姚 銳，白興蘭，謝永和

(1.浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022;2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山 316022)

在深海油氣田開發(fā)中，鋼懸鏈線立管(steel catenary riser，SCR)由于良好的適應性和成本低廉而得到了廣泛應用，成為深海油氣田開發(fā)的首選立管形式［1］。SCR 由懸垂段和海底流線段組成，其結構示意如圖1所示，兩者都是由鋼管焊接而成的整體管線，懸垂段和海底流線段的分界點是觸地點(TDP)，懸垂段懸浮于海中，主要承受波浪、流等外荷載。流線段與海床接觸，在海洋環(huán)境荷載和浮體運動作用下，流線段與海床反復相互作用，易導致立管觸地點區(qū)域疲勞破壞。而管土相互作用機理研究，依賴于一系列參數，如海床土的剛度、海底溝槽尺寸、立管應力、彎矩、位移變化等。由于立管觸地點力學模型的不確定性，模型試驗是探究該問題的有效途徑。通常學者將土體的作用模擬為一系列彈簧，如圖2 所示，包括線性或非線性，SCR 與海床接觸模型為彈簧支撐模型。

圖1 SCR 結構示意Fig.1 Schematic view of SCR elevation

圖2 SCR 觸地區(qū)原理Fig.2 Schematic diagram of SCR touchdown zone

模型試驗方面，大致分兩大類:全尺模型試驗和縮尺模型試驗。其中最具代表性的全尺模型試驗，是由美國、英國、挪威和巴西等國發(fā)起的聯合工業(yè)計劃STRIDE JIP［2-3］開展的，該試驗在英國的一個港口歷時三個多月完成，通過可編程控制程序(PLC)模擬立管在正常工況下所受到環(huán)境載荷和浮體運動，對立管的受力狀態(tài)和管土作用問題進行了系統(tǒng)分析。試驗結果表明，在SCR 與海床的相互作用過程中，在海床上形成溝槽，對立管的橫向運動有較大的影響。特別是SCR 處于張緊狀態(tài)時，溝槽阻力會造成立管局部應力增大。STRIDE JIP 的全尺寸模擬試驗為研究SCR 管-土相互作用的機理提供了許多有價值的資料，有許多相關試驗也是在此基礎上完成的。然而，JIP 試驗只模擬了管-土相互作用機理的一部分，如在STRIDE 試驗中沒有模擬橫向運動，僅研究了管-土觸地點區(qū)域內二維空間的基本響應，目的是為了驗證物理模型之間的相互作用。該試驗耗資巨大，而且無法研究SCR 觸地點區(qū)域的力學細節(jié)，一些影響因素不能直觀地反映對立管疲勞壽命的影響程度，對SCR 的設計有一定的局限性。鑒于此，國外學者也開展了大量的室內縮尺模型試驗。具有代表性CARISIMA JIP 在實驗室內開展的模型試驗［4］，該試驗的主要目的是得到管土作用的力學模型，使用該模型可以在現有的軟件中對立管的多種屬性進行全面分析，同時預測土體水平和垂向抗力，以上預測量對進一步提高該區(qū)域立管的局部應力和疲勞壽命的預測精度有很大幫助。Bradley 等人［5-6］使用土工離心機進行了管土作用試驗，該試驗對模型管道施加垂向和縱向運動，試驗結果證明溝槽的幾何尺寸對立管所受到的彎矩以及軸向疲勞應力有很明顯的影響，隨著溝槽的加深，疲勞應力在減小，但該試驗僅模擬了立管兩個方向的運動，不能真實反映立管的運動情況。Hu 等［7］用離心模擬試驗來模擬海底土壤中一定長度立管的往復垂向運動，試驗結果顯示，在往復運動的過程中，土壤的強度明顯的退化，以及隨著立管運動次數的增加超靜孔隙水壓力逐漸減小。但是，該試驗沒有考慮橫向土壓的影響。國內學者關于管土相互作用的模擬試驗研究較少，王懿［8］設計一套可分別模擬垂向和橫向管-土相互作用的試驗系統(tǒng)，采用大直徑鋼管作為模型管，但沒有考慮兩個方向同時運動時立管與土相互作用的情況，與實際的工程有較大差別。李偉等［9］在波流水槽內開展了管土相互作用試驗，研究了在不同流速阻尼和海床剛度下模型管觸地區(qū)的彎矩和加速度等響應，主要考慮垂向運動，目前公開發(fā)表的結果很少。

通過設計一套簡單易行的三維管土相互作用試驗系統(tǒng)，來模擬SCR 流線段與海床的相互作用，研究立管特別是觸地區(qū)的應力狀態(tài)。試驗土壤選取舟山海域的飽和軟粘土，通過對運動軌道的設計，實現了對管土相互作用的三維試驗研究，應用驅動器在模型管端部分別施加三維運動、二維運動和一維運動，研究激勵運動對立管縱向應力的影響。通過對試驗結果分析，可知:土的滯回特性對立管應力有一定的影響，除了驅動端之后，觸地點位置的應力最大，該試驗為將要進行的SCR 與海床相互作用的大尺寸模擬試驗提供重要參考，同時可以為SCR 的結構設計和疲勞分析提供參考和依據。

