海洋管道工程的若干力学问题研究

海洋管道工程的若干力学问题研究
作者：朱超
来源：《中国科技博览》2017年第34期
[摘要]众所周知，在近海石油采探以及海洋采矿的过程中，海洋管道都发挥着关键性的作用。

该作笔者主要对海洋管道工程当中的若干力学问题展开了深入、详细的探析，这部分力学问题是十分关键并且亟待解决的，因此具有重要的参考价值和借鉴意义。

[关键词]海洋管道、力学问题、研究与分析
中图分类号：TH473 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）34-0123-01
现阶段，海洋管道工程在近海石油开采及矿采过程中发挥着越来越关键的作用，比如说：由井口至平台的管线；处在平台间的传输产品管线；从主干线到海岸或者储油设备间运送产品的管线；提升石油开采率的注水管线等。

从宏观上讲，符合基本的环境、安装及运行需求，保证足够的强度和稳定性是海洋管道工程建设的整体设计要求。

此三类条件在对海洋管道工程设计提出各类要求的同时，也提出了一些固有的力学问题。

一、海洋管道的动力响应和疲劳研究
（一）铺设环节当中的动力响应和疲劳
在当前条件下，相关人员在开展深海铺管操作的过程中，从铺管船到海底的任何一个管道接头，都至少需要花费一到两天的时长。

现实情况下，在波涛汹涌的海洋之中，任何一根悬臂管道的运动均会受到随机波和流的荷载、船只不规律运动的双重作用，其造成了管道的振荡，在管道下至海底前很容易造成很大程度的疲劳寿命损伤。

尽管最近深化了操作固定或者离岸结构在变化情况中的概率疲劳分析法，然而其对于海水中结构的渐进运动却未明确处理方法。

由于在海洋管道的铺设过程中，铺管船上面存在焊接结点，船只随机运动的情况下管道会下伸，所以这些结点在管线伸展的时候会改变它们所处的位置，所以说应力传递函数是出于新位置的，也就是说对固有的焊接结点而言，其从铺管船至海底的过程中具体位置始终处于变化之中。

然而，若从整体角度考虑，则对管线上的某个特定位置的点就其在空间中的位置来讲是固定不变的。

（二）涡激振动
由于涡激振动导致的悬空管疲劳寿命问题对于非掩埋管道线路的确定及维护成本具有至关重要的影响。

当我们把管道铺设于动荡的海床上时，或者放置于砾石上、非粘性土壤中，因波或者流的影响力，管道下的海床会受到冲刷侵蚀，进一步造成管道“悬空”。

此外，流经悬空管道的流动还会形成卡门涡旋。

若涡旋散播频率与管体的常规频率吻合时，说明管体完全控制了涡旋散发环节，这个时候涡旋以贴近或等于管体的固有频率发散，也就是“同步”或者“锁定”自激振动现象，在此情况下会出现较大的垂直振动并伴有一定的横向振动，在振动应力持续一定时间、达到一定强度时便会造成疲劳损伤，海洋立管也存在类似问题。

二、海洋管道铺设的静力学及屈曲问题研究
不仅仅是运行设计环节，管道铺设的安全稳定同样重要。

管道的铺设途径丰富多样，最普遍的即为专用铺管船。

它的大概步骤为：首先，管道在铺管船上进行焊接，借助张紧结构，穿过后面的支架或者滑台，紧接着从支架落点位置慢慢滑落至海底的着地点。

一般而言，铺设的管道为S形或者J形。

比如，下图所示的即为J型管道铺设法示意图。

其原理为：顶端的曲率选取专门的支撑结构和滚筒契合，如此便能有效减小损伤；同时下端曲率借助张紧机构完成控制。

所以说，我们应当构建起对应的弹塑性研究方法确准管道的平衡曲线及应力。

除此之外，管道铺设过程中还存在屈曲的静力问题。

此问题可以进一步细分为两大类：第一，对那些管壁不太厚的管道而言，会出现一种类似壳体的屈曲，同时会因为管道的椭圆度而加剧，然而此只能算是局部性的屈曲；第二，还有一类是管道在深海当中由于受到流体的静压力、铺设环节中出现的弯矩联合作用而出现的，屈曲问题往往出现在具有较大弯矩的位置，并且会以较快的速度顺着管线进行散播，总而言之是十分危险的情况。

