海底悬空管道的动力响应分析.pdf

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1、第30卷第3期中国海洋平台V01．30No．32015年06月CHINAOFFSHOREPLATFORMJun．，2015文章编号：1001-4500(2015)03-0049-05海底悬空管道的动力响应分析李国珍(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京102249)摘要：海底管道在多种因素作用下会出现淘空现象而产生悬空管段。该文针对埕岛油田的海底悬空管道建立了有限元模型和土壤的温克尔模型，并将两者耦合成整体结构的有限元模型，来模拟管跨振动和土壤的液化，寻找海底悬空管道振动的特点和规律，分析特定条件下管道悬空的动力学响应，对合理设计海底管道和指导现役管道的维修提供了较为科学

2、、可靠的依据。关键词：海底管道；悬空；动力响应；涡激振动中图分类号：TE973文献标识码：AAnalysisonDynamicResponseinSubmarineScouringPipelineLIGUO—zhen(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)Abstract：scouringofthesubmarinepipelinesleadstohangingonaccountofmanyfac—tors．Th

3、efiniteelementanalysishasbeenmadeofthesuspendedsubmarinepipelinesofChengdaooilfield．ThepipelinevibrationandtheliquidationarecalculatedcoupledwiththeWinklermodelofthesoil．ThevibrationcharacteristicandthedynamicresponseoftheSUS—pendedsubmarinepipelinesareanalyzedtoprovidescientificandreliableba

4、sisforthedesignandmaintenanceofthepipelines．Keywords：submarinepipeline；scouring；dynamicresponse；vortex-inducedvibration0引言随着海上油田开采方式和技术的发展，海底管道已广泛应用于海上油田的开发。海底管道在海流、砂土以及管道内多相流的作用下，可能出现冲刷淘空现象，使部分管道裸露或某段、某几段管道周围淘空。悬空管段在各种海洋动力因素的影响下会出现随机振动，长期的振动影响会缩短管线的使用寿命，影响正常的油田生产叫。鉴于此，使用ANSYS软件对埕岛油田海洋环境下的海底管

5、道进行动力学分析和模态计算‘2

6、，对现役管道的疲劳寿命的预测及合理设计与维修提供较为科学的依据。有限元模型的建立通过对埕岛油田现有悬空管道的调研，发现主要有三种悬空情况。该文研究悬空管道两端均掩埋于海收稿日期：2013—11—22作者简介：李国珍(1976一)，女，讲师。中国海洋平台第30卷第3期底淤泥中的情况，如图1所示。根据埕岛海域海底土壤层分布具有底部坚硬表层松软的特点，参考温克尔假设的思想，即局部弹性地基模型，建立模拟管道与海底土壤的相互作用的有限元模型，将比较接近实际情况。图1海底悬空管道示意图该文对于管道和海底土壤的耦合范围提出如下观点：根据圣维南原理[3]，可以认为

7、当管道在淤泥里向远处延伸，距离管跨足够远时，管跨的振动影响可以忽略，即管道在淤泥里向远处延伸至距离管跨足够远的位置，可以作完全固定约束处理。按弹性地基梁理论，海底管道可以作为无限长梁来进行研究，其载荷在两端的影响范围为其特征长度L的3倍，其中：L一去一浮㈣式中：口为管道横截面刚度；k为地基刚度系数。在网格划分时将悬跨部分40等分，两端与土壤接触部分各10等分，并在每个节点上沿y、Z方向各建立一个弹簧单元，一端与管道耦合，另一端固定，管道模型如图2所示。图220m悬跨段管道有限元模型2模态分析由于区块lanczos法对于大型结构对称质量及刚度矩阵问题的求解有很高的计算效率和精度，因

8、此采用区块lanczos法对悬空管道进行模态分析。通过调研，埕岛油田海底管线悬跨长度大多在20m左右，因此对悬跨长度为20m的管道模型进行模态分析，得到前10阶固有频率见表1。从表1的计算结果可以看出，管跨低阶固有频率对应的振型均为弯曲振型，扭转振型是管道的高频振型。第3期李国珍海底悬空管道的动力响应分析·51·管道在海流作用下，当漩涡发放频率接近管道某阶固有频率时，将会发生涡激共振[4]，管跨危险截面处最大振动应力响应幅值会达到管道材料的屈服极限，从而导致管道的振动失效。漩涡发