，，，

(1.中國船舶工業(yè)集團(tuán)第七〇八研究所，上海 200000； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

緩波形鋼懸鏈立管在工程中的應(yīng)用近年來剛剛起步[1]，為保證立管工作的安全性，進(jìn)行完整的設(shè)計分析尤為重要。此外，由于浮力材的添加，立管構(gòu)型更加復(fù)雜，此前對不同構(gòu)型的鋼懸鏈立管計算分析發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)型的立管強度與疲勞等性能有較大的不同。這表明具有較復(fù)雜構(gòu)型的緩波形鋼懸鏈立管的強度與疲勞等特性將表現(xiàn)出不確定性，其相比于簡單鋼懸鏈立管在性能上的具體變化也需要在設(shè)計分析中重點考慮。因此，為保證緩波形鋼懸鏈立管工作的安全性并系統(tǒng)研究其相對于簡單鋼懸鏈立管的性能變化，基于懸鏈線法、集中質(zhì)量法及S-N曲線法對緩波形鋼懸鏈立管進(jìn)行強度與疲勞等特性分析。采用OrcaFlex軟件在時域范圍內(nèi)對簡單鋼懸鏈立管以及緩波形鋼懸鏈立管進(jìn)行計算對比分析，包括立管靜態(tài)特性、動態(tài)特性、強度、疲勞等方面，探討緩波形鋼懸鏈立管整體特性及優(yōu)勢，并采用控制變量的方法分析不同設(shè)計參數(shù)對緩波形立管整體強度和疲勞特性的影響。

1 鋼懸鏈立管動力分析方法

1.1 立管力學(xué)模型

管線分析采用的模型為集中質(zhì)量模型，該方法計算速度較快，易收斂。

管線的時域動力方程表達(dá)式為[5]

(1)

式中：y為各節(jié)點位移；M為管線集中質(zhì)量矩陣；B為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F(t)為管線所受外力，包括流體力、重力、管土接觸力，對于緩波形立管，還包括浮力材產(chǎn)生的浮力等。

海洋立管在海洋環(huán)境中受到的海流、波浪等流體力常用半經(jīng)驗的廣義莫里森方程計算[6]。管線切片ds所受流體力可以表示為

(2)

對海床的模擬采用線性無質(zhì)量彈簧，當(dāng)立管與海床相接觸時，每個節(jié)點受到的海床垂向作用力為兩側(cè)單元受力之和的一半，可表示為

(3)

式中：ksb為土體剛度；Asbi為單元i與海床的接觸面積，Asbi=Dli；i為節(jié)點兩側(cè)單元；dsb為立管中心滲入海床的深度，dsb=(D/2)-y。

1.2 疲勞分析方法

工程結(jié)構(gòu)的疲勞分析一般采用兩種方法：S-N曲線法和斷裂力學(xué)法[7-8]。這里采用S-N曲線法進(jìn)行疲勞分析。

S-N曲線描述了疲勞強度S和截止材料破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系。若在固定應(yīng)力幅值S的循環(huán)作用下，將結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)記為N，則S-N曲線表達(dá)式為

N=aS-m

(4)

式中:a和m為材料參數(shù)，在試驗過程中獲得。對表達(dá)式兩側(cè)取對數(shù)，其形式近似為一條直線

lgN=lga-mlgS

(5)

應(yīng)力幅值S需要經(jīng)過壁厚糾正因子和應(yīng)力集中系數(shù)的修正，即

(6)

式中：S0為公稱應(yīng)力幅；SCF為應(yīng)力集中系數(shù)；tref為參考壁厚；k為壁厚指數(shù)。對于S-N曲線的選取，已有大量的工程經(jīng)驗，可查詢相關(guān)規(guī)范選取合適的S-N曲線。

2 立管模型與環(huán)境載荷

2.1 立管參數(shù)

選取相同尺寸的緩波形鋼懸鏈立管和簡單鋼懸鏈立管進(jìn)行對比，具體參數(shù)見表1、2。

表1 緩波形鋼懸鏈立管參數(shù)

表2 簡單懸鏈線參數(shù)

2.2 平臺參數(shù)

在對緩波形立管性能的分析中，采用半潛平臺作為浮體，主要尺寸參數(shù)見表3。

2.3 強度分析環(huán)境參數(shù)

風(fēng)浪流參數(shù)見表4、表5。

2.4 疲勞分析環(huán)境參數(shù)

