洪志強

摘 要：隨著海底管線使用年限的增加及環(huán)境或人為的因素，管線不可避免的出現(xiàn)裂紋等破壞情況。本文通過典型算例得到地震作用下裂紋管線的響應時程。同時采用三維有限元分析方法模擬裂紋管線的地震響應。通過對比，發(fā)現(xiàn)二者分析結(jié)果吻合較好，驗證了本文方法的有效性，說明該方法不但可以較為準確地模擬裂紋管線的地震響應，而且與傳統(tǒng)有限元分析方法相比具有較高的計算效率，可實現(xiàn)管線在地震作用下的快速結(jié)構(gòu)分析，為裂紋管線的地震安全評估提供了一種有效方法。

關(guān)鍵詞：復合材料；海洋管線裂紋；修復效果

1.引言

在海洋石油天然氣開發(fā)工作中，海底管線是極為重要的一部分，因此也被叫做“海洋油氣田生命線”（Mattos H S D C et al.2016）[1]。信息化時代的到來，讓海洋石油勘察開發(fā)效率不斷提升，海底復雜曲折的尤其管線則慢慢變成能源運輸?shù)年P(guān)鍵。由于海水深度高，海洋環(huán)境復雜，海洋油氣管線必須依照海洋環(huán)境不斷延伸，容易導致油氣管線發(fā)生爆裂，從而導致油氣混入海洋當中，污染海洋環(huán)境，這樣的事故在近年來頻頻發(fā)生（Manalo A et al.2016）[2]。回顧近二十年來的海底管線安全事故，在1998年和2000年，我國東海平湖油田的輸氣管線分別遭到了兩次破壞；2000年，位于渤海灣渤西的一條海底天然氣輸送管線嚴重滲漏，嚴重破壞了海洋環(huán)境；2001年，我國最大的海上油田——綏中36-1油田的油氣向外泄露，導致發(fā)生油氣泄漏事故；2011年，中海油珠海海底天然氣管線發(fā)生泄漏，且此次泄露導致天然氣凈產(chǎn)量為每天160百萬立方英尺。以上種種海洋油氣泄露事件，不僅浪費了大量的海洋天然氣石油資源，還對海洋環(huán)境造成了一定程度的破壞且在數(shù)十年內(nèi)難以恢復，其所造成的影響是不可估量的（Choi J et al.2016）[3]。然而，海底管線的使用不同于一般的環(huán)境，當海底管線即將到使用年限時，再加上人為因素，很容易導致海底管線爆裂，從而導致油氣資源泄露（Zhang Y M et al.2016）[4]。因此，必須要進行定期勘察，及時更換即將達到使用年限的海底管線，并做好預防工作，掌握裂紋管線的抗震效果。對海洋管線事故的預防和修復的研究是當前刻不容緩的事（Beek F A V et al.2017）[5]。

2.文獻綜述

海底管線埋設(shè)在海底當中，會受到波浪、地震等影響以及壽面的減短而逐漸產(chǎn)生裂紋，導致整體構(gòu)架遭到損壞，可能產(chǎn)生泄露的嚴重后果。因此，依據(jù)海底管線的埋設(shè)特點，模擬出一種與海底管線裂紋相同的裂紋模型，從結(jié)構(gòu)力學的角度對裂紋模型加以分析，能夠有利于了解海底管線裂紋的承載能力。一般情況下采用的裂紋模型有幾種，如以局部柔度為研究重點的裂紋模型、基于一致裂紋梁原理的裂紋模型、以等效降截面為核心的裂紋模型等（Valiulin I R et al.2017）[6]。對此，有學者從等效降截面的角度出發(fā)，利用局部彎矩或降截面來研究局部不連續(xù)梁柔度對裂紋模型的影響程度。通過實驗證明，等效降截面雖然能夠準確地分析切口，卻不能準確分析真實的裂紋，不適用于本次研究。其中的主要原因在于切口與裂紋的特征不相同，無法以切口來對裂紋下定論，所以該項方法可行度不高。另外，有的學者提出了一致Euler裂紋梁理論，更有后者基于有限元計對該理論進行驗證。還有的學者對一致Euler裂紋梁理論進行創(chuàng)新，通過實驗對理論進行驗證（Orga A C et al.2017）[7]。

