余建星， 趙羿羽， 陳飛宇, 吳朝暉, 樊志遠， 曾華章， 葉彬彬

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 300451)

基于數(shù)值模擬的海底管道拋錨撞擊機械損傷及其防護措施研究*

余建星1,2， 趙羿羽1,2， 陳飛宇1,2, 吳朝暉3, 樊志遠1,2， 曾華章1,2， 葉彬彬1,2

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 300451)

采用三維非線性動態(tài)有限元方法對拋錨撞擊海底管道進行模擬。建立霍爾錨模型，考慮管土相互作用，研究不同撞擊能量下拋錨撞擊管道的機械損傷(最大凹陷)變化規(guī)律。對不同防護措施的防護效果進行探討，包括埋深、混凝土配重層、加大徑厚比等措施。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，兩者結(jié)果吻合較好。結(jié)果表明：當錨與管道接觸面積越小時，錨對管道的撞擊凹陷越大；加大埋深對拋錨撞擊管道有很好防護的作用；管道內(nèi)壓對拋錨撞擊管道有一定的抵抗作用；混凝土配重層對防護拋錨撞擊管道的防護作用不明顯；增加管道壁厚是防護拋錨撞擊管道的有效措施之一，也應(yīng)考慮經(jīng)濟性。本文研究結(jié)果為實際工程中降低拋錨撞擊管道機械損傷后果提供參考。

拋錨； 機械損傷； 海底管道； 管土作用； 埋深

海底管道作為海洋油氣開發(fā)系統(tǒng)的一部分，在油氣采輸過程中起著重要的作用。海底管道會受到復(fù)雜海底環(huán)境載荷作用，同時又可能面臨船錨、平臺或船舶掉落物、漁網(wǎng)等撞擊拖掛危險，很容易發(fā)生失效事故[1-2]。海底管道一旦發(fā)生故障，泄漏的碳氫化合物將造成非常嚴重的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失，甚至可能是災(zāi)難性的后果[3]。機械損傷是海底管道失效的主要原因之一，而在航線下或者平臺附近的海底管道，極有可能受到拋錨撞擊的風(fēng)險。不同噸位的船舶，其配備的錨的大小也不同，因此拋錨撞擊管道的后果也將不同。

現(xiàn)行落物風(fēng)險評價規(guī)范中(DNV-RP-F107)，未能考慮落物撞擊形狀和海床地基對撞擊結(jié)果的影響，設(shè)計結(jié)果偏于保守[4]。國內(nèi)對拋錨機械損傷的研究主要集中于采用規(guī)范推薦方法對拋錨撞擊管道進行風(fēng)險概率及后果估計[5-6]，且拋錨撞擊管道的數(shù)值模擬較少考慮管土相互作用的影響[7-9]。國外對錨與管道相互作用的研究集中于拖曳損傷及碎石防護的研究[10-11]。

本文針對這些問題，采用三維動態(tài)非線性有限元模擬方法，建立霍爾錨模型，考慮了管土相互作用，重點研究拋錨撞擊管道機械損傷(本文以管道最大凹陷值為衡量標準)及其不同預(yù)防措施對撞擊后果的影響，為工程中降低拋錨撞擊管道機械損傷后果提供參考。

1 有限元分析模型

對拋錨撞擊管道的數(shù)值模擬采用適用于碰撞分析ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件。

1.1 有限元動態(tài)分析過程介紹[12]

為了得到結(jié)構(gòu)動態(tài)運動方程，采用Lagrange方程，如式

(1)

L=T-πp。

(2)

(3)

1.2 錨材料模型

由于錨的變形很小，因此把錨定義為剛體，這樣可以大大減小計算時間。

1.3 管道材料模型

對于管道，采用塑性隨動模型(*MAT_PLAS TIC_KINEMATIC)[13]，此種模型本身帶有失效判定。

(4)

1.4 土體材料模型

對于土體，采用Drucker-Prager材料模型。Drucker-Prager材料可有效定義土模型。在這種材料模型中使用的修正DRUCKER_PRAGER屈服面可保證面的變形形狀更加與實際土相符?？赏ㄟ^定義*mat_add_erosion來自定義失效準則。

1.5 混凝土材料模型

混凝土采用HJC材料模型。這種模型可用來模擬大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓作用下的混凝土。HJC模型本身有一個失效類型參數(shù)fs，根據(jù)相關(guān)資料顯示，用fs控制失效，不能得到滿意的結(jié)果[14]，可通過引入*MAT_ADD_EROSION侵蝕失效準則來方便快捷地控制單元的失效。

