付云雷，朱霄霄，陳 帥，劉 然

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249; 2. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100020 )

在浮式平臺(tái)中，輸油立管是海洋石油開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵裝備，鋼懸鏈線立管(steel catenary riser，簡(jiǎn)稱SCR)是一種用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)與水面生產(chǎn)設(shè)施連接的輸油立管，具有成本低、無(wú)需張力補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因其較好的適應(yīng)性而得到廣泛應(yīng)用[1-2]。常見(jiàn)的簡(jiǎn)單懸鏈線立管的形態(tài)如圖1所示。鋼懸鏈線立管隨浮體的周期性升沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致立管的觸底區(qū)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的疲勞破壞問(wèn)題。在對(duì)深海立管的維護(hù)作業(yè)中，清管作業(yè)是一項(xiàng)最基本且最為重要的管道維護(hù)手段[3]。目前對(duì)于懸鏈線立管觸底區(qū)的研究主要建立在模型試驗(yàn)和軟件模擬的基礎(chǔ)上。然而清管過(guò)程對(duì)立管觸底區(qū)的力學(xué)響應(yīng)與位移變化規(guī)律影響的研究則較為少見(jiàn)，亟待相關(guān)理論的指導(dǎo)和參考。

Bridge等[4-5]在深海環(huán)境鋼立管工業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)計(jì)劃 (STRIDE JIP) 中進(jìn)行了全尺度的三維管—土相互作用試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得出了土體吸力、加載速度都會(huì)影響流體、立管和土體的相互作用的結(jié)論，并提出了土體沉降的機(jī)理。Hodder等[6]在水槽中對(duì)管—土相互作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，模型管采用低剛度大直徑 PVC管，在頂端施加位移，考察觸底區(qū)彎矩隨頂端位移的變化規(guī)律以及循環(huán)加載時(shí)管道的整體變形。Clukey等[7]對(duì)土體響應(yīng)及剛度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，研究了循環(huán)加載下土壤剛度的衰減。王懿等[8]建立了一套簡(jiǎn)便易行的管—土相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了軟黏土條件下新的骨干曲線和吸附力預(yù)測(cè)模型。Wang等[9]開(kāi)展了室內(nèi)大比尺模型試驗(yàn)，圍繞二維管—土相互作用，研究觸底區(qū)的埋置深度對(duì)管內(nèi)應(yīng)力的影響。白興蘭等[10-11]設(shè)計(jì)了一套三維管—土相互作用的試驗(yàn)裝置，能夠?yàn)樯钏搼益溇€立管觸底區(qū)管—土相互作用的試驗(yàn)研究提供參考。李偉等[12]在波流水槽內(nèi)開(kāi)展了管—土相互作用試驗(yàn)，研究了在不同流速阻尼和海床剛度下模型管觸底區(qū)的彎矩和加速度等響應(yīng)。毛海英等[13]運(yùn)用ABAQUS軟件考慮海床土體豎向非線性、溝槽側(cè)向作用力和溝槽回填土的影響，建立了SCR與海床土體的有限元模型，進(jìn)行了立管整體動(dòng)力響應(yīng)分析。常爽等[14]基于動(dòng)力分析程序CABLE3D通過(guò)算例分析了浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值、海床土剪切強(qiáng)度及梯度對(duì)SCR觸底點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)和疲勞損失影響。李凱等[15]基于3種典型管—土作用類型，通過(guò)數(shù)值模擬研究觸底區(qū)管道的豎向運(yùn)動(dòng)過(guò)程并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。上述模型試驗(yàn)均沒(méi)有考慮到清管器在清管作業(yè)過(guò)程中對(duì)鋼懸鏈線立管造成的影響，不能為清管作業(yè)下鋼懸鏈線立管的力學(xué)響應(yīng)與位移變化規(guī)律的研究提供理論支持和參考。

