基于能量法的跨航道海底管线抗落锚实验研究
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关键词 ： 能量 法 ； 海底管道 ； 抛锚作业 ； 堆石保 护 ； 损伤分析 中图分类 号 ： Ｐ ２ ２ ９ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ５ — ８ ４ ４ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３ － ０ ２ ７ ２ － ０ ５
随着海洋石油工业 的不断发展 ， 海底管道得到 了更为广泛 的应用 。它具有输送油气量大 、 高效快捷 、 经
２ 实验 方 法及 测 试 参 数
（ １ ） 测试参数。①测量不 同埋深 、 抛锚高度 、 锚重条件下 ， 冲击荷载对海底管道的响应情况 。②测量不 同的堆石保护材料在 （ １ ） 中各影响因素下冲击荷载对海底管道 的损伤程度 。③模拟海洋环境下（ 其他 的条 件与（ １ ） 中相 同） ， 不 同水深对受冲击荷载作用管道的影响程度。 （ ２ ） 实 验 方 法及 数 据 处 理 。实 验采 用动 态应 变 检 测 法 ， 即 采 用高 频 动 态测 试 系统 记 录 钢管 在 受 冲击 荷 载 作 用下 的应 变 过程 。从 而得 出钢 管环 向和轴 向的最 大 应变值 ， 并 观测得 到 钢 管最 大应 变分 布位 置 。从 应 变时程波形图中还可得知冲击荷载的作用时间及管道不同位置的应变变化。实验设计方案 ， 采用倒梯形保 护结构 ， 并用碎石 、 细砂等作为分层保护材料 。通过关键参数 的敏感性分析 ， 如抛锚高度 、 埋深 、 保护层材
摘
要： 随着跨航道海底 管线应用 越来越普遍 ， 航道 、 水港 等海域 的抛 锚作业对 海底管道带来 的安全 风
险问题越来越 引起人们 的关 注 。文章针 对海底管 道堆石保护方 法 ， 通 过模拟实 验研究 了抛 锚作业过 程 中海底管道 的应力状态 ， 并对其进行 了损伤分析 。通过绘制不 同影 响因素下管道变形 的对 比曲线 ， 研 究
了覆盖石材 、 抛锚速 度 、 埋 深等 因素对 管道损伤 的影响 ， 并基于正交试 验原理分 析 了不 同影 响因素对 海
底管道响应的敏感性 。结合标准 Ｄ Ｎ Ｖ Ｒ Ｐ — Ｆ １ ０ ７ 中 的能量计算方法研究 了不同影响 因素对海底管道 响应
的工况 ， 分析得 出管道 的最小推荐设 计埋深 。
第３ ６卷 第 ３期
２ ０１ ５ 年 ６ 月
水
道
港 口
Ｖｏ ｌ ＿ ３ ６ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｏｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｙ ａ ｎ ｄ Ｈａ ｒ ｂ ｏｒ
Ｊ ｕ ｎ．２ ０１ ５
基 于 能 量 法 的 跨 航 道 海 底 管 线 抗 落 锚 实 验 研 究
２ ０ １ ５ 年６ 月
雷 震名 ， 等
基 于能 量法 的跨 航道 海 底管线 抗 落锚 实验 研究
２ ７ ３
尺寸为管长 Ｌ ＝ ４ ６ ５ ｍ ｍ ， 外径 Ｄ ＝ ６ ３ ｍ ｍ， 壁厚 ｔ ＝ ｌ ｍ ｌ Ｔ Ｉ 。钢管上布置电阻式应变片传感器 ， 它可 同时测试钢管上 环向和轴向的应变。实验的测试装置主要包括高频动态应变仪和电阻式应变片传感器。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — １ ０ — １ ７ ；修 回 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ２ — ２ ７
作 者简 介 ： 雷震名 （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 天津 市人 ， 工程师 ， 主要从事海洋工程工作 。
Ｂ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ： Ｌ Ｅ Ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ — ｍ ｉ ｎ ｇ （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， ｍａ ｌ ｅ ， ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ．
济 安 全等 优 点 ， 但 同时也 存 在 检查 维 护 不方 便 、 维修 复 杂 困难 等缺 点 。近 些 年跨 航 道 的海 底 管 道铺 设 越 来
