馮雅萍，李英，吳子昂

(天津大學 建筑工程學院水利工程仿真與國家安全重點實驗室，天津 300350)

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船舶拋錨對淺水區(qū)埋置管道的損傷分析

馮雅萍，李英，吳子昂

(天津大學 建筑工程學院水利工程仿真與國家安全重點實驗室，天津 300350)

針對淺水區(qū)海底埋置管道受船錨沖擊后的安全性問題，提出重力式拋錨作業(yè)船錨下落速度的計算方法，應用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型，采用CEL方法模擬船舶拋錨撞擊埋置管道的動態(tài)過程，分析拋錨水深、船錨入泥角度以及管道埋置深度對管道受船錨撞擊的損傷影響。結果表明，給定型號的船錨拋錨水深小于船錨達到平衡速度的水深時，海底管道受船錨撞擊的損傷程度隨拋錨水深增加而增大；船錨入泥角度超過15°后，拋錨撞擊管道的損傷程度隨入泥角度增大而減?。缓５坠艿朗艽^撞擊的凹陷深度隨管道埋置深度增加成反比關系。

埋置管道；CEL；拋錨撞擊；凹陷深度

海底管道受船舶拋錨損傷的分析方法主要分為基于能量法的公式[1-5]和有限元模擬[6-10]，其原理均為船錨接觸管道時的動能與管道變形之間的能量轉換。船錨貫入土體的過程中發(fā)生船錨土體之間的非線性接觸、能量轉換等，是一個復雜的非線性過程，其本質問題為土體的非線性大變形。耦合歐拉—拉格朗日(CEL)算法[11]可以效地解決由大變形引起的網(wǎng)格畸變和計算結果不收斂的問題，在土體大變形的數(shù)值模擬中得到廣泛應用[12-15]，成為分析埋置管道受船錨撞擊損傷的有效方法。關于船錨或墜物的速度對海底管道影響的研究未見模擬船錨入水后速度的變化[6,9-10]。為了準確模擬船錨對海底管道的撞擊影響，提出淺水區(qū)重力式拋錨作業(yè)下錨速的簡單計算方法。

1 拋錨撞擊管道的有限元算法

1.1 落錨速度計算方法

船舶拋錨可分為機械拋錨和重力拋錨[16]，重力拋錨過程中，船錨主要受重力、浮力和水阻力作用，錨鏈所受的摩擦阻力可忽略不計。當船錨達到受力平衡狀態(tài)時有：

(1)

式中：m為船錨質量；g為重力加速度；V為船錨排水體積；ρw為海水密度；CD為拖曳力系數(shù)；A為船錨在流體方向的投影面積；vt為船錨達到受力平衡時速度。

當船錨未達到受力平衡狀態(tài)時，受力分析：

(2)

此時若運動的時間Δt足夠小時，假設在時間Δt內船錨在水中做勻加速運動，由式(2)得到船錨在各勻加速運動過程的速度和加速度。

(3)

(4)

對于重力式拋錨，錨的初始速度為零。根據(jù)式(3)和(4)通過迭代法可以求解給定錨在任意水深的加速度和速度。

1.2 有限元模型的截面參數(shù)和材料參數(shù)

船錨貫入土體的過程引起土體發(fā)生非線性大變形，且管道的混凝土保護層為典型的彈塑性結構，因此需要設置非線性材料以合理模擬船錨貫入土體與管道發(fā)生撞擊的過程。

管道的截面參數(shù)參考某海底管道工程的設計參數(shù)，外徑0.711 2 m，壁厚0.015 9 m，混凝土保護層厚度0.1 m。海管材料為X60，材料基本參數(shù)見表1。海底管道的本構模型為彈塑性模型。

為了保證模型的準確性需要選擇合理的海底土體材料模型。海底土質為粘土，土壤的本構模型選擇為Mohr-Coulomb模型，材料參數(shù)見表2。

表1 海管材料屬性

表2 海床土體屬性

混凝土層作為配重層和保護層，受拉力作用發(fā)生脆性破壞，受壓力作用發(fā)生延性破壞，具有復雜的彈塑性性能。因此定義合理的混凝土彈塑性損傷參數(shù)對模型計算結果的準確性非常重要，混凝土基本力學參數(shù)和破壞準則參數(shù)見表3、4。

