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海底悬空管道动力响应非线性有限元分析

发表时间:2012/07/23 来源:安世亚太   作者:邵兵  闫相祯  杨秀娟  
采用ANSYS有限元分析软件建立管土耦合非线性有限元模型。讨论了单双跨海底悬空管道悬跨长度、管跨两端土壤弹簧刚度变化及中间耦合段长度对悬空管道自振频率以及位移和应力响应的影响规律。由分析结果得到管跨的悬空长度对其动力响应起决定性作用,控制管跨悬空长度是治理海底管道因悬空发生破坏的关键,分析得到埕岛油田海底悬空管道的最大允许悬跨长度;海底底 质及双跨管道中间管土接触长度影响管道的动力响应,分析得到跨间管土接触最佳长度。

1 前言

 

    随着世界各国海上油气资源的开发,铺设的大量海底管线的由于长期受到海底地形及海流冲刷的影响,不可避免的产生悬空管段,并在海流作用下有可能发生静力破坏及涡激振动。影响管跨系统涡激振动的主要因素是涡激水动力特性和管跨支承土体的力学特性及其变化规律,而管跨在涡激振动下的频率锁定现象,是引发海底管道疲劳失效的主要因素,因此研究悬空管道在海流及海底土壤约束作用下的动力响应规律显得尤为必要。

 

2 非线性有限元模型的建立

 

    基于ANSYS有限元分析软件建立管土非线性作用的有限元模型,管线结构采用PIPE59单元进行模拟,并采用非线性弹簧单元COMBIN39模拟管跨两端管土之间的非线性作用力。管端与土壤长度参考弹性地基梁理论,土弹簧实常数借鉴桩土相互作用的研究方法,采用Matlock提出的适用于软粘土的P-Y曲线计算方法,其曲线图见图1。已知管道及环境条件:管道外径324mm,管道壁厚12.6mm,弹性模量2.06×10^11Pa,泊松比0.3,水深12.2m,波浪高度5.0m,底层海流流速0.95m/s。建立的管土耦合模型见图2。

 

3 管跨模态分析

 

    根据计算结果,相邻两阶(1与2,3与4等)模态振型形状一致、方向不同,取1、3、5阶模态振型图见图3。此处研究悬空长度及耦合土壤的抗剪切强度对管跨自振频率的影响,见图4~5。

 

    由图4可以看出,悬空长度对管跨的自振频率影响很大,管跨的自振频率随悬空长度的增加呈指数函数衰减趋势;由图5可以看出,土壤抗剪切强度影响管跨的自振频率,二者关系图呈线性,土壤越硬,管跨的自振频率越大,但较小的斜率说明影响效果不是很大。

 

    埕岛海区的海流夏季流速大于冬季流速,全年海底海流流速为0.64~0.95m/s,由此根据文献可计算出结构发生涡激共振的频率范围为0.28~0.76HZ,并由所得管跨自振频率与悬空长度关系可以计算埕岛海区的管跨在悬空长度大于32m时有可能发生涡激共振。

 

 

4 管跨瞬态分析

 

    本节以管跨中节点在水平方向上的位移响应及同一时刻管跨的应力分布为研究对象,讨论悬空长度、土壤抗剪切强度对管跨动力响应影响规律。位移响应规律见图6。

 

    由图6可见,管跨中节点位移随时间成正弦函数形式变化。选取位移最大的半波浪周期及两跨悬空长度20m研究跨间管土耦合长度对管跨应力分布的影响,见图7~9。

 

    由图7~9可以看出,跨间管土耦合长度小于10m时,耦合部分应力都处于最大应力状态,其次是管跨中点及管端管土接触点;当跨间管土耦合长度大于10m时,耦合部分应力呈现“驼峰”状分布,即管土耦合交界点处应力值高,中间应力值低,中点及管端管土接触点处应力值始终较高。取不同跨间管土耦合长度时管跨最大应力值可得图10。

 

    由图10可见,管跨中间管土耦合长度对管跨的应力响应具有较大影响,跨间管土耦合长度10m为最大应力值最低处,且当跨间管土耦合长度低于10m时管跨的最大应力值随管跨中间管土耦合长度的降低急剧增加。看见跨间管土耦合长度10m为最佳耦合长度。

 

 

5 结论

 

    (1)影响管跨自振频率的最主要因素是管跨的悬空长度;海底土壤越硬,管跨的自振频率越高;分析得到埕岛海域海底悬空管道发生涡激共振的临界长度为32m。

 

    (2)管跨中节点及两端管土耦合交界处应力值最大,为应力危险点;双跨管中间管土耦合长度对管跨应力分布具有较大影响,文中算例最佳跨间管土耦合长度为10m。

 

    (3)本文所建立的管土耦合非线性模型较传统模型更接近实际情况,对海底管道悬空预防及治理具有一定的借鉴意义。