因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種用于鋼懸鏈線立管清管過(guò)程分析的試驗(yàn)裝置，以觸底區(qū)的管道為研究對(duì)象，通過(guò)控制滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)浮動(dòng)邊界進(jìn)行模擬，試驗(yàn)條件較容易滿足。借助該試驗(yàn)裝置研究了管道上若干測(cè)點(diǎn)的位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并結(jié)合軟件ABAQUS的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種用于模擬鋼懸鏈線立管在浮動(dòng)邊界條件下清管行為的簡(jiǎn)易測(cè)試試驗(yàn)裝置，如圖2所示。

圖1 鋼懸鏈線立管結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic diagram of the steel catenary riser structure

圖2 試驗(yàn)裝置Fig. 2 Experimental facility

該試驗(yàn)裝置主要包括4個(gè)部分，即二維加載裝置、縮比模型管道、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、高速攝像機(jī)。借助該試驗(yàn)裝置可進(jìn)行無(wú)水試驗(yàn)。

二維加載裝置包括水平和豎直兩個(gè)方向上的伺服運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)，如圖2所示。加載系統(tǒng)可以在滑臺(tái)控制箱的可視化屏幕中分別設(shè)置有關(guān)兩個(gè)方向的振幅與周期參數(shù)，以此用來(lái)加載試驗(yàn)中所需要的立管懸掛端的位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律。模型管道與加載裝置連接方式為鉸接連接。在模型管道的頂部安裝拉力傳感器，用來(lái)記錄頂部張力。立管底部與選定好的試驗(yàn)材料泡棉板相互接觸，模擬立管與海床的接觸作用。試驗(yàn)中準(zhǔn)備的高速攝像機(jī)可以通過(guò)選擇不同幀數(shù)來(lái)調(diào)整視頻錄制的清晰度，記錄管道上測(cè)點(diǎn)的位移變化情況，如圖3所示。

圖3 高速攝像機(jī)測(cè)量管道位移裝置Fig. 3 Pictures of the measurement of pipe displacement with high-speed camera

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

以一條長(zhǎng)度為1 200 m的鋼懸鏈線立管為研究對(duì)象，研究水深為850 m。首先在軟件ABAQUS中建立整個(gè)鋼懸鏈線立管模型并進(jìn)行仿真計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)選取位于觸底段的980～1 200 m管道為對(duì)象，研究其在海洋載荷和浮式平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)下的位移變化規(guī)律。參照已有幾何、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力相似原則[16]，對(duì)試驗(yàn)管道進(jìn)行嚴(yán)格的縮比計(jì)算，得到如表1所示的模型管道的主要物理參數(shù)，并且根據(jù)縮比計(jì)算中楊氏模量計(jì)算結(jié)果來(lái)確定試驗(yàn)中選擇尼龍管模擬鋼懸鏈線立管，管道外徑8 mm，內(nèi)徑6 mm，楊氏模量為8.3 GPa，密度為1 600 kg/m3。

表1 試驗(yàn)管道物理參數(shù)Tab. 1 Experimental physical parameters of SCR

試驗(yàn)中選擇的縮比尺λ為24.1。由于波浪、洋流和浮式平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)主要影響鋼懸鏈線立管的頂部和中部，對(duì)立管的觸底區(qū)影響很小，因此開(kāi)展無(wú)水試驗(yàn)。試驗(yàn)中所選擇的立管在幾何尺寸、質(zhì)量、抗彎剛度、軸向剛度上都基本達(dá)到縮比模型的要求。對(duì)于管道觸底區(qū)與管道相接觸的海床的剛度，不需要進(jìn)行縮比處理，試驗(yàn)所選泡棉板剛度經(jīng)測(cè)試為200 kPa，與數(shù)值模擬中海床剛度一致。由于試驗(yàn)中模擬清管器的試驗(yàn)材料選取要受到其自身質(zhì)量和管道尺寸等因素的限制，同時(shí)無(wú)法在直徑如此小的管道中控制清管器的運(yùn)行規(guī)律，因此綜合以上考慮，試驗(yàn)中選擇兩個(gè)相同尺寸的空心半圓柱體不銹鋼拼接在一起并黏接在試驗(yàn)管道外壁上用來(lái)模擬清管載荷。此外，立管中的清管器在進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)，其對(duì)立管的影響主要來(lái)源于清管器本身的重力載荷以及清管器對(duì)管道的沖擊載荷。重力載荷施加方便，而對(duì)于沖擊載荷的具體量，目前在相關(guān)領(lǐng)域的研究中仍不能用量化公式或理論進(jìn)行確定，因此試驗(yàn)中將清管器對(duì)管道的沖擊載荷等效的轉(zhuǎn)化為清管器的附加重力載荷，將原本在管道中運(yùn)動(dòng)的清管載荷等效為在管道相應(yīng)位置處?kù)o止的清管載荷。清管器配重的選型如表2所示。其中試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原模型之間滿足一定的縮比關(guān)系，即λ3。