1.6 模型參數(shù)說明

錨的種類復(fù)雜多樣，最先與管道發(fā)生碰撞的部位也有各種可能性，因此在本文研究中，將計算的物理模型簡化為不同質(zhì)量的霍爾錨與管道正上方發(fā)生碰撞，管道放置于土體地基上，土體地基大小取L×20D×10D(L為管道長，D為管道直徑)。模擬過程從錨以一定的初速度即將撞擊管道開始至撞擊結(jié)束；在撞擊有埋深的管道時，初始時刻選為錨即將撞擊土體時。圖1、2為拋錨撞擊管道的簡化物理模型與有限元模型。

圖1 簡化物理模型

圖2 拋錨撞擊有埋深管道有限元模型

錨模型：建立海洋工程常用的霍爾錨簡化模型。管道模型：325×6mm，8m長，q235鋼材。土體模型摩擦角取0.436，膨脹角取0?？紤]鋼筋作用的混凝土失效主應(yīng)變?nèi)?.012。其他參數(shù)見表1：

表1 模型參數(shù)

管道選擇shell163殼單元，錨與土體選擇solid164實體單元。模擬無埋深撞擊時，通過旋轉(zhuǎn)錨模型來實現(xiàn)不同的撞擊方式，錨與管道直接設(shè)置為面面自動接觸，管道兩端固定，限制管道底面垂向位移，時間步長因子取0.9。模擬有埋深撞擊時，錨與土體之間設(shè)置為侵蝕接觸，錨與管道之間設(shè)置為面面自動接觸，土體與管道直接設(shè)置為面面自動接觸。初始邊界條件為土體四周固定側(cè)向位移，底部固定垂向位移，管道兩端部固支。給錨設(shè)置不同的初始速度，時間步長因子取0.6，對土體進行局部沙漏控制，計算時間長度視埋深大小而定。

1.7 拋錨撞擊能量規(guī)范計算方法

根據(jù)DNV-RP-F107[15]推知，自重為m的錨在海水中自由下落情況下，其觸底時的最終速度和撞擊能量可表示為：

(5)

(6)

(7)

1.8 模型驗證

為了驗證計算模型的正確性，進行3組拋錨撞擊管道的縮比尺試驗，長度方向縮尺比取0.2，試驗錨重為30kg，管道直徑0.066 7m(2寸)，壁厚4mm，管道兩端固定。試驗系統(tǒng)如圖3所示。通過將錨提升到指定高度，以獲得不同撞擊能量，選擇撞擊部位為錨底面，調(diào)整管道位置，使其位于錨正下方，釋放錨使其自由下落，對試驗管的指定位置進行撞擊損傷試驗，測量管道被撞部位凹陷值凹陷測量系統(tǒng)為橢圓度測量儀和游標卡尺(50分度)，因而測量系統(tǒng)精度為0.02mm，滿足試驗要求，通過對比試驗前后管道橢圓度變化確定管道被撞擊部位的最大凹陷值。

試驗流程包括鋼管除銹，劃分鋼管試驗段，測量初始橢圓度，地面鋪置及整平，錨吊點的布置，錨與起吊系統(tǒng)連接，錨提升與下落，撞擊后橢圓度測量，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果處理。

從表2可以看出，計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本相符，誤差在5%以內(nèi)，說明本文計算模型和參數(shù)選擇是合理的。

圖3 縮比尺試驗現(xiàn)場圖

撞擊能量/JImpactenergy試驗值/mmExperimentalresults數(shù)值模擬值/mmNumericalsimulationresults相對誤差/%Relativeerror3433.843.693.874414.484.70-4.915886.106.021.47

2 計算結(jié)果討論

2.1 不同質(zhì)量錨撞擊能量的確定

當錨在水中下落時，最終會達到勻速下落，其速度與錨重及下落時錨的投影面積有關(guān)，采用式5中介紹的計算方法對于研究的6種不同質(zhì)量的錨進行最終下落速度的計算，結(jié)果如表3所示。

表3 錨最終下落速度

根據(jù)式6繼而求出不同質(zhì)量錨的最終撞擊能量，Cd、Ca取1.0，所研究錨的質(zhì)量與最終撞擊能量的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同質(zhì)量的錨重對應(yīng)的最終撞擊能量

從圖4可以看出，隨著所研究錨的質(zhì)量的增加，其撞擊能量相應(yīng)增加。

2.2 不同撞擊能量下拋錨撞擊管道后果分析

研究錨以底面正撞的方式撞擊裸管道(無埋深、無混凝土配重層)，并將數(shù)值模擬計算結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果進行對比。