表3 混凝土保護層基本力學參數(shù)

表4 混凝土破壞準則參數(shù)

1.3 基于CEL的有限元模型

有限元模型由錨、土和管道3部分組成，其中管道包括鋼管和混凝土保護層兩部分。在拋錨撞擊模型分析中，由于不考慮錨的損傷，選擇離散型剛體建立模型，單元類型定義為R3D4；錨撞擊管道的過程中，管道在與錨接觸位置發(fā)生局部小變形，因此選擇可變形部件建立鋼管和混凝土保護層，單元類型建立為C3D8R；錨貫入土中以及碰撞過程中，土體發(fā)生非線性大變形，因此土體模擬為歐拉體，定義為EC3D8R單元。有限元模型見圖1。各部件之間的接觸類型定義為通用接觸。

圖1 ABAQUS有限元模型

定義初始狀態(tài)下土體有限元模型的歐拉體積分數(shù)(EVF)見圖2，其中上部網(wǎng)格部分代表EVF為0，下部網(wǎng)格部分代表EVF為1。

圖2 土體歐拉體積分數(shù)

2 海底管道損傷因素分析

2.1 拋錨水深對于管道的影響分析

船錨撞擊管道的速度與管道所受的沖擊能量直接相關，是研究管道受拋錨撞擊損傷的關鍵因素之一。船舶拋錨水深直接影響緊急情況下船舶重力拋錨方式的落錨速度，最終導致船錨沖擊能量不同。針對重力式拋錨作業(yè)，研究拋錨作業(yè)為2 280,2 460,2 640g和2 850 kg的A類霍爾錨，假設拋錨水深為4、7.5、12.6、15.1、17.5、20.1和23.1 m，海底管道的埋置深度為0.24 m。不同型號船錨到達海底的最終速度和對應的拋錨水深見圖3。由圖3可見：

圖3 船錨最終速度與水深關系

1)當拋錨水深相同時，船錨型號越大，錨到達海底的最終速度越大。

2)當拋錨水深超過7.5 m后，船錨到達海底的最終速度隨拋錨水深增加的變化幅度不斷減小，直至錨速達到恒定值且不隨水深變化而變化。

當船錨最終速度不隨拋錨水深增加而變化時，稱船錨達到平衡速度，此時的最小水深稱為平衡水深。A類霍爾錨的平衡速度和平衡水深見表5。由表5可知：船錨的型號越大，船錨的平衡速度越大，平衡水深也隨之變大。

通過ABAQUS進行數(shù)值模擬計算，得到不同拋錨作業(yè)下管道受船錨沖擊產(chǎn)生的凹陷深度，管道凹陷深度與管徑比值(凹徑比)隨水深和船錨質量的變化趨勢見圖4。

表5 錨的平衡水深以及對應的平衡速度

圖4 不同拋錨水深下管道凹陷深度與管徑比值

分析圖4得到：

1)對于給定型號的船錨，當拋錨作業(yè)水深未達到平衡速度水深時，管道凹陷深度與管徑的比值隨拋錨水深增加成正相關的關系。

2)當拋錨作業(yè)水深超過平衡速度水深后，管道受船錨撞擊產(chǎn)生的凹徑比隨水深增加而不變。

2.2 船錨入泥角度對管道的影響分析

重力式拋錨作業(yè)時，船錨在海水中運動時受到波浪、船錨形狀等因素影響可能發(fā)生旋轉，造成船錨入泥角度(船錨與海底法線的夾角)不同。而對于埋置管道，船錨與海底土層接觸面積以及入射角度直接影響埋置管道的保護土層對船錨沖擊能量的吸收。目前，已有學者采用真實錨形狀建立模型[10]，但是沒有考慮船錨入泥角度對管道損傷的影響。為研究船錨入泥角度對海底管道的損傷影響，以拋錨水深為22 m，船舶以重力式拋6 000 kg的A類霍爾錨的拋錨作業(yè)為例，船錨入水21.49 m時達到平衡速度5.878 m/s，假設海底管道的埋置深度為0.5 m，分析船錨下落方向對管道凹徑比的影響。