越多 ， 抛锚 业给管道造成 的威胁尤为突出。在 以往的跨航道海底管道设计 中， 常常采用堆石保护或者深 埋 的方法来保护海底管道 ， 但是遇到 铺设路线长和航道较宽的情况 ， 仍采用这种设计方法 就会大大增加工 程成本造成浪费 。由于缺乏全面的设计理 论 ， 采用当前 国内工程界所确定 的跨航道海底管道埋深设计方法 存在风险， 急需一种定量的分析方法 ， 以解决管道穿越航道的问题ｎ ］ 。 原 型试 验 的试 验结 果 能真 实 反应 实 际情 况 的工 作状 态 ， 对 于评 价 实 际管 道 的铺 设 质量 ， 检验 设计 理 论 都
性 。从 而 得 出了较 为合 理 的管 道推荐 设 计埋 深 。
ｌ 实 验 设 备 及 测 试 装 置
为 了研 究堆 石保 护结 构 中海底 管 道受 抛 锚 冲击 荷 载作 用下 附加应 力 的影 响 ， 自主 开发设 计 出一套抛锚架 、 模型槽 、 不同尺寸的霍尔锚 、 钢管 、 海砂和碎石等 。实验用锚选 取不锈钢材质 ， 以原型锚为基准按照 ２ ０ ： １ 和２ ５ ： １ 的 比例缩尺 ， 锚 的质量分别为 ４ ． ２ ｋ ｇ 和１ ． ２ ５ ｋ ｇ ， 锚杆的最大 转角为４ ２ 。 。模拟 的海底 管道 由Ｓ Ｕ Ｓ ３ ０ ４ 不锈钢管制成 ， 一根为抛锚 的工作管 ， 一根为温度补偿管。其基本
雷震 名 ， 谭 红 莹 ， 龚 海潮 ， 王 文 亮 ， 马坤 明 ， 张萌 萌 ， 雷 林
（ １ ． 海洋 石油 工程 股份 有 限公 司 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ； ２ ． 中海石 油（ 中 国） 有 限公 司天 津分公 司 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ； ３ ． 天 津大 学 ， 天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ）
比较直接可靠， 但是原型试验存在费用大、 检测条件差等问题很难实际操作 ， 而采用数值模拟分析如砂土 、 碎 石保护层等非连续介 质、 非线性 、 各 向异性结构时存在不少 困难 ， 因此本文采用缩尺模型试验可 以清晰、 直 观地展示各种工况下整个结构受冲击荷载作用变化的全过程 。选取 Ｓ Ｕ Ｓ ３ ０ ４ 不锈钢管来模拟实际工程 中的 钢管 ， 由于 实 际工 程 中的管 道很 长 ， 受 冲击 荷 载作 用 时 ， 管 道 两端 的变 形很 小 ， 所 以实 验 中的管 道 采 用 只约 束 轴 向变 形 的边 界条 件 。缩 尺模 型 中选 用 实 际工 程 中 的海砂 作 为实 验材 料 ， 堆 石保 护 层选 取 实 际工 程 中 常 用 的边坡 比 ， 并 运 用 能量 法 对 海底 管 道 在抛 锚 过 程 中管 道 吸 收 的能 量 、 保 护 层耗 散 的能量 和撞 击 损耗 的能 量做 了进一步计算 。同时还通 过正交试验 原理分 析了不 同影响 因素对冲击荷载作用下海底管道 的敏感
随着海洋石油工业 的不断发展 ， 海底管道得到 了更为广泛 的应用 。它具有输送油气量大 、 高效快捷 、 经
２ 实验 方 法及 测 试 参 数
（ １ ） 测试参数。①测量不 同埋深 、 抛锚高度 、 锚重条件下 ， 冲击荷载对海底管道的响应情况 。②测量不 同的堆石保护材料在 （ １ ） 中各影响因素下冲击荷载对海底管道 的损伤程度 。③模拟海洋环境下（ 其他 的条 件与（ １ ） 中相 同） ， 不 同水深对受冲击荷载作用管道的影响程度。 （ ２ ） 实 验 方 法及 数 据 处 理 。实 验采 用动 态应 变 检 测 法 ， 即 采 用高 频 动 态测 试 系统 记 录 钢管 在 受 冲击 荷 载 作 用下 的应 变 过程 。从 而得 出钢 管环 向和轴 向的最 大 应变值 ， 并 观测得 到 钢 管最 大应 变分 布位 置 。从 应 变时程波形图中还可得知冲击荷载的作用时间及管道不同位置的应变变化。实验设计方案 ， 采用倒梯形保 护结构 ， 并用碎石 、 细砂等作为分层保护材料 。通过关键参数 的敏感性分析 ， 如抛锚高度 、 埋深 、 保护层材
摘
要： 随着跨航道海底 管线应用 越来越普遍 ， 航道 、 水港 等海域 的抛 锚作业对 海底管道带来 的安全 风
险问题越来越 引起人们 的关 注 。文章针 对海底管 道堆石保护方 法 ， 通 过模拟实 验研究 了抛 锚作业过 程 中海底管道 的应力状态 ， 并对其进行 了损伤分析 。通过绘制不 同影 响因素下管道变形 的对 比曲线 ， 研 究
了覆盖石材 、 抛锚速 度 、 埋 深等 因素对 管道损伤 的影响 ， 并基于正交试 验原理分 析 了不 同影 响因素对 海
底管道响应的敏感性 。结合标准 Ｄ Ｎ Ｖ Ｒ Ｐ — Ｆ １ ０ ７ 中 的能量计算方法研究 了不同影响 因素对海底管道 响应
的工况 ， 分析得 出管道 的最小推荐设 计埋深 。
第３ ６卷 第 ３期
２ ０１ ５ 年 ６ 月
水
道
港 口
