倪玲英，耿光偉，劉秉德

(1.中國石油大學(華東)，石油工程學院，山東 青島 266580；2.中海油(天津)管道工程技術有限公司，天津 300270)

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基于AutoPIPE的海底懸空管線挖溝埋設應力分析

倪玲英1，耿光偉1，劉秉德2

(1.中國石油大學(華東)，石油工程學院，山東 青島 266580；2.中海油(天津)管道工程技術有限公司，天津 300270)

基于AutoPIPE軟件考慮管土作用機制，以施加密集V-stop模擬海床，并通過改變V-stop位置模擬挖溝過程，懸空管道在治理過程中的應力表明，一次挖溝成型與多次挖溝成型之后的管道應力相同，但多次挖溝成型過程中的應力峰值明顯低于一次挖溝成型，而避免了懸空管道在挖溝過程中可能發(fā)生的屈服破壞；海底懸空管道挖溝埋設過程中隨著挖溝深度和管道溫差的增加，管道應力、屈服位移呈現(xiàn)增大趨勢。

海底懸空管道；挖溝埋設；AutoPIPE；應力分析

為實現(xiàn)海洋油氣等資源的多方配置，海底形成了規(guī)模龐大的網(wǎng)狀集輸管線系統(tǒng)。海流沖刷、海底不穩(wěn)定、人工采砂等因素極易造成海底管線懸空現(xiàn)象難[1-3]。目前針對海底管道懸空通常采用砂袋覆蓋結合混凝土連鎖排、水下支撐樁等防護措施，但以上措施易致管道二次沖刷且不適合大范圍應用。二次挖溝即在懸空管道底部挖溝使懸空段沉管觸底進行埋設，其具有投資少、施工快等優(yōu)點。國內外有關海底懸空管道二次挖溝治理的報道只有簡單提到[4-5]，沒有介紹挖溝時管道強度評估[6]。為此，考慮基于AutoPIPE軟件，在文獻[7-8]基礎上進一步考慮管土作用機制，以及管道熱膨脹因素，研究管道的應力分布特性，所采用的數(shù)值模擬方法完全仿真挖溝過程，精確反應挖溝各階段的應力特點。

1 ASCE規(guī)范計算土體荷載

1)軸向土彈簧。作用到單位長度管道上的最大軸向土反力[9]為

(1)

2)水平橫向土彈簧。作用到單位長度管道上的最大水平橫向土反力[9]為

(2)

式中：Nch，Nqh為粘土載重量系數(shù)。

3)豎直方向土彈簧。豎直向下運動土反力為

(3)

豎直向上運動土反力為

(4)

式中：Nc、Nq、Nr、Ncv及Nqv為承載因子。

2 模型建立

對于埋地管道在土壤模型中可以認為埋地管道周圍的土壤發(fā)生彈塑性變形，等效管道剛度，如圖1a)所示管-土模型。管道周圍的土壤通過不同方向的土彈簧分別模擬土壓力，以及管道軸向摩擦力，如圖1b)土彈簧模型，設置3個方向上的土彈簧模型。

圖1 管-土作用計算模型

以渤海某海底懸空輸油管道直徑×壁厚=304.8 mm×12.7 mm為例，其相關參數(shù)見表1，鋼材為API 5L X60(屈服強度δs為414 MPa)，管內操作內壓為4 MPa。海床土壤參數(shù)見表2。

取230 m計算管線，2端分別添加Anchor點固定，然后分別從2端各取100 m管線設置為埋地狀態(tài)，中間30 m長的管段處于懸空狀態(tài)，不做任何設置。A00～A01,A02～A03為埋地管段，其中總共添加50個管節(jié)點；A01～A02為懸跨管段，其中添加15個管節(jié)點；A01、A02為坡肩。初始懸

空狀態(tài)時管道受力分布云圖見圖2。

由圖2可見，管段懸空狀態(tài)下坡肩(A01,A02)處的受力最大，下傾過程直至懸空段中部，應力由小變大，管線整體應力分布呈對稱特性。

3 挖溝模擬計算

3.1 一次挖溝治理

表1 海底管道參數(shù)

表2 海床土壤參數(shù)

圖2 初始懸空狀態(tài)下管道應力分布

對于運行狀態(tài)下海底懸空管道不考慮波浪和海流的影響，挖溝過程中受到的載荷有自重、浮力、內壓、熱膨脹以及海床對管道的支撐作用。運用Auto PIPE軟件模擬該懸空管道的一次挖溝成型，并分析該過程中管道應力分布變化情況。為了便于模擬挖溝過程，通過施加密布V-stop來模擬海床支撐。挖溝過程中移動V-stop位置改變懸跨長度，同時設置V-stop上部間隙(gap)為1 000 mm(表示上部無約束，可無限制的產(chǎn)生向上位移)。挖溝深度通過V-stop的下部間隙(down)距離設置來控制，比如,設置下部間隙為1 200 mm,則管道沉降至1 200 mm時觸底。計算過程考慮管道溫差與挖溝深度因素的影響。挖溝建模過程如圖3所示。

