海底管道海上对接过程非线性分析与仿真研究.pdf

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1、第13卷第2期潍坊学院学报Vo1．13No．22013年4月JournalofWeifangUniversityApr．2013海底管道海上对接过程非线性分析与仿真研究伦冠德，刘衍聪(1．潍坊学院，山东潍坊261061；2．中国石油大学，山东青岛266580)摘要：基于对海上对接过程管道的受力分析，应用非线性梁理论建立了海上对接管道数学模型，探讨了非线性有限元方程的求解方法及其收敛准则。以建立的模型为基础，研究了海上对接过程中管道最大应力变化规律及其影响因素。研究结果表明：在提吊阶段，管道应力迅速增大到较高应

2、力水平；在管端调平对接阶段，管道最大应力变化较小，并呈近似线性上升，整体应力水平保持在管道提吊后期的较高应力状态；沉放阶段管道最大应力存在较大波动，并可能出现应力峰值，但管道整体最大应力呈下降状态。管道在沉放过程中的最大应力变化较大，若沉放控制方案不合理，管道的屈曲破坏极易发生在这个阶段。工程船的侧移与吊缆的释放协调配合，可有效控制管道的最大应力的波动范围。沉放阶段，横向水流明显提高管道的整体应力水平。因此，管道海上对接施工应尽量避免在大的横向水流条件下进行。关键词：海底管道；海上对接；非线性分析；仿真中图分

3、类号：TE832文献标识码：A文章编号：1671-4288(2013)02-0001-08海底管道海上对接是海洋管道铺设中一项重要技术。海底管道海上对接，中间悬跨段较长，管道弯曲变形很大[1]，在复杂的环境载荷及安装载荷作用下，极易导致管道的破坏。为了保证海底管道在海上对接过程中的变形在弹性变形范围内，不发生屈服现象，对接施工设计阶段需要建立管道对接的相关模型对应力及变形情况进行分析，以便确定合理的对接方案。以往的文献[3]对铺管船管道铺设的受力状况研究的较多，但对管道海上对接过程管道最大应力变化及其影响因素

4、的研究未见报道。本文在国家863项目(2006AA09A104)支持下，以海上对接的管道为研究对象，充分考虑管道自重、水流、与海床的接触、提吊沉放方案对管道变形及应力的影响，建立海上对接管道数学模型，研究非线性有限元求解方法，考察不同管道对接方案及海流条件对管道最终形态及应力变化的影响规律，为海底管道海上对接施工设计提供参考，进一步提高管道海上对接成功率及效率。1海上对接管道受力分析海底管道在提吊及沉放过程中受到提吊力、海床接触力及环境载荷的作用，管道的变形为大挠度、小应变问题，属于几何非线性范畴[6]。对海

5、上对接过程中的管道进行受力与变形分析，为对接管道模型的建立提供理论基础。1．1海洋管道提吊受力分析由于海洋管道的长度相对于其截面尺寸要大的多，因此可将其看成具有一定各向同性抗弯刚度的细长杆件。海洋管道在提吊过程中一端在提吊力F作用下抬离海床，另一端仍平置于海床上，中间部分缺少支撑，在重力的作用下向下垂弯，整个提吊管道图l海底管道提吊受力变形示意图呈S型。图l为海洋管道提吊受力变形示意图。提吊过程中根据受力及变形情况管道可分为三部分：放*收稿日期：2O12—12—28基金项目：国家高科技研究发展规划(863)资

6、助项目(2006AAOgA104)作者简介：伦冠德(1969一)，男，山东潍坊人，潍坊学院机电与车辆工程学院副教授，博士。研究方向：海底管道对接技术。一l一潍坊学院学报2013年4月置于海床上的管道、悬跨段管道和提吊端管道。放置于海床上的管道可分为离地点附近的管道和远离离地点的管道。远离离地点的管道可看做是平置于弹性地基上的梁结构E，管道在自身重力的作用下会侵人海床，同时受到海床向上的均匀支撑力；离地点附近的管道受力及变形情况较为复杂，将在后文重点讨论。管道受到来自于提吊方向的水平拉力(该拉力由提吊力的水平分

7、力产生)，该拉力完全由管道与海床之间的摩擦力平衡。悬跨段管道类似于铺管船法铺管时管道的垂弯部分。该部分管道缺少支撑，在自身重力G的作用下向下垂弯变形，是最容易发生管道屈服的部分。不同于平置于海床上的管道，该部分的管道除了拉力、重力和浮力作用外，还受到弯曲和剪切力的作用。提吊端管道在吊缆提吊力F作用下，呈现向上拱曲的形状。提吊过程中吊缆会发生倾斜，导致提吊力F的方向发生改变，并产生水平作用力。在提吊后期，提吊端管道会被抬离海面，不再受到浮力作用。1．2海洋管道沉放受力分析为了安全将管道全部放到海底，对接完成后的

8、管道在下放过程中，除了在竖直面内下放，施工船还应横向移动，使管道侧向成弓形放置到海床上。管道在竖直面内的力学模型同管道提吊相同，在水平面内平衡状态的变形及受力如图2所示。当船舶侧移时，管道在吊缆水平拉力F的作用下弯曲变形，着地部分管道与海床相互摩擦，产生水平向摩擦力f，这个力与吊点的水平力平衡。图2海底管道沉放水平面内受力变形示意图1．3离地点附近管道受力分析在对海洋管道铺设和提升的变形及应力分析中