浪致疲勞分析的波浪統(tǒng)計參數(shù)見表6。

表3 半潛平臺主要參數(shù)

表4 波浪參數(shù)

表5 洋流極限流速 m/s

表6 長期波浪分布統(tǒng)計表

3 立管動態(tài)運動與強度分析

3.1 靜態(tài)分析

在對比分析緩波形與簡單鋼懸鏈立管的動態(tài)特性之前，先簡要分析其靜態(tài)特性。在OrcaFlex軟件中利用懸鏈線法計算得到了2種立管的靜態(tài)構(gòu)型、張力、彎曲和應(yīng)力特性曲線，見圖1。

可以發(fā)現(xiàn)緩波形立管通過在立管中部添加浮力材，實現(xiàn)中部的凸起，這與簡單懸鏈線立管顯著不同。通過對比有效張力，發(fā)現(xiàn)緩波形立管頂部張力比懸鏈線型小很多，這是由于緩波形立管的頂部只需支撐頂部到波谷段立管的濕重，因此，在由于水深、管徑等因素造成的立管頂部張力過大時，可采用緩波構(gòu)型以減小平臺的負(fù)荷。另外，立管彎矩與其曲率直接相關(guān)，相比懸鏈線構(gòu)型，緩波形立管彎矩更大，這與浮力材布置密切相關(guān)。緩波形立管的頂部最大等效應(yīng)力比懸鏈線構(gòu)型小，為198.97 MPa，而簡單懸鏈線立管最大等效應(yīng)力為211.02 MPa，由此可見，緩波構(gòu)型可以緩解立管頂部應(yīng)力節(jié)的應(yīng)力水平。

3.2 整體動態(tài)分析

在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上對緩波形鋼懸鏈立管與簡單鋼懸鏈立管進(jìn)行時域動態(tài)分析，得到立管有效張力、彎矩和等效應(yīng)力的最大值、最小值和平均值，見圖2～4。

對于緩波形立管，管線頂部的有效張力、彎矩和應(yīng)力水平都有顯著變化；浮力材部分運動幅值較大，該處由于浮力材的添加，所受流體力比較大，通過圖3和圖4可以看出，浮力材部分彎矩以及等效應(yīng)力變化比較劇烈；但緩波形立管觸地點位于沿管長2 340 m左右，觸地點的有效張力、彎矩以及等效應(yīng)力變化很小。

觸地點位于沿管長1 780 m左右，該處有效張力、彎矩和等效應(yīng)力變化劇烈，與緩波形立管形成鮮明對比，因此，緩波形鋼懸鏈立管能夠?qū)τ|地區(qū)域形成保護(hù)，使平臺運動對觸地區(qū)域的影響有所減小，同時減小立管頂部的動態(tài)載荷與應(yīng)力。

立管在平臺慢漂運動下不同位置處的構(gòu)型見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)在觸地點附近，緩波構(gòu)型的變化幅值比簡單懸鏈線型小很多，緩波構(gòu)型在平臺慢漂作用下可以產(chǎn)生一定程度的伸縮，使觸地點得到保護(hù)，對平臺慢漂的適應(yīng)性更好。

3.3 不同構(gòu)型立管的強度特性

對于緩波形鋼懸鏈立管，其浮力材的參數(shù)，主要包括浮力材段位置和長度對立管的整體性能具有一定的影響。

將緩波形立管第一段長度，即立管從平臺處至浮力材起始處的長度設(shè)為1 265 m、1 465 m和1 665 m，計算結(jié)果見圖6。

由圖6可見，隨著第一段立管長度的增加，立管頂部產(chǎn)生更大的有效張力；隨著浮力材位置降低，波形變緩，觸地點之前的懸鏈線變短，使得浮力材與第三段交接處的有效張力減小；波形變緩使得立管各處曲率減小，立管彎矩變小，而頂部彎矩變化不大。立管等效應(yīng)力的變化與有效張力和彎矩的變化緊密相關(guān)，在立管頂部到構(gòu)型波谷之前，浮力材位置的降低使應(yīng)力變大；在構(gòu)型波谷之后，波形變緩導(dǎo)致的彎矩減小，使得等效應(yīng)力隨之減小。

