長(zhǎng)度的管線可以不必考慮渦激振動(dòng)的影響，其疲勞壽命大于50年。流速在0.6～0.8m/s之間時(shí)，疲勞壽命變化明顯，說(shuō)明懸跨管線疲勞壽命對(duì)流速很敏感，在進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估時(shí)需要結(jié)合實(shí)際的流速大小。0.6～0.8m/s變化時(shí)，隨著流速的增加，懸跨管線的響應(yīng)頻率和應(yīng)力范圍均在增大，疲勞壽命隨流速的增大急劇減小。

懸跨長(zhǎng)度為30m的管線，在流速小于1.2m/s時(shí)可以不考慮渦激振動(dòng)的影響。隨著流速的增大，其渦激振動(dòng)應(yīng)力范圍呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，從12MPa增至40MPa，相應(yīng)的，疲勞壽命從474年迅速減小至1.6年。流速在1.3～1.4m/s之間時(shí)，疲勞壽命變化明顯，說(shuō)明懸跨管線疲勞壽命對(duì)該流速范圍很敏感，在進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估時(shí)需要結(jié)合實(shí)際的流速大小。

流速?gòu)?.3～1.4m/s變化時(shí)，隨著流速的增加，懸跨管線的應(yīng)力范圍在增大，疲勞壽命隨流速地增大急劇減小。

3.3 波浪的影響

主要分析懸跨管線在懸跨長(zhǎng)度、入射角度等參數(shù)不變的情況下，波浪大小對(duì)疲勞壽命的影響。計(jì)算工況為懸跨長(zhǎng)度30m。

簡(jiǎn)支約束下波高小于2m時(shí)可以不考慮波浪引起的渦激振動(dòng)影響，此條件下懸跨管線滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。波高大于2m時(shí)，隨著波高的增大，疲勞壽命急劇降低，由2m波高時(shí)的1745年降至3m波高時(shí)的0.634年。由此可見(jiàn)在淺水區(qū)（d/L<0.5）波高對(duì)管線的疲勞壽命有很大影響，在深水區(qū)波浪導(dǎo)致的水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)在海底位置幾乎沒(méi)有，可以忽略波浪的影響。在實(shí)際管線評(píng)估過(guò)程中需要綜合考慮懸跨管線處的水深、波浪方向以及潮流速度等因素。

固支約束下波高小于4m時(shí)可以不考慮波浪引起的渦激振動(dòng)影響，此條件下懸跨管線滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。在淺水區(qū)（d/L<0.5）波高對(duì)管線的疲勞壽命有很大影響，在深水區(qū)波浪導(dǎo)致的水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)在海底位置幾乎沒(méi)有，可以忽略波浪的影響。

3.4 流速與管線夾角的影響

主要分析懸跨管線在懸跨長(zhǎng)度、流速大小等參數(shù)不變的情況下，入射角度對(duì)疲勞壽命的影響。

在懸跨長(zhǎng)度30m，流速0.8m/s，兩端簡(jiǎn)支約束條件下，流速的入射角度小于45度時(shí)可以不考慮渦激振動(dòng)的影響，管線疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。入射角大于45度時(shí)，隨著流速入射角度的增大，管線響應(yīng)應(yīng)力范圍隨之增大，疲勞壽命逐漸減小，由45度時(shí)的19349年減至90度時(shí)的4.877年。當(dāng)入射角為90度時(shí)疲勞壽命最小，入射角繼續(xù)增大疲勞壽命也隨之增大，入射角大于135度時(shí)懸跨管線的疲勞壽命可以不考慮渦激振動(dòng)的影響。因此疲勞壽命與管線上垂直作用的流速大小有直接關(guān)系。

在懸跨長(zhǎng)度30m，流速1.4m/s，兩端固支約束條件下，流速的入射角度小于65度時(shí)可以不考慮渦激振動(dòng)的影響，管線疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。入射角大于65度時(shí)，隨著流速入射角度的增大，管線響應(yīng)應(yīng)力范圍隨之增大，疲勞壽命逐漸減小，由65度時(shí)的3585年減至90度時(shí)的12.748年。當(dāng)入射角為90度時(shí)疲勞壽命最小，入射角繼續(xù)增大疲勞壽命也隨之增大，入射角大于115度時(shí)懸跨管線的疲勞壽命可以不考慮渦激振動(dòng)的影響。按照上述分析若該管線設(shè)計(jì)壽命為50年，則1.4m/s的流速工況下最大允許夾角為75度。

4 小結(jié)

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)隨著懸跨長(zhǎng)度增加，疲勞壽命隨之減小，在流速0.8m/s時(shí)簡(jiǎn)支約束下最大懸跨長(zhǎng)度不能超過(guò)27.5m（按設(shè)計(jì)壽命50年計(jì)），而固支約束下最大懸跨長(zhǎng)度不能超過(guò)41m。

簡(jiǎn)支約束下30m懸跨長(zhǎng)度時(shí)，管線對(duì)0.6～0.8m/s區(qū)間的流速變化很敏感，在0.8m/s時(shí)壽命僅有4.8年，按照疲勞壽命50年計(jì)算，最大允許流速為0.7m/s；固支約束下對(duì)1.3～1.4m/s區(qū)間的流速變化敏感，按照疲勞壽命50年計(jì)算，最大允許流速為1.35m/s。

由于水深較淺波高對(duì)疲勞壽命有較大影響，計(jì)算結(jié)果表明30m懸跨長(zhǎng)度時(shí)，簡(jiǎn)支約束下波高大于2.3m時(shí)疲勞壽命降到50年以下，固支約束下波高大于4.4m疲勞壽命僅為42.8年。

流速入射角度對(duì)懸跨管線的疲勞壽命也有很大影響，垂直入射時(shí)疲勞壽命最小，隨著入射角度的偏大或偏小，疲勞壽命隨之增大。