付云雷，朱霄霄，陳 帥，劉 然

(1. 中國石油大學(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發(fā)中的關(guān)鍵裝備，鋼懸鏈線立管(steel catenary riser，簡稱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]。常見的簡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，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)測模型。Wang等[9]開展了室內(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，通過數(shù)值模擬研究觸底區(qū)管道的豎向運(yùn)動(dòng)過程并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。上述模型試驗(yàn)均沒有考慮到清管器在清管作業(yè)過程中對(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)開發(fā)了一種用于鋼懸鏈線立管清管過程分析的試驗(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易測試試驗(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)可以通過選擇不同幀數(shù)來調(diào)整視頻錄制的清晰度，記錄管道上測點(diǎn)的位移變化情況，如圖3所示。

圖3 高速攝像機(jī)測量管道位移裝置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，因此開展無水試驗(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)位置處靜止的清管載荷。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?，首先?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)測點(diǎn)，測量這3個(gè)測點(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)測點(diǎn)的X向位移均在小范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有明顯的變化規(guī)律。觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于3個(gè)測點(diǎn)來說，Y向位移隨著清管器質(zhì)量的增加基本上也沒有出現(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中擬合曲線走勢可知，對(duì)于X向位移，測點(diǎn)1 040和測點(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，而測點(diǎn)1 080的位移則基本保持不變；對(duì)于Y向位移，僅測點(diǎn)1 040呈現(xiàn)小幅上升趨勢，而測點(diǎn)1 080和測點(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)測點(diǎn)在X向和Y向的位移幾乎沒有影響。

圖10 管道不同測點(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管道不同測點(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，清管器分別通過管道的3個(gè)測點(diǎn)時(shí)，3個(gè)測點(diǎn)在X向與Y向的位移變化規(guī)律。通過比較圖中不同曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著立管上測點(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。這說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)等間距分布測點(diǎn)的位移極大值衰減并不相同，測點(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)，被測點(diǎn)所處位置的曲率越大，立管上間隔等距離的3個(gè)測點(diǎn)的位移極大值的差值就會(huì)隨著測點(diǎn)靠近觸底點(diǎn)而增大。為了較為直觀地比較不同測點(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)過測點(diǎn)1 040的前后過程中測點(diǎn)1 040的位移變化規(guī)律

為了研究清管器在通過某一段長度的管道過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點(diǎn)1 000～1 080，同時(shí)選擇所要研究的測點(diǎn)為1 040。選擇管道上施加清管器的位置依次為測點(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。記錄清管器在通過每個(gè)位置時(shí)測點(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 清管器通過測點(diǎn)1 040的過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點(diǎn)1 040到逐漸遠(yuǎn)離測點(diǎn)1 040的過程中，其X向位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。其中，在清管器從測點(diǎn)1 000運(yùn)動(dòng)至測點(diǎn)1040的過程中，X向位移最多有4.94%的小幅上升，而在清管器從測點(diǎn)1 040運(yùn)行至測點(diǎn)1 080的過程中，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)過測點(diǎn)1 040時(shí)，Y向位移的變化范圍均在1%以內(nèi)。而當(dāng)清管器通過測點(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)過了重復(fù)性數(shù)據(jù)驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)清管載荷在通過測點(diǎn)1 040的過程中，測點(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：在清管器通過立管某一位置的前后過程中，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。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

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)測點(diǎn)在X向和Y向的位移幾乎沒有影響；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) 在清管器通過立管某一位置的前后過程中，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。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)作為測試手段，有效的觀測到了鋼懸鏈線立管縮比模型在運(yùn)動(dòng)過程中的位移，在未來進(jìn)一步的研究中，如果對(duì)被觀測模型使用雙攝像頭組成三維光學(xué)觀測系統(tǒng)，則可以獲得更高的觀測精度。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。