表2 試驗(yàn)中用到的清管器類型Tab. 2 Type of pigs used in the experiment

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

二維加載裝置由滑臺(tái)控制箱內(nèi)的可編輯邏輯控制器(PLC)及驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。在控制模塊中，二維加載裝置可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，既能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的獨(dú)立控制，也能實(shí)現(xiàn)雙軸正弦式動(dòng)態(tài)控制。在數(shù)據(jù)采集模塊中，通過(guò)高速攝像機(jī)配套的軟件實(shí)現(xiàn)視頻的采集與處理，如圖4所示。試驗(yàn)中管道上的測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。在軟件中對(duì)高速攝像機(jī)拍攝得到的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的位移運(yùn)動(dòng)視頻進(jìn)行處理，進(jìn)而獲取每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中每組視頻的錄制時(shí)間在16 s左右，約為滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的10個(gè)周期。

圖4 高速攝像機(jī)視頻軟件界面Fig. 4 High-speed camera video software interface

圖5 試驗(yàn)管道位移測(cè)點(diǎn)示意Fig. 5 Schematic diagram of points for displacement measurement

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)裝置可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行裕紫葘?duì)拉力傳感器采集到的拉力數(shù)據(jù)和高速攝像機(jī)采集到的管道測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將有限元軟件中真實(shí)尺寸模型的仿真結(jié)果進(jìn)行縮比后同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，拉力數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖6所示，測(cè)點(diǎn)1 040的位移數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)在頂部拉力以及管道測(cè)點(diǎn)在X與Y兩個(gè)方向的位移時(shí)程方面都表現(xiàn)出較好的吻合性。由此驗(yàn)證了模型試驗(yàn)裝置的有效性和可靠性。

圖6 傳感器拉力測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較Fig. 6 Comparison of measurement results with numerical simulation results for tension sensor

圖7 測(cè)點(diǎn)1 040在兩個(gè)方向上位移時(shí)程的比較Fig. 7 Comparison of displacement time history of the measuring point 1 040 in X and Y directions

2.2 同一測(cè)點(diǎn)施加不同清管器載荷時(shí)的位移變化規(guī)律

在驗(yàn)證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行缘幕A(chǔ)上，分別從以下方面研究清管載荷對(duì)立管觸底段的位移變化的影響規(guī)律。

試驗(yàn)中選取管道上節(jié)點(diǎn)序號(hào)分別為1 040、1 080和1 120的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量這3個(gè)測(cè)點(diǎn)在施加不同清管載荷的條件下X向與Y向的位移時(shí)程曲線，并選取試驗(yàn)結(jié)果中的一個(gè)完整周期(以被測(cè)點(diǎn)從初始位置運(yùn)動(dòng)至極限位置再運(yùn)動(dòng)回初始位置為一個(gè)周期，時(shí)間為1.63 s)，分別如圖8、圖9所示。

圖8表示不同清管載荷作用下，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的X向位移在一個(gè)周期內(nèi)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著清管器質(zhì)量的增加，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的X向位移均在小范圍內(nèi)波動(dòng)，沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于3個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，Y向位移隨著清管器質(zhì)量的增加基本上也沒(méi)有出現(xiàn)變化。對(duì)比圖8和圖9可知，清管載荷的變化對(duì)于立管觸底段的X向和Y向位移影響均不明顯。