建立以5°為間隔、入泥角度由0°變化至20°的數(shù)值模型和以15°為間隔、入泥角度由30°變化至90°的數(shù)值模型，模擬結果見圖5。

圖5 不同入泥角度下管道凹陷深度與管徑比值

由圖5可知：

1)當船錨入泥角度小于15°時，海底管道受船錨撞擊產(chǎn)生的凹陷深度與入泥角度無明顯的比例關系，海底管道受船錨的沖擊損傷程度主要取決于船錨在海床的投影面積的大小。

2)當船錨入泥角度為15°時，管道受船錨撞擊產(chǎn)生的凹陷深度最大，損傷程度最嚴重。

3)當船錨入泥角度大于15°時，凹徑比隨船錨入泥角度增加而減小。

2.3 埋置深度對管道的影響分析

埋置土層能夠有效保護海底管道，減小船舶拋錨撞擊管道的沖擊風險。管道鋪設在海床之后，受海底地形以及海流等因素的影響，會造成不同位置的管道埋設厚度不均勻，導致管道受船舶拋錨撞擊的影響不同。分別以質量為2 100 kg、5 250 kg和8 700 kg的A類霍爾錨作為拋錨作業(yè)船錨，重力拋錨的作業(yè)水深為25 m，船錨分別達到平衡速度4.927 m/s、5.747m/s和6.248 m/s(見圖6)，計算埋置深度為0.24、0.36、0.53、0.60、0.82、1.55、2.32 m海底管道受拋錨作業(yè)產(chǎn)生的凹徑比，計算結果見圖7。

圖6 船錨速度與水深關系

圖7 不同掩埋深度下管道的凹陷深度與管徑比值

圖7表明船錨撞擊管道所產(chǎn)生的凹徑比隨管道的埋置深度增加而明顯減小。當埋置深度超過0.82 m時，埋置土層能夠有效保護海底管道，減小船錨對管道的風險沖擊，與ABS建議的最小埋置深度3 ft(0.914 4 m)基本吻合。工程中鋪設海底管道，埋置深度過小，土層不能有效減小船錨的沖擊風險，不能保證管道的安全性；埋置深度過大，管道的鋪設成本也大幅增加，降低了經(jīng)濟效益，因此，針對特定海域分析鋪設管道的合理埋置深度，對管道的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。

3 結論

1)引入船舶的拋錨方式以及拋錨水深等因素，考慮落錨在水中的速度變化，當拋錨作業(yè)水深小于船錨達到受力平衡水深時，船舶拋錨對管道的損傷程度隨水深增加而增大；當拋錨水深超過平衡水深時，管道受拋錨撞擊的損傷程度與拋錨水深無關而與船錨質量相關。

2)船錨入泥角度決定了船錨與海床的接觸面積，影響船錨與土體的非線性接觸，造成錨速衰減速率不同，當船錨入泥角度超過15°時，海底管道受船錨撞擊產(chǎn)生的凹徑比隨入泥深度增大而成反比關系。

3)管道受船錨撞擊產(chǎn)生的凹徑比隨管道埋置深度增加而減小，當埋置深度超過一定值后，凹徑比減小趨勢衰弱。

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Analysis of Impact on Submarine Buried Pipelines from Dropped Anchor in Shallow Water

FENG Ya-ping, LI Ying, WU Zi-ang

(State Kay Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to investigate safety of submarine buried pipelines in shallow water, which may be impacted by dropped anchors, a method to calculate the anchor velocity was developed for the anchor dropped in water under gravity. Based on the CEL method, the finite element model was established using ABAQUS to simulate the impact process of anchor on buried pipeline. The damage of the buried pipeline from anchor impacting was analyzed, considering the effect of water depth, the penetration angle of anchor and the buried depth of pipeline. The results showed that for the given anchor the degree of pipeline damage increases with water depth before the anchor reaching the terminal speed. When the anchoring penetration angle is more than 15°, the degree of pipeline damage decreases with the increase of penetration angle, and the dent of pipeline has an inverse relationship with the increase of buried depth.

buried pipeline; CEL; impact; dent depth

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.039

2016-11-28

國家973課題資助項目 (2014CB046804)；國家自然科學基金項目(51409185)； 天津市應用基礎與前沿技術研究計劃(15JCYBJC21700)

馮雅萍(1992—)，女，碩士生

研究方向：海洋管道結構分析

P756.2

A

1671-7953(2017)04-0169-04

修回日期：2016-12-29