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(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于管道鋪設(shè)方面的研究主要集中在管道鋪設(shè)形態(tài)分析、管道與海床相互作用等方面,而且分析方法多以數(shù)值計(jì)算為主[1-3]。從已有的文獻(xiàn)來(lái)看,關(guān)于托管架與管道的動(dòng)力耦合作用方面的研究工作還很少。在實(shí)際管道鋪設(shè)過(guò)程中，受船體運(yùn)動(dòng)的影響，托管架與管道之間存在著很強(qiáng)的動(dòng)力耦合作用。數(shù)值方法在直接求解這種復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題上還存在一定挑戰(zhàn),無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)托管架結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況。隨著管徑和水深的增加,這種動(dòng)力耦合作用也會(huì)更加強(qiáng)烈,很可能造成管道的局部彎曲破壞或托管架結(jié)構(gòu)破壞。為此，提出一種混合實(shí)驗(yàn)方法,同時(shí)考慮船體運(yùn)動(dòng)與管道加載,在室內(nèi)模擬管道鋪設(shè)情況,研究管道與托管架之間的動(dòng)力耦合作用,并對(duì)托管架的基本設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 混合實(shí)驗(yàn)方法

海洋工程結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)分為兩大類(lèi):一類(lèi)是傳統(tǒng)水池試驗(yàn),主要用于測(cè)量浮體在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng);另一類(lèi)是結(jié)構(gòu)加載實(shí)驗(yàn),用于測(cè)量結(jié)構(gòu)物在確定性荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。傳統(tǒng)水池試驗(yàn)因受比尺條件限制而無(wú)法真實(shí)地模擬和測(cè)量托管架與管道之間的力學(xué)作用,而常規(guī)的結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)又因船體運(yùn)動(dòng)的不確定性而無(wú)法進(jìn)行加載。為解決上述問(wèn)題,提出一種能夠同時(shí)模擬鋪管船運(yùn)動(dòng)與管線(xiàn)加載的中大比尺混合實(shí)驗(yàn)方法。

1.1 船體運(yùn)動(dòng)模擬

鋪管船在海上航行時(shí),受到風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用,會(huì)產(chǎn)生6個(gè)自由度方向的船體運(yùn)動(dòng):橫蕩,縱蕩,垂蕩,橫搖,縱搖和艏搖，見(jiàn)圖1。

圖1 船體運(yùn)動(dòng)描述

鋪管作業(yè)時(shí),為了保證管道能沿著設(shè)計(jì)路徑鋪設(shè)到海底,鋪管船一般會(huì)采用錨泊定位或動(dòng)力定位的方式,對(duì)橫蕩、縱蕩和艏搖方向的船體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此,在實(shí)際管道鋪設(shè)過(guò)程中,只有橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)托管架和管道有動(dòng)力影響。

通過(guò)傳統(tǒng)水池試驗(yàn)或水動(dòng)力學(xué)分析軟件很容易得出鋪管船在不同來(lái)浪方向下的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。按照水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?或水動(dòng)力模型)與混合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨脐P(guān)系,將水池試驗(yàn)(或水動(dòng)力計(jì)算)的船體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比尺轉(zhuǎn)換,輸入到6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(見(jiàn)圖2),通過(guò)控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)船體運(yùn)動(dòng)的加載。

圖2 MG6-10/12EP 6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

1.2 托管架模型

托管架模型由主體結(jié)構(gòu)和一些關(guān)鍵部件組成:主體結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照1∶25的幾何比尺進(jìn)行建造,并選用與原型結(jié)構(gòu)相同的鋼材,以保證材料的彈性模量相同;托輥箱、A-Frame、Pup Piece 等關(guān)鍵部件按照與原型結(jié)構(gòu)相似的幾何尺寸和受力特征進(jìn)行建造,以保證較為真實(shí)地模擬鋪管過(guò)程中托管架的真實(shí)受力狀態(tài)。

通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)的量綱分析,以幾何比尺λl、時(shí)間比尺λt和質(zhì)量比尺λM為基本量,可以導(dǎo)出其它各物理量的相似表達(dá)式為

(1)