圖8 清管載荷對(duì)管道不同測(cè)點(diǎn)的X向位移的影響Fig. 8 Influences of pigging load on displacement in X-direction of different measuring points of the riser

圖9 清管載荷對(duì)管道不同測(cè)點(diǎn)的Y向位移的影響Fig. 9 Influences of pigging load on displacement in Y-direction of different measuring points of the riser

為了進(jìn)一步研究清管載荷的大小對(duì)立管X向和Y向位移的影響，分別提取不同清管載荷作用下X向位移與Y向位移的極大值并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖10所示。由圖10中擬合曲線走勢(shì)可知，對(duì)于X向位移，測(cè)點(diǎn)1 040和測(cè)點(diǎn)1 120的位移極大值表現(xiàn)為一種隨著清管器質(zhì)量的增加而緩慢衰減的趨勢(shì)，而測(cè)點(diǎn)1 080的位移則基本保持不變；對(duì)于Y向位移，僅測(cè)點(diǎn)1 040呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)，而測(cè)點(diǎn)1 080和測(cè)點(diǎn)1 120則基本保持不變。因此可得到如下結(jié)論：清管器載荷的變化對(duì)立管觸底區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)在X向和Y向的位移幾乎沒(méi)有影響。

圖10 管道不同測(cè)點(diǎn)處位移隨清管器質(zhì)量的變化Fig. 10 Variation of the displacement at different measuring points of the riser with the mass of pigs

2.3 不同測(cè)點(diǎn)施加同一清管器載荷時(shí)的位移變化規(guī)律

類似的，探究同一種清管器在通過(guò)管道不同測(cè)點(diǎn)時(shí)對(duì)該處位移的影響規(guī)律。對(duì)于管徑為0.168 4 m的管道，適用的清管器質(zhì)量的范圍為50～100 kg，考慮清管器經(jīng)過(guò)管道時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷為清管器質(zhì)量的2～10倍，選取500 kg清管器載荷進(jìn)行研究，仍選取試驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)完整周期進(jìn)行分析，如圖11所示。

圖11 同一清管載荷對(duì)管道不同測(cè)點(diǎn)位移變化的影響Fig. 11 Influences of the same pigging load on the displacement of different measuring points of the riser

圖11表示在500 kg的清管器載荷情況下，清管器分別通過(guò)管道的3個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)在X向與Y向的位移變化規(guī)律。通過(guò)比較圖中不同曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著立管上測(cè)點(diǎn)所在位置所處水深的增加，X向和Y向位移均呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明在清管載荷下隨著立管所處位置的海洋深度的增加，其X向和Y向的位移均會(huì)逐漸減小，并且可以觀察到這3個(gè)等間距分布測(cè)點(diǎn)的位移極大值衰減并不相同，測(cè)點(diǎn)越靠后，位移極大值衰減的量越大。這是因?yàn)閷?duì)鋼懸鏈線立管兩端施加了鉸接的邊界條件，在對(duì)立管的懸掛端施加水平和豎直方向的正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于鋼懸鏈線的特殊幾何形狀，越靠近觸底點(diǎn)，被測(cè)點(diǎn)所處位置的曲率越大，立管上間隔等距離的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移極大值的差值就會(huì)隨著測(cè)點(diǎn)靠近觸底點(diǎn)而增大。為了較為直觀地比較不同測(cè)點(diǎn)位移的極大值，提取圖11中X向和Y向的位移極大值，如表3所示。

表3 500 kg清管載荷作用下各測(cè)點(diǎn)X向和Y向位移極大值Tab. 3 The maximum value of displacement of the measuring points X- and Y-direction under the 500 kg-pigging load

2.4 同一清管器經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)1 040的前后過(guò)程中測(cè)點(diǎn)1 040的位移變化規(guī)律