当前，要想更有效地解决此问题，就必须加强对屈曲制止设备形式及不稳定压力等方面的探究，还应当构建管道铺设工程的弹塑性研究法与计算程序、对铺管工作展开更多模型试验和足尺度试验，从而更准确地得出二者间的关系。

三、海洋立管研究
通常情况下，海洋立管在不良情况下容易出现的破坏现象包括：因张紧程度欠缺引发的屈曲问题、因过大的弯曲应力及拉伸力造成的屈曲或者分离、因交变应力造成的疲劳现象等。

除此之外，当挖掘过程中如果角度过大，那么在接近上下两端的位置很可能发生摩擦进而造成立管的破损。

立管除了被用作开采油田外，还同时用作生产用途。

海洋热能转换设备的冷水管、张力腿式平台的单腿及重力式采油平台具有联系的导管也和立管类似。

环境及操作状况对于立管起着至关重要的影响。

我们对立管的研究方法可以归结为以下三类：静力分析、时域动态分析以及频域动态分析。

其中，时域动态分析为所有方法之中最为准确的，其不仅能够用来计算立管上的非线性拖拽力，也能够对立管的相对运动进行计量。

此种手段的计算时间约为静力分析的一千倍。

由于其费时费力、耗费资金的缘故，常常只是用作最终的核验。

其次，三类方法中最简便的即为静力分析，同时也是应用最普遍的一种。

这种方法具有省时省力的优点，因此被广泛运用于各项参数的研究工作中。

最后，频域方法的计算时长和静力法差不多，它的不足主要在于必须把非线性拖拽力项进行线性化操作，一旦操作不妥善很可能造成偏差较大的结果。

四、海洋管道的某些特性剖析
（一）海底管道的受力情况探析
我们都知道，海洋管道处于海底的时候因为波流的作用便会对管道产生一定的作用力。

为对此问题作出更深入的研究，有一些专门性的试验借助波和速度场叠加的手段来对流动力的总速度场进行确定。

（二）离岸管道的冲击响应
当前的海洋环境下，海洋管道不断受到各种各样的冲击载荷。

举个例子，渔船上的拖网装置容易碰触到海底管线；再比如说，像落锚等重物容易和管道发生碰撞，与此同时水中的管道也很可能由于自由跨距的影响和某些重物发生碰撞。

（三）拖网渔船对管道的作用
通过上述分析，我们对海底管道的受力情况以及离岸管道的冲击响应等海洋管道工程的特殊性能进行了研究。

除此之外，拖网渔船对于海洋管道同样具有不可忽视的影响。

现如今，海洋作业的管道仍旧常常会遇到拖网渔船的影响而出现损坏的现象。

为此，我国还专门进行了一些仿真模拟实验。

五、海洋采矿管道
此类管道和常规的采油管道有所区别，其有一种特殊装置附着于它的底端。

其除了管道及装置自重之外，也具备很大的伸展及收缩振动，此振动最早是因悬挂在采矿船只的管子顶部的振荡引发的，共振时底端会将顶部的振幅扩大好几倍，因而其很可能变为海底采矿设备的操作问题及装置问题。

结束语
综上所述，该作笔者主要对海洋管道工程的若干力学问题进行了详细的探讨和论述，希望能够对今后该方面的工作提供帮助和参考，然而必然会存在一些缺陷，未来对海洋管道工程领域的研究应当进一步深入。

参考文献
[1] 金威定.海洋管道工程的若干力学问题[J].海洋工程，2015（4）.
[2] 金伟良.海洋工程中的若干力学问题[J].科技通报，2017（2）.
[3] 艾志久，赵欣，李旭志，刘春全，马海峰.海洋管道浮拖过程力学分析[J].海洋工程，2015.。