1 試驗準備

1.1 試驗水箱、土壤

該水槽為1.2 m×1 m×1 m 長方形水箱(如圖3 所示)，水箱四周是用10 mm 厚的有機玻璃圍成，用于觀察試驗過程中土體的變化，使用密封膠密封主體與有機玻璃板和鋼板間縫隙，主體框架下裝有滑輪，便于水箱移動，在滾輪處安裝有制動卡，保證試驗過程中水箱保持靜止。試驗土壤選取舟山海域軟粘土，為了模擬海底深水飽和土壤，采用水沉法制作土壤，在土壤制作過程中，保持土壤深度30 cm，液面高度3 cm，試驗之前，土壤放置大約15 天。在第一次試驗開始之前，使用土壤貫入儀(如圖4 所示)，測量不同土壤深度的灌入阻力，同一深度，選取4 個測量點，取4 個測量點測量值的平均值作為該深度的貫入阻力，繪制土體貫入阻力圖，如圖5 所示。

圖3 試驗水箱Fig.3 Test flume

圖4 土壤貫入儀Fig.4 Soil penetrometer

圖5 貫入阻力Fig.5 Penetration resistance

圖6 驅動設備和運動軌道Fig.6 Actuated equipments and tracks of motion

1.2 驅動設備

驅動設備安裝在水箱的一端，這套設備可以通過連桿給立管末端施加指定的位移，各個方向運動如圖6所示，即Y 軸向指垂向運動、X 軸向指橫向運動、Z 軸向指縱向運動。通過該設備的控制系統(tǒng)，可以為立管施加勻速和周期運動。該設備在X，Z 軸方向由步進電機驅動，由于施加垂向運動需要克服滑道自重，因此Y軸方向由功率較大的伺服電機驅動。

1.3 模型立管與測量儀器

模型立管選用長700 mm，外徑16 mm，壁厚1 mm 的PVC 管，立管兩端通過轉接彎頭與驅動端以及固定端桿件相連接，立管固定端如圖7 所示，受試驗條件限制，模型立管的尺寸沒有嚴格按照縮尺比選取。

沿立管模型長度方向布置10 個120 歐姆的應變片，貼好后的應變片用聚四氟乙烯薄膜裹住，避免試驗過程中應變片觸水。應變片布置位置如圖8 所示，由于試驗模擬的立管僅是截斷點之后的一部分，如圖1 所示，選取懸鏈線立管距離觸地點之前不遠處的一點為截斷點，即在該點處施加位移，該點即為驅動端，在驅動端和觸地點附近布置的應變片較密，在流線段，即立管后部，應變片布置較疏。應變片采用1/4 橋路的連接方法與動態(tài)應變儀連接，試驗過程中所采集的全部應力數據，以50 Hz 的頻率記錄。

圖7 固定端Fig.7 Fixed end

圖8 應變片布置示意Fig.8 Schematic diagram of strain gauges

1.4 激勵運動

激勵運動共28 組，分別對立管施加一維、二維耦合與三維運動。每組運動均為周期運動，由于驅動器自身條件的限制，各組運動沒有嚴格按照縮尺比選取，各組運動中，水平面內的橫向、縱向運動即沿X，Z 軸的運動，由步進電機驅動，其振幅為10 mm;垂向運動即沿Y 軸的運動，由伺服電機驅動，其振幅為50 mm，運動周期T 分別為16、8、4、2 s，運動時間都是300 個周期，如表1 所示。

表1 激勵運動Tab.1 Motion detail

2 試驗結果分析

選取第1 至第200 周期之間的數據作為研究對象，選取200 個運動周期內各個測量點處不同周期的最大值，并求得各個測量點處200 個最大值的平均值，繪制如圖9 ～10 所示的圖形，其中橫軸表示模型管長度方向的節(jié)點位置，豎軸表示模型管節(jié)點軸向應力大小。

2.1 相同運動類型下模型管軸向應力對比

從圖9 的對比可以看出:

1)在同一類運動中，隨著運動周期的減小，即隨著運動頻率的增大，從立管前端(驅動端)到立管中段的軸向應力的幅值逐漸減小;立管后半段由于土滯回作用的影響較大，運動周期的改變對軸向應力的變化影響較小。

2)三維運動下，模型管的節(jié)點a 處應力最大，在立管驅動端最近，符合實際情況，由于反復運動導致土溝槽的形成，土剛度退化，應力減少，隨著溝槽消失，應力有所增加，最后趨于穩(wěn)定。

3)垂向運動下以節(jié)點a、e 處應力最大，這是由于在單獨垂向運動時，試驗土中形成的溝槽位于a-e 點之間，管土的反復作用將導致土體剛度退化，土吸力在一定程度上將使管的軸向應力減小。

4)圖9(c)施加橫向－垂向運動，可知:模型管a 節(jié)點處應力較小，而e 節(jié)點應力大增，這樣符合在溝槽形成之后，管的側向運動將使管受到溝槽的側向阻力，局部應力增大;圖9(d)是縱向－垂向運動，相對于單獨垂向運動，立管的應力狀態(tài)變化不大，主要體現在a 節(jié)點應力增大，縱向運動也會增大溝槽的幾何尺寸，使得土剛度退化更明顯，立管的應力變化更明顯。