圖3 一次挖溝成型數(shù)值模擬

通過上述過程的模擬計算得到挖溝過程中管道豎直方向位移與最大等效應力，見表3、4。圖4為海底懸空管道在挖溝后的彎曲示意圖。

表3 挖溝過程中豎向位移

注：L-挖溝長度；L1-懸空段觸底長度；L2-坡肩處平躺段屈曲部分的屈曲長度；hmax-最大屈曲高度；L3-屈曲最高點與坡肩的水平長度；fv-海底管道的豎向最大位移(管道觸底之前為自由懸空的最大豎向位移，觸底之后即為挖溝深度)。

表4 挖溝過程中最大等效應力

δ-挖溝深度(一次挖溝成型時即為初始懸空深度)圖4 海底懸空管道在挖溝后的彎曲示意

從表1、2可見，整個挖溝過程中，在懸空段觸底之前，平躺段屈曲部分中的hmax、L2、L3和懸空段最大豎向位移fv,以及管道的最大等效應力都是一直增大的，懸空段剛觸底時達到最大值。懸空段觸底后，fv保持不變，其值等于挖溝深度，而hmax、L2、L3和δm先減小，之后保持不變，如圖5所示，其中，管道溫差為20 ℃。

圖5 海底懸空管道在挖溝過程中的位移、受力特性

其他條件不變時，管道觸底之前，挖溝深度增大但最大等效應力幾乎沒有變化，觸底之后，隨著挖溝深度的增加，管道最大等效應力明顯增大，如圖6所示。當設置管道溫差增加時，管道最大等效應力表現(xiàn)出線性增加趨勢，如圖7所示。

圖6 觸底長度變化曲線

圖7 最大等效應力隨管道溫差的變化曲線

3.2 多次挖溝治理

按照一次挖溝時工況設置進行多次挖溝模擬，最大的區(qū)別在于V-stop下部間隙要設置多次來控制模擬挖溝深度。本文以二次挖溝過程為多次挖溝特例。同理，三次挖溝等多次挖溝都以相同的處理方式進行建模計算，見圖8。

圖8 多次挖溝成型數(shù)值模擬

按圖8所示進行不同狀態(tài)下的挖溝建模計算，得出該管道在整個挖溝過程中坡肩處最大等效應力的變化趨勢。與一次挖溝成型進行對比，如圖9所示。其中，管道溫差為20 ℃，一次、二次和三次挖溝成型的每次挖溝深度為0.6、0.3、0.2 m。

由圖9可見，一次挖溝成型中的管道應力在挖溝過程中會出現(xiàn)一個峰值，若高溫運行或懸空深度較大時，其峰值更大，容易使管道發(fā)生屈服破壞。而多次挖溝成型在挖溝過程中能夠明顯降低該峰值，且最終挖溝成型的管道應力與一次挖溝時相同，卻降低了懸空管道在挖溝治理過程中的風險。

圖9 多次挖溝方式應力結果對比

4 結論

1)管道初始懸空狀態(tài)下，坡肩處的應力最大，其次為懸空管段中部。

2)海底懸空管道的挖溝治理過程中，管道應力隨挖溝深度或管道溫差的增加而明顯增大。

3)在任一挖溝長度下，最大等效應力出現(xiàn)在坡肩，一次挖溝成型的整個過程中，最大等效應力先增大后減小再保持不變，其峰值出現(xiàn)在懸空段剛接觸底部海床時。

4)一次挖溝成型和多次挖溝成型的管道最終應力相同，但多次挖溝成型能明顯降低一次挖溝成型中的應力峰值，從而避免了挖溝過程中管道可能發(fā)生的屈服破壞。

[1] 王利金,劉錦昆.埕島油田海底管道沖刷懸空機理及對策[J].油氣儲運,2004,23(1):44-48.

[2] 董文乙.海底管線懸空段預防性管理[C].第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集,2011:425-433．

[3] 倪玲英,劉秉德,詹燕民，等.海底雙層保溫管的懸空數(shù)值模擬[J].船海工程,2014(6):154-156+160.

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[5] 劉極莉,王佐強,劉楚．海底管道沖刷及自由懸跨處理方法評估[C].第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集,2011:375-378．

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[9] ASCE, Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe[S]. America: 2001.

Stress Analysis about Post-trenching of Submarine Suspended Pipelines Based on AutoPIPE

NI Ling-ying1, GENG Guang-wei1, LIU Bing-de2

(1.School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580, China;2.CNOOC Tianjin Pipeline Engineering Co., Ltd., Tianjin 300270, China)

The stress changes of submarine suspended pipeline in the governance process were calculated in AutoPIPE, exerting concentrated V-stop to simulate seabed, and simulate trenching by changing the V-stop position. The result indicate that first-trenching embedding has the same stress with post-trenching, but post-trenching treatment can obviously decrease the peak stress, avoiding damage to yield suspended pipeline that may occur in the process of trenching. The depth of pipe cover and temperature difference of submarine suspended pipeline will significantly increases pipe stress in the process of governance.

submarine suspended pipeline; post-trenching treatment; AutoPIPE; stress analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.042

2016-09-26

中海油(中國)有限公司項目(S12TJPWX015)

倪玲英(1964—)，女，博士，教授

研究方向：海洋油氣工程

P754

A

1671-7953(2017)04-0182-05

修回日期：2016-10-28