浮力材長度分別為350 m、455 m和550 m的動態(tài)響應(yīng)計算結(jié)果見圖7。

可以發(fā)現(xiàn)隨著浮力材長度的增加，使其懸跨段長度和跨距變長，構(gòu)型波峰位置升高，波形變大，波谷和觸地點處彎曲程度有所增強。立管的頂部張力隨浮力材段的長度的增加有所減小，并使浮力材段末端的有效張力增加，并且峰值后移。對于立管的彎矩和等效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)單純地增加浮力材的長度，不能改善其彎曲性能，對應(yīng)力極值的影響也較小，只是使波形更大，立管更長。

總之，通過調(diào)節(jié)浮力材的位置，能夠顯著改變立管頂部、浮力材段以及觸地點的強度水平；調(diào)節(jié)浮力材的長度能夠改變波形的大小，但對強度水平影響較小。

4 緩波形立管整體疲勞特性分析

4.1 緩波形與簡單懸鏈線形疲勞對比分析

緩波形鋼懸鏈立管與簡單懸鏈線立管的疲勞性能計算工況為模擬時間1 200 s。為了使結(jié)果更具可比性，立管的網(wǎng)格劃分盡量一致，在觸地點附近的網(wǎng)格密度相同，疲勞壽命分布見圖8。

緩波形鋼懸鏈立管的疲勞危險點主要位于立管頂部應(yīng)力節(jié)處、浮力材段和觸地點。簡單懸鏈線構(gòu)型的立管，其疲勞危險點是頂部應(yīng)力節(jié)處和觸地點處，并且觸地點的疲勞損傷尤為明顯。觸地點附近，簡單懸鏈線立管疲勞壽命為44.86年，緩波構(gòu)型立管疲勞壽命為388.65年，相比之下，緩波構(gòu)型的疲勞壽命是簡單懸鏈線構(gòu)型的將近9倍；在頂部應(yīng)力節(jié)附近，簡單懸鏈線構(gòu)型立管疲勞壽命為2 345.01年，緩波構(gòu)型疲勞壽命為3 355.09年，緩波構(gòu)型在頂部應(yīng)力節(jié)附近的疲勞性能也有很大提升?？梢姡彶?gòu)型大大減小了平臺運動對觸地點的影響，使得觸地點疲勞壽命大幅提升，同時頂部應(yīng)力節(jié)附近的疲勞性能提高。

4.2 緩波形鋼懸鏈立管疲勞損傷特性

對立管損傷影響最大的5個工況下的總體疲勞損傷和觸地點處的疲勞損傷見圖9。

由圖9a)可見，隨著有義波高的增加，船體運動對立管頂部造成的疲勞損傷越明顯，這是因為應(yīng)力節(jié)直接與船體相連，船體運動的劇烈程度對立管頂部的疲勞影響更加明顯。由圖9b)可見，有義波高為2.5 m的工況造成的觸地點疲勞損傷最大，在觸地點附近的20 m范圍內(nèi)，疲勞損傷極其明顯，而兩側(cè)疲勞損傷很小，如果該處的疲勞壽命仍然不滿足要求，可以采取局部加厚等方式提高疲勞性能。

5 結(jié)論

1)緩波形鋼懸鏈立管有4個應(yīng)力高點，分別為立管頂部應(yīng)力節(jié)下端，線性波谷、波峰和觸地點；疲勞危險點有3個，分別為立管頂部應(yīng)力節(jié)下端、浮力材段和觸地點。在緩波形鋼懸鏈立管設(shè)計時，需重點考慮這些危險點處的強度與疲勞，保證其在安全范圍以內(nèi)。

2)緩波形立管相對于簡單懸鏈線立管的優(yōu)勢具體體現(xiàn)在動態(tài)運動、受力及疲勞三方面。緩波形立管在對平臺運動以及慢漂具有更好的適應(yīng)性，但其側(cè)向位移較大，應(yīng)防止立管干涉的發(fā)生；并且其頂部張力和應(yīng)力較小，其頂部以及觸地點區(qū)域的疲勞性能得到顯著改善，具有更好的強度與疲勞安全性，可以更好地滿足工程與規(guī)范要求。

3)立管浮力材段的位置、長度對緩波形立管整體強度有不同程度的影響，在設(shè)計時應(yīng)謹(jǐn)慎選取。后續(xù)的工作可以針對更多的參數(shù)進(jìn)行強度與疲勞敏感性分析，并采取相應(yīng)的方法對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提升緩波形立管的安全性能，增加其工程適用范圍。

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