3.實證分析

為驗證計算結(jié)果的有效性，木文使用大型有限元軟件ANSYS建立了貫穿裂紋管模型。并模擬El-Centro地震波，得到裂紋管線有限元模型在地震作用下的時程曲線。考慮到裂紋尖端的應力奇異性，在使用大型有限元軟件ANSYS建立裂紋管的有限元模型時，將模型分為裂紋區(qū)域和非裂紋區(qū)域兩部分。裂紋區(qū)域采用等參退化的Solid95奇異單元，非裂紋區(qū)域使用非退化的Solid95單元。Solid95是三維八節(jié)點實體單元高階形式，能夠容許不規(guī)則形狀，有20個節(jié)點定義，每個節(jié)點有三個自由度，即X，Y，Z方向，沒有轉(zhuǎn)動自由度。將ANSYS建立的固支裂紋管有限元模型沿跨長（用L表示）劃分為237個單元，取表I中基準模型參數(shù)，裂紋位置在距管線左端0.2L、0.3L、0.4L、0.5L處，裂紋深度0.05m、0.08m、0.11m、0.14m。首先針對兩端固支裂紋管有限元模型進行模態(tài)分析，得到不同裂紋位置、不同裂紋深度的前兩階固有頻率，與本文編寫的MATLAB程序計算結(jié)果對比見表1。

通過對地震作用下六種工況的管線裂紋單元的剪力、彎矩、位移的計算，從圖中可以看出，裂紋存在時裂紋單元剪力、彎矩、位移與無裂紋時同一單元剪力、彎矩、位移相差不大。裂紋在管線同一位置時，裂紋深度的變化對剪力、彎矩、位移的影響較小。這是由于裂紋的存在使管線結(jié)構(gòu)局部剛度減小，但對整體剛度影響不大，因此對剪力、彎矩、位移的整體反應的影響較小。在地震響應整個過程中，管線各參數(shù)相同時，同一位置裂紋單元的剪力峰值在兩端固支約束情況下比在兩端簡支約束情況下要大很多，裂紋單元的彎矩和位移峰值在兩端固支約束情況下比在兩端簡支約束情況下小很多。裂紋管線由于大撓度、大變形更易發(fā)生彎曲破壞，造成斷裂等危險情況，因此處于近似簡支約束下的裂紋管線結(jié)構(gòu)更加危險。

4.研究結(jié)論

隨著海洋油氣資源的不斷勘察開采，需要不斷擴大海底管線的規(guī)模以滿足資源開發(fā)的需要。尤其是地震，由于劇烈震動更是加劇了管線產(chǎn)生裂紋導致泄露的可能性?；诖?，對海底線管的抗震研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。對此，本文針對海底管線產(chǎn)生裂紋的情況，選擇能夠簡單、高效、準確計算出其動力響應的方式，以便對海底管線抗震情況進行深入分析，具體過程如下：以局部柔度理論為基礎(chǔ)，設(shè)計出海底懸跨裂紋管線的有限元計算模型，充分考慮地震引起的各種影響，列出裂紋管線的動力分析方程。在MATLAB中對程序進行編輯，對外界條件不同的工況的裂紋管線自振頻率和地震響應進行計算。用傳統(tǒng)的有限元軟件ANSYS構(gòu)造裂紋管線模型進行模擬。經(jīng)過對比，在地震環(huán)境中裂紋管線的位移時程曲線和改進后的結(jié)果相吻合。由此可見，使用MATLAB程序具有更高的可行性，適用于計算海底裂紋管線的自振特性及動力響應。使用MATLAB程序還能大大提升計算效率，提高結(jié)果的準確性，可見本文的方式是可行的。

參考文獻

[1]Mattos H S D C，Reis J M L，Paim L M，et al.Failure analysis of corroded pipelines reinforced with composite repair systems[J].Engineering Failure Analysis，2016，59（223）：223-236.

[2]Manalo A，Djukic L P，Islam M M，et al.Effect of hygrothermal conditioning on the mechanical and thermal properties of epoxy grouts for offshore pipeline rehabilitation[J].Aims Materials Science，2016，3（3）：832-850.

[3]Choi J，Kim H，Cho S，et al.Structural Analysis and Safety Assessment of KS D 3631 Gas Pipeline Repaired by Carbon Fiber Composite Material Sleeve[J].Journal of the Korean Institute of Gas，2016，20（5）：96-103.

[4]Zhang Y M，Tan T K，Xiao Z M，et al.Failure assessment on offshore girth welded pipelines due to corrosion defects[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2016，39（4）：453-466.

[5]Beek F A V，Wind H G.Numerical modelling of erosion and sedimentation around offshore pipelines[J].Coastal Engineering，2017，14（2）：107-128.

[6]Valiulin I R，Solovmev E A，F(xiàn)ik A S，et al.Effect of welding technology on the mechanical properties of welded joints in pipes for deep water offshore gas pipelines[J].Welding International，2017，31（5）：363-368.

[7]Orga A C，Obibuenyi J I，Nwozuzu S.An Offshore Natural Gas Transmission Pipeline Model and Analysis for the Prediction and Detection of Condensate/Hydrate Formation Conditions[J].Iosr Journal of Applied Chemistry，2017，10（4）：37-43.

[8]Rouse S，Hayes P，Davies I M，et al.Offshore pipeline decommissioning：Scale and context[J].Marine Pollution Bulletin，2018，129（1）：241-244.

作者簡介：

洪志強，湖南人文科技學院，能源與機電工程學院。