式中下角標(biāo)l、t、m、ρ、σ、u、v、a、g、F分別為長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量、密度、應(yīng)力、位移、速度、加速度、重力加速度與外力。

模型材料與原型相同,故λρ=1、λE=1;實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型處于相同重力場(chǎng),所以λg=1。研究托管架在船體運(yùn)動(dòng)與管道荷載共同作用下的力學(xué)行為時(shí),理論上應(yīng)保證模型與原型的彈性恢復(fù)力相似和重力相似,即同時(shí)滿(mǎn)足模型的Cauchy常數(shù)和Frounde常數(shù)與原型保持一致[4]。但由于模型與原型的材料相同,導(dǎo)致兩個(gè)相似條件不能同時(shí)成立?？紤]實(shí)際情況下，管道荷載為影響托管架與管道之間力學(xué)行為的主要因素,所有選擇保證慣性力與重力的相似關(guān)系,即要求模型的Frounde 常數(shù)必須與原型一致：

(2)

由式(1)和式(2)可進(jìn)一步導(dǎo)出下列相似關(guān)系

(3)

實(shí)驗(yàn)中各相關(guān)物理量的相似關(guān)系見(jiàn)表1。表中,l、E、σ、t、m、u、a、g、ω、F分別為長(zhǎng)度、彈性模量、應(yīng)力、時(shí)間、質(zhì)量、位移、加速度、重力加速度、圓頻率與外力。

表1 模型與原型物理量的相似關(guān)系

1.3 管道模型

依據(jù)S-LAY管道的形態(tài)特征,將實(shí)驗(yàn)中的管道模型分為兩部分處理。對(duì)于上彎段管道,采用外徑和彎曲剛度相似的原則進(jìn)行模擬,使管道荷載可以按照鋪管作業(yè)中的分布規(guī)律作用到托輥上,進(jìn)而傳遞到托管架結(jié)構(gòu)上;對(duì)于下彎段管道,由于并不與托輥直接接觸,所以實(shí)驗(yàn)采用截?cái)嗵幚淼姆椒╗5],利用斜面與配重塊(見(jiàn)圖3)來(lái)模擬下彎段管道,將管道在脫離位置處截?cái)?截?cái)帱c(diǎn)以后至海床部分的管道由一定重量的配重塊代替,管道在截?cái)辔恢玫膬A斜角度按照實(shí)際鋪設(shè)工況的管道脫離角度進(jìn)行模擬。

圖3 斜面與配重塊

將上述的托管架模型、管道模型與模擬鋪管船運(yùn)動(dòng)的6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組裝到一起,形成了完整的混合實(shí)驗(yàn)裝置，見(jiàn)圖4。

圖4 混合實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選擇全長(zhǎng)102 m的3節(jié)鉸接式托管架,其曲率半徑的可調(diào)節(jié)范圍為95～280 m,鋪設(shè)水深為50～3 000 m,可鋪設(shè)的管徑范圍為32.386～1 524 mm(12.75～60.00 in),配有13對(duì)托輥。

選取“海洋石油201”作為與之配套的鋪管船,船上張緊器的最大張緊力為5 000 kN,極限鋪設(shè)工況為水深3 000 m，鋪設(shè)管道的管徑為32.386 mm(12.75 in)。

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

1)靜力實(shí)驗(yàn)。靜力實(shí)驗(yàn)是在托管架只承受自重和管道荷載作用下的模型試驗(yàn),不考慮船體運(yùn)動(dòng)對(duì)于托管架、管道的動(dòng)力作用。

2)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。動(dòng)力試驗(yàn)是托管架在自重、管道荷載以及船體運(yùn)動(dòng)共同作用下的模型試驗(yàn)。由于鋪管船在不同的來(lái)浪作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有所差別,所以動(dòng)力實(shí)驗(yàn)選取150°、165°、180°具有代表性的來(lái)浪方向作為動(dòng)力實(shí)驗(yàn)工況。通過(guò)水池實(shí)驗(yàn)很容易地得到鋪管船在這3個(gè)來(lái)浪方向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),通過(guò)比尺轉(zhuǎn)換輸入到6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),作為動(dòng)力試驗(yàn)的船體運(yùn)動(dòng)荷載。