5)整體來看，與單向運動相比，立管發(fā)生耦合運動時，所受應力明顯增大，如垂向運動的二維耦合，立管所受到的應力比三個方向同時運動時所受應力偏大，三個方向同時運動，相互之間會有所抵消。

圖9 不同運動下模型管軸向應力幅值Fig.9 Axial stress amplitudes of some motions

圖10 兩種運動周期下軸向應力幅值Fig.10 Axial stress amplitude

2.2 相同周期下模型管軸向應力對比

從圖10 的對比可以看出:

1)運動周期相同(T=8 s，T=4 s)，在不考慮耦合作用的情況下，X，Y，Z 軸向(橫向、垂向、縱向)的單獨運動激勵下，垂向運動對立管縱向應力影響最大，橫向的運動對其影響較小。這也是在管土相互作用試驗中，大部分研究主要圍繞浮體的垂向運動對立管的影響展開研究的原因。

2)水平面內的運動對模型管應力狀態(tài)的影響比較小，如10、11、14、15、18、19、22、23 號運動下的應力曲線，在低應力下基本保持穩(wěn)定。這說明單獨的水平面內運動會改變模型管的位移，但對應力狀態(tài)影響不大。

3)模型管的軸向應力隨施加運動周期的減小而增大。

4)三維運動作用下，特別是橫向的運動作用，使得溝槽效應更加明顯，溝槽的形成和發(fā)展將會導致立管的側向阻力增加，體現出土體剛度的退化和吸力的產生。

2.3 關鍵點應力時程曲線分析

由圖9 ～10 可知不同周期，不同運動類型，在模型管a 和e 測量點的應力較大，分別選取周期T=4 s 的三維運動、垂向運動和垂向－縱向運動耦合作用下的模型管a 和e 測量點處數據穩(wěn)定后的50 個周期，繪制應力時程曲線圖，如圖11 所示。比較分析可得出:

1)在立管運動穩(wěn)定后，模型管a 節(jié)點處的軸向應力隨著運動的變化趨于穩(wěn)定，應力值也呈現周期變化。從應力峰值來看，縱向－垂向耦合運動產生的應力峰值最大，其次是三維運動。

2)在相同運動情況下，與a 節(jié)點處測得的應力相比，e 節(jié)點受溝槽影響明顯，由于溝槽產生的側向阻力及土剛度退化等原因，導致e 節(jié)點處應力狀態(tài)呈現出較強的非線性，特別是三維運動情況下，由圖11(d)可看出土的滯回效果顯著，出現了小幅振蕩。

圖11 周期4 s 三種運動作用下a 和e 點應力時程曲線Fig.11 Stress time history of three motions at a and e points

3 結 語

管土相互作用引起的觸地點疲勞問題是影響SCR 安全的重要因素，模型試驗是研究該問題的有效途徑。相比于傳統(tǒng)的二維模型試驗，通過軌道設計，簡易模擬了三維SCR 流線段與土的相互作用，更符合SCR工程實際。試驗分別通過在模型管頂端施加不同類型的運動，得到模型管的應力狀態(tài)和節(jié)點的應力時程曲線，指出:1)在管土反復作用下，在土表面形成溝槽，受溝槽側向阻力和土吸力影響，立管局部應力增大，特別是在橫向－垂向耦合運動下該現象更明顯;2)在溝槽和粘性土的滯回效應的影響下，關鍵節(jié)點的應力曲線出現明顯的非線性;3)不同運動，不同位置對立管運動周期的敏感性不同，在立管靠近驅動端的部位，對運動周期的變化較敏感。運動周期較小，立管所受的軸向應力較大;立管在靠近固定端的部位，運動周期的改變對該部位軸向應力的變化影響較小，該部位在立管運動過程中，所受應力僅在很小的范圍內波動;4)運動初期，溝槽形成過程中，土體的非線性特征較明顯，吸力作用明顯。在溝槽形狀基本形成后，土體趨于線性，吸力作用明顯減弱，該效果在立管前端尤為顯著，即觸地點區(qū)域。后端由于立管為細長結構，慣性滯后的效果明顯，與溝槽滯后效果發(fā)生耦合作用，使得立管后端周期循環(huán)效果減弱。試驗結果為建立海床土剛度模型，驗證管土相互作用的理論模型，為SCR 疲勞分析提供數據支持。

小尺寸管土試驗對于指導大尺寸模型試驗有重要參考意義，同時試驗結果可以驗證數值分析結果，因為土的特性對立管觸地點的疲勞損傷影響較為明顯，本文按照工程實際，進行了縮尺模型試驗，包括運動激勵方式、三維運動的設計等。由于試驗條件的限制，本試驗并沒有對溝槽形成過程、周圍土體、溝槽尺寸的變化情況進行詳細的統(tǒng)計，且沒有嚴格的按照縮尺比選擇立管模型以及所施加的運動，但是該試驗為后期將要進行的大尺寸模型試驗提供了重要參考和依據。

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