數(shù)值模擬最大凹陷值通過后處理軟件量取管道最大被撞區(qū)域的單元最大位移得到；規(guī)范計算最大凹陷值通過式(7)計算得到。

拋錨撞擊管道的最大凹陷值隨撞擊能量變化的關(guān)系如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著撞擊能量的增大，管道最大凹陷值增大。規(guī)范計算結(jié)果大于數(shù)值模擬結(jié)果，說明規(guī)范計算是保守的。同時從無埋深計算結(jié)果可以看出，在較大拋錨撞擊能量撞擊管道后，對管道造成巨大破壞，因此必須采取保護措施。

圖5 不同錨撞擊裸管道最大凹陷值

2.3 錨以不同方式撞擊管道的后果分析

研究錨以不同方式撞擊管道后對撞擊凹陷的影響，這里考慮3種撞擊方式：霍爾錨底面正撞無埋深管道、霍爾錨底部棱邊撞擊無埋深管道及霍爾錨底部角撞擊。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 拋錨不同方式撞擊管道最大凹陷值

從圖6可以看出，拋錨撞擊管道最大凹陷值與拋錨撞擊方式有關(guān)。當錨與管道接觸面積越小時，錨對管道的撞擊凹陷越大，其中錨底部角撞擊管道最危險，其次是棱邊，最后是底面正撞。當撞擊能量為71kJ時，底部角撞擊管道最大凹陷值小于棱邊撞擊凹陷，這是因為角撞擊下管道已發(fā)生破裂。以下的研究都是基于拋錨底面正撞管道。

2.4 埋深對拋錨機械損傷的保護作用研究

埋深是保護海底管道的措施之一，從上面的計算結(jié)果可以看出，當拋錨撞擊裸管道時，對管道造成巨大破壞，因而需研究埋深對管道的保護作用。這里考慮0.5和1.0m兩種埋深。計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同埋深下拋錨撞擊管道最大凹陷值

通過與無埋深計算數(shù)值結(jié)果對比，可以看出土體埋深對管道有很好的保護作用。數(shù)值模擬的結(jié)果小于規(guī)范計算結(jié)果，說明規(guī)范的計算是保守的。當6 684kg的錨以7.1m/s撞擊管道時(撞擊能量約170kJ)，0.5米埋深條件，不足以有效的保護管道免受拋錨影響，管道仍發(fā)生較大變形，凹陷與管徑比值大于規(guī)范要求的5%。而在1m埋深情況下，管道最大凹陷值基本為0。因而，當一種埋深不足以保護管道時，在條件允許的情況下，加大埋深可有效保護管道。

2.5 管道內(nèi)壓對撞擊結(jié)果的影響

研究4 474kg錨撞擊0.5m埋深的管道時，不同管道內(nèi)壓對拋錨撞擊管道最大凹陷值的影響。計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同管道內(nèi)壓下管道最大凹陷值

從圖8可以看出，管道內(nèi)壓對拋錨撞擊管道有一定的抵抗作用，當沒有管道內(nèi)壓時，4 474kg錨以速度6.67m/s時，管道與凹陷直徑比為4.9%左右，隨著管道內(nèi)壓的增加，凹陷值越來越小。同時可以看出，當內(nèi)壓大于一定值時，凹陷減小的變化幅度會變小。

2.6 錨撞擊有混凝土配重

研究混凝土配重層為50、60、70、80mm，4種厚度條件下，對拋錨撞擊管道的保護作用。計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同混凝土配重層厚度下管道最大凹陷值

從圖9可以看出，隨著混凝土配重層厚度的增大，拋錨撞擊管道的最大凹陷值減小，混凝土配重層對管道的保護作用增加。但效果不是很顯著，當錨重大于2t時，即使厚度增至80mm，管道變形也很大，所以應(yīng)配合埋深進行管道保護，或者增加配筋。

2.7 管道壁厚對拋錨撞擊的影響

研究不同管道壁厚對拋錨撞擊管道的影響，管道埋深0.5m，壁厚分別取6、8、10、12mm，取。計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同壁厚下管道最大凹陷值

從圖10可以看出，隨著管道壁厚的增加，拋錨撞擊管道的最大凹陷值減小，管道抵抗撞擊的能力明顯增強，所以增加管道壁厚也是保護管道的一種有效方法，但在實際工程中，也應(yīng)考慮增加壁厚后的經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