Ｖｏ ｌ ＿ ３ ６ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｏｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｙ ａ ｎ ｄ Ｈａ ｒ ｂ ｏｒ
Ｊ ｕ ｎ．２ ０１ ５
基 于 能 量 法 的 跨 航 道 海 底 管 线 抗 落 锚 实 验 研 究
２ ０ １ ５ 年６ 月
雷 震名 ， 等
基 于能 量法 的跨 航道 海 底管线 抗 落锚 实验 研究
２ ７ ３
尺寸为管长 Ｌ ＝ ４ ６ ５ ｍ ｍ ， 外径 Ｄ ＝ ６ ３ ｍ ｍ， 壁厚 ｔ ＝ ｌ ｍ ｌ Ｔ Ｉ 。钢管上布置电阻式应变片传感器 ， 它可 同时测试钢管上 环向和轴向的应变。实验的测试装置主要包括高频动态应变仪和电阻式应变片传感器。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — １ ０ — １ ７ ；修 回 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ２ — ２ ７
作 者简 介 ： 雷震名 （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 天津 市人 ， 工程师 ， 主要从事海洋工程工作 。
Ｂ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ： Ｌ Ｅ Ｉ Ｚ ｈ ｅ ｎ — ｍ ｉ ｎ ｇ （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， ｍａ ｌ ｅ ， ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ．
济 安 全等 优 点 ， 但 同时也 存 在 检查 维 护 不方 便 、 维修 复 杂 困难 等缺 点 。近 些 年跨 航 道 的海 底 管 道铺 设 越 来
越多 ， 抛锚 业给管道造成 的威胁尤为突出。在 以往的跨航道海底管道设计 中， 常常采用堆石保护或者深 埋 的方法来保护海底管道 ， 但是遇到 铺设路线长和航道较宽的情况 ， 仍采用这种设计方法 就会大大增加工 程成本造成浪费 。由于缺乏全面的设计理 论 ， 采用当前 国内工程界所确定 的跨航道海底管道埋深设计方法 存在风险， 急需一种定量的分析方法 ， 以解决管道穿越航道的问题ｎ ］ 。 原 型试 验 的试 验结 果 能真 实 反应 实 际情 况 的工 作状 态 ， 对 于评 价 实 际管 道 的铺 设 质量 ， 检验 设计 理 论 都
性 。从 而 得 出了较 为合 理 的管 道推荐 设 计埋 深 。
ｌ 实 验 设 备 及 测 试 装 置
为 了研 究堆 石保 护结 构 中海底 管 道受 抛 锚 冲击 荷 载作 用下 附加应 力 的影 响 ， 自主 开发设 计 出一套抛锚架 、 模型槽 、 不同尺寸的霍尔锚 、 钢管 、 海砂和碎石等 。实验用锚选 取不锈钢材质 ， 以原型锚为基准按照 ２ ０ ： １ 和２ ５ ： １ 的 比例缩尺 ， 锚 的质量分别为 ４ ． ２ ｋ ｇ 和１ ． ２ ５ ｋ ｇ ， 锚杆的最大 转角为４ ２ 。 。模拟 的海底 管道 由Ｓ Ｕ Ｓ ３ ０ ４ 不锈钢管制成 ， 一根为抛锚 的工作管 ， 一根为温度补偿管。其基本
雷震 名 ， 谭 红 莹 ， 龚 海潮 ， 王 文 亮 ， 马坤 明 ， 张萌 萌 ， 雷 林
（ １ ． 海洋 石油 工程 股份 有 限公 司 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ； ２ ． 中海石 油（ 中 国） 有 限公 司天 津分公 司 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ； ３ ． 天 津大 学 ， 天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ）
比较直接可靠， 但是原型试验存在费用大、 检测条件差等问题很难实际操作 ， 而采用数值模拟分析如砂土 、 碎 石保护层等非连续介 质、 非线性 、 各 向异性结构时存在不少 困难 ， 因此本文采用缩尺模型试验可 以清晰、 直 观地展示各种工况下整个结构受冲击荷载作用变化的全过程 。选取 Ｓ Ｕ Ｓ ３ ０ ４ 不锈钢管来模拟实际工程 中的 钢管 ， 由于 实 际工 程 中的管 道很 长 ， 受 冲击 荷 载作 用 时 ， 管 道 两端 的变 形很 小 ， 所 以实 验 中的管 道 采 用 只约 束 轴 向变 形 的边 界条 件 。缩 尺模 型 中选 用 实 际工 程 中 的海砂 作 为实 验材 料 ， 堆 石保 护 层选 取 实 际工 程 中 常 用 的边坡 比 ， 并 运 用 能量 法 对 海底 管 道 在抛 锚 过 程 中管 道 吸 收 的能 量 、 保 护 层耗 散 的能量 和撞 击 损耗 的能 量做 了进一步计算 。同时还通 过正交试验 原理分 析了不 同影响 因素对冲击荷载作用下海底管道 的敏感