2.2 傳感器布置方案

模型實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量了托輥荷載、張緊器拉力和A-frame 鋼纜拉力等力學(xué)信息,具體的傳感器選取與布置情況見(jiàn)圖5。

圖5 傳感器布置方案

1)托輥荷載。在托管架模型的13對(duì)托輥位置處安裝了壓力傳感器,以測(cè)量管道鋪設(shè)過(guò)程中管道與托管架之間的相互作用力。

2)張緊力。在管道模型與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的連接位置處安裝了拉力傳感器,以測(cè)量管道鋪設(shè)過(guò)程中張緊力的大小及其變化情況。

3)A-frame拉力。在A-frame懸吊系統(tǒng)的鋼纜上安裝了拉力傳感器,以測(cè)量鋼纜上的拉力變化情況。

4)管道脫離位置處的張力。在管道截?cái)辔恢锰幇惭b了拉力傳感器,以測(cè)量脫離位置處管道內(nèi)的張力。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)托輥荷載。托輥荷載的變化情況直接反映了在船體運(yùn)動(dòng)影響下的管道與托管架之間的動(dòng)力耦合作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了3種不同方向來(lái)浪作用下的13對(duì)托輥荷載的變化情況,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照力的相似關(guān)系進(jìn)行了比尺變換。

圖6～8給出了托管架各節(jié)中間位置托輥荷載的動(dòng)力與靜力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 托管架第一節(jié)中間托輥的托輥荷載

圖7 托管架第二節(jié)中間托輥的托輥荷載

圖8 托管架第三節(jié)中間托輥的托輥荷載

很容易看出,前5 s由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)剛開(kāi)始啟動(dòng),平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅值還比較小,所以動(dòng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)得的托輥荷載接近于靜力實(shí)驗(yàn)測(cè)得的托輥荷載,動(dòng)力縮放效應(yīng)并不明顯;當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)一段時(shí)間以后,托輥荷載的動(dòng)力縮放效應(yīng)變得很明顯,動(dòng)力荷載圍繞靜力荷載上下波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：受船體運(yùn)動(dòng)的影響,托輥動(dòng)力荷載要比靜力荷載增大了20%～30%。

2)鋪設(shè)能力驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量管道所需的張緊力(見(jiàn)圖9)、A-Frame拉力(見(jiàn)圖10)及管道相對(duì)托管架的脫離位置,從而驗(yàn)證托管架的長(zhǎng)度、曲率等參數(shù)及張緊器能力是否滿(mǎn)足極限鋪設(shè)要求。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，受船體運(yùn)動(dòng)的影響,管道鋪設(shè)過(guò)程中所需提供的最大張緊力為4 500 kN,未超出張緊器的能力極限。另外，A-Frame懸吊系統(tǒng)有效地分擔(dān)了管道荷載，提高了托管架結(jié)構(gòu)的縱向承載能力,管道模型在與最后一對(duì)托輥發(fā)生接觸以前就已脫離托管架模型,這也證明了托管架的長(zhǎng)度和曲率等設(shè)計(jì)參數(shù)滿(mǎn)足極限鋪設(shè)工況要求。

圖9 張緊力變化情況

圖10 A-FRAME鋼纜拉力變化情況

3 結(jié)論

本文所述的混合實(shí)驗(yàn)方法能夠較為真實(shí)地模擬和測(cè)量鋪管船運(yùn)動(dòng)及管線(xiàn)加載對(duì)于托管架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合作用,彌補(bǔ)了數(shù)值方法在處理該問(wèn)題上的一些不足。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),一方面證明了鋪管船運(yùn)動(dòng)對(duì)于托輥荷載、A-Frame鋼纜拉力及張緊力有明顯的動(dòng)力縮放效應(yīng),在設(shè)計(jì)和分析托管架結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮這部分動(dòng)力效應(yīng)可能引發(fā)的結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題;另一方面也通過(guò)混合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了托管架的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠滿(mǎn)足極限鋪設(shè)工況的設(shè)計(jì)要求。

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