本文建立拋錨撞擊管道的三維動態(tài)非線性有限元數(shù)值模擬模型，對不同撞擊能量下的拋錨撞擊管道后果進行研究，并對不同防護措施的防護效果進行了論述，具有極強的工程指導(dǎo)意義。可以得出如下結(jié)論：

(1)拋錨撞擊管道凹陷計算結(jié)果數(shù)值模擬值小于規(guī)范計算值,驗證規(guī)范計算的保守性。

(2)拋錨撞擊管道最大凹陷值隨著撞擊能量的增加而增加，并與拋錨撞擊方式有關(guān)。當錨與管道接觸面積越小時，錨對管道的撞擊凹陷越大。

(3)埋深對拋錨撞擊管道有很好的保護作用。當一種埋深不足以保護管道時，在條件允許的情況下，加大埋深可有效保護管道。

(4)管道內(nèi)壓對拋錨撞擊管道有一定的抵抗作用。

(5)混凝土配重層對防護拋錨撞擊管道機械損傷具有一定的保護作用，同時應(yīng)配合埋深或加大配筋。

(6)增加管道壁厚是防護拋錨撞擊管道機械損傷的有效措施之一，但在實際工程中，也應(yīng)考慮增加壁厚后的經(jīng)濟性。

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責(zé)任編輯 陳呈超

Study on Mechanical Damage and Protection Measures of Submarine Pipeline Impacted by Falling Anchor Based on Numerical Simulation

YU Jian-Xing1,2, ZHAO Yi-Yu1,2, CHEN Fei-Yu1,2, WU Zhao-Hui3, FAN Zhi-Yuan1,2, ZENG Hua-Zhang1,2, YE Bin-Bin1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240,China; 3.Offshore Oil Engineering Co., Ltd Engineering Company, Tianjin 300451, China)

The transverse impact on a pipeline caused by a falling anchor is among the main factors resulting in submarine pipeline failure. The impact could cause leakage of the pipeline, resulting in a huge environmental disaster and heavy economic losses. To investigate the deformations of a pipeline impacted by falling anchors, a three-dimensional nonlinear dynamic finite element method was used to simulate the process. Hall anchor model was established, and pipe-soil interaction was considered. Mechanical damage of pipeline impacted by falling anchor under different impact energies was researched. Then different protection measures against falling anchor impact were discussed, including burial depth, concrete weight coating, diameter to thickness ratio. Small-scale model experiments were carried out. The experiment method involved lifting an anchor to the appointed height and then dropping the anchor to impact a steel pipeline on the ground. The anchor was set to impact the pipeline at the midpoint. The relative position of the pipeline and anchor should be adjusted to ensure that the falling direction and pipeline axial direction were in the same plane and were perpendicular. The pipelines were fixed at both ends to prevent any shift. The finite element simulation results exhibit a good agreement with experiment results. Through the analysis some conclusions are drawn. The standard calculation results are larger than the numerical simulation results. The conservative of standard method is validated. The dent depths of pipelines impacted by falling anchors depend on the impact energy and contact area. Dent depth of the pipeline increases with increasing anchor velocity and anchor mass.With the decrease of contact area between the pipe and anchor, the dent of the pipeline increases. Increasing burial depths of the pipeline have a good effect on impact protection.The pipeline inner pressure has a certain resistant to the impact. Protective effect of concrete weight coating is not obvious. Increasing pipe wall thickness is one of the effective measures, and economy should also be considered. The results of the paper provide reference for engineering project to reduce mechanical damage of submarine pipeline impacted by falling anchor.

falling anchor; mechanical damage; submarine pipeline; pipe-soil interaction; burial depth

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2014CB046803);國家自然科學(xué)基金項目(51239008； 51379145);海洋工程作業(yè)安全模擬系統(tǒng)及工程應(yīng)用研究(首期)項目資助 Supported by National Basic Research Program of China(2014CB046803); National Natural Science Foundation of China(51239008, 51379145); Research on Ocean Engineering Operation Safety Simulation system and Engineering Application

2014-10-12；

2015-10-20

余建星(1958-)，男，教授，博導(dǎo)。E-mail: zhaoyiyu1990@126.com

TE973.92

A

1672-5174(2017)03-117-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20140291

余建星， 趙羿羽， 陳飛宇， 等. 基于數(shù)值模擬的海底管道拋錨撞擊機械損傷及其防護措施研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017, 47(3)： 117-123.

YU Jian-xing, ZHAO Yi-yu, CHEN Fei-yu, et al. Study on Mechanical damage and protection measures of submarine pipeline impacted by falling anchor based on numerical simulation[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(3)： 117-123.