為了研究清管器在通過(guò)某一段長(zhǎng)度的管道過(guò)程中某一位置處的位移變化規(guī)律，試驗(yàn)中選擇所研究的管道段為測(cè)點(diǎn)1 000～1 080，同時(shí)選擇所要研究的測(cè)點(diǎn)為1 040。選擇管道上施加清管器的位置依次為測(cè)點(diǎn)1 000、1 020、1 030、1 040、1 050、1 060和1 080共七個(gè)點(diǎn)并以500 kg清管器載荷為例。記錄清管器在通過(guò)每個(gè)位置時(shí)測(cè)點(diǎn)1 040在X向與Y向的位移時(shí)程曲線。選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)中各個(gè)周期位移變化的平均值，如圖12所示。

圖12 清管器通過(guò)測(cè)點(diǎn)1 040的過(guò)程中該處位移的變化規(guī)律Fig. 12 Variation of the displacement of measuring the point 1 040 during the pigging process

觀察圖12可以發(fā)現(xiàn)，在清管器逐漸接近測(cè)點(diǎn)1 040到逐漸遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)1 040的過(guò)程中，其X向位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。其中，在清管器從測(cè)點(diǎn)1 000運(yùn)動(dòng)至測(cè)點(diǎn)1040的過(guò)程中，X向位移最多有4.94%的小幅上升，而在清管器從測(cè)點(diǎn)1 040運(yùn)行至測(cè)點(diǎn)1 080的過(guò)程中，X向位移出現(xiàn)22.8%的顯著衰減。對(duì)于Y向位移，在清管器未經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)1 040時(shí)，Y向位移的變化范圍均在1%以內(nèi)。而當(dāng)清管器通過(guò)測(cè)點(diǎn)1 040時(shí)，Y向位移相比于其他六點(diǎn)的平均值出現(xiàn)了4.35%的減小情況。在經(jīng)過(guò)了重復(fù)性數(shù)據(jù)驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)清管載荷在通過(guò)測(cè)點(diǎn)1 040的過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)1 040處的X、Y向位移表現(xiàn)出的變化規(guī)律與圖12表現(xiàn)出的變化規(guī)律始終相同，由此可以得出結(jié)論：在清管器通過(guò)立管某一位置的前后過(guò)程中，清管載荷會(huì)使得該處的X向位移變化產(chǎn)生先增大后減小的趨勢(shì)。而對(duì)于該處的Y向位移的影響則表現(xiàn)為僅在清管器通過(guò)該處時(shí)Y向位移會(huì)有明顯的減小。此外，相同情況下清管載荷對(duì)立管的X向位移的影響范圍更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

在鋼懸鏈線立管清管模型試驗(yàn)中，借助高速攝像機(jī)采集立管觸底段上若干測(cè)點(diǎn)的位移變化數(shù)據(jù)并從不同角度挖掘位移變化的規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1) 相同條件下，對(duì)立管同一位置施加不同的清管載荷，清管器載荷的變化對(duì)立管觸底區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)在X向和Y向的位移幾乎沒(méi)有影響；在對(duì)立管不同位置施加同一清管載荷時(shí)，隨著立管所處位置的海洋深度的增加，其X向和Y向的位移均會(huì)逐漸減小。

2) 在清管器通過(guò)立管某一位置的前后過(guò)程中，清管載荷會(huì)使得該處的X向位移變化產(chǎn)生先增大后減小的趨勢(shì)。對(duì)于該處的Y向位移的影響則表現(xiàn)為：僅在清管器通過(guò)該處時(shí)Y向位移會(huì)出現(xiàn)減小。此外，相同情況下清管載荷對(duì)立管的X向位移的影響范圍更大。

3) 以高速攝像機(jī)作為測(cè)試手段，有效的觀測(cè)到了鋼懸鏈線立管縮比模型在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移，在未來(lái)進(jìn)一步的研究中，如果對(duì)被觀測(cè)模型使用雙攝像頭組成三維光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)，則可以獲得更高的觀測(cè)精度。同時(shí)，由于篇幅限制，對(duì)于清管器對(duì)立管觸底段的應(yīng)力影響將在后續(xù)的文章中進(jìn)行細(xì)致闡述。