波浪对管线的作用

影响海底管道安全因素

管君阳 51082601024

海底管线是一种经济、高效的近海油气输送设施，在海洋石油工程中应用非常广泛。海底管线的液化失稳问题是海底管线设计中需考虑的关键问题之一。波浪在传播过程中，会在海床表面引起周期性的波压力。这种周期性的波压力作用会在海床中引起超静孔隙水压力及腿且道丝座立，改变了海床中的应力分布。海线亦会对其附近海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力产生影响，使海分布更加复杂，最终可能使海床发生变形、剪切破坏及液化等现象，导致海床的失稳破坏。因此，研究波浪一管线一土体的相互祸合作用具有十分重要的理论意义和工程实用价值。

1． 海流作用对海底管线稳定性的影响

海流对管线稳定性的影响主要是通过其对海底沉积物的作用。尤其是当管线周围 土体主要是非粘性土时, 海流作用将会导致土体被冲蚀, 进而影响管线稳定。 水流对沉积颗粒的作用力主要用Sh ields 参数表达:

gd s )1(-=ρτ

θ

式中,

τ为施加于颗粒上的剪应力; ρ为海水密度; s = ρρ/s 为颗粒相对密度; g 为重力加速度; d 为颗粒直径。τ由海流的粘滞力和压力梯度2 部分组成。对于相对稳定的海流, 剪应力τ可以由下式计算得出: 2

21U f c ρτ=

式中, c f 为摩擦系数;U 为平均流速。当θ的值超过临界Sh ields 参数cr θ时, 沉积颗粒开始起动。对于完全紊流, cr θ为常数, 约为0. 06。

在相对稳定的海流作用下, 直径为D 的管线所受的作用力为:

2

21//2

1DU C F U DU C F L z D x ρρ==

式中, x F 代表水平分力, 称之为拖曳力; z F 代表垂直分力, 称之为上举力; D C 和L C 分别为拖曳和上举系数。当管线所受的拖曳力满足下式时, 管线可发生移动:

)

(z x F W F -≥μ 式中, μ为管线与沉积物间摩擦系数; 管线的水中自重W 用下式计算:

2

4)

1(D s g W p π

ρ-= 式中, p s 为管线的比重。

用传统方法计算得到的使管线发生移动所需的流速, 与使沉积颗粒发生起动的流速比较, 前者约比后者大一个数量级左右[ 1 ] , 所以在管线发生移动之前, 其周围沉积颗粒早已失稳。海流通过对管线周围土体颗粒的冲蚀, 使管线暴露、悬空, 进而导致管线失稳。

2． 波浪作用对海底管线稳定性的影响

波浪对海底沉积物的作用很早就引起了人们的关注。Sleath (1994) [ 2 ]提出了一个表征波浪对沉积物作用的参数S :

)1()

(0-=s g t S μ

式中, 0μ代表波浪的轨迹速率; ϖ代表波浪的循环频率; Sleath 参数S 的本质是波浪作用在海底沉积物上的惯性力与沉积物自重的比率。

波浪运动的Sh ields 参数为:

d s g f )1(2

120-=ϖμθ

式中, ϖf 为波浪与沉积物间的摩擦系数。Sou lsby (1997) [ 3 ]认为, ϖf 为A d

的函数：

A d

d A f ≈=-)12(39.152.0ϖ

将上3 式合并, 可得出波浪作用下泥砂起动的临界S 值:

A d S cr cr θ2=

波浪对海底管线作用力的数学模型很多, 目前应用较多的是Mo rison 方程, 表达形式如下:

200

200214//21μρμρπμμρD C F D C D C F L z M D x =∂

∂+=

式中,垂向分量z F 向上为正; d 为管线直径;ρ为海水密度;D C ,L C ,M C 为相关系数。在计算波浪对管线水平方向作用力x F 时,将此等式右侧分为2项,第一项表示拖曳力,主要为粘性阻力和压差阻力;第二项表示惯性力,也就是流体加速流动时对管线的作用力[ 4 ]。

在计算x F 的等式中, 当A /d 较大时,第一项“拖曳力”起主要作用;当A /d 较小时,第二项“惯性力”起主要作用。波浪作用下管线的Sleath 参数为:

)1()

(0-=p S g t S μ

Dam gaard [ 1 ]假定

0μ的摆动变化是单频和正弦的, 在惯性力为主的条件下, 当管线的S 值超过临界p S 时, 管线失稳, 即:

M

p C S /μ= Wilkinson 和Palmer [ 5 ] , 对管线承受的波浪作用力进行了现场量测, 得出当A/d 的值

接近1. 5 时, M C 值的范围为2～ 5, 由此得出管线发生移动的临界p S 的值为0. 1～ 0. 3 。

近似地, 当拖曳力为主时,Damgaard [ 1 ]提出下式:

D

A A D C C S L D p 6.0)(12≈+=μπ

当S 值超过S p 时, 管线失稳。

Damggard[ 1 ]在假定D /d 为3000时, 以A/d 和cr S 为主要参数分析了海底失稳过程, 认定惯性力与拖曳力二者谁取主导作用的分界线为A /d = 104。周期性的波浪荷载作用会影响海底土的抗压与抗剪能力, 海底土的临界cr S 值远比管线值低。

李玉成等[ 6 ]研究了圆柱周围的速度矢量场(图1) , G/D 为有限元网格间隙比。

从图1 可看出, 管线周围发生绕流, 流场相对集中。表明管线周围土体受波浪应力较为集中, 加速了土体的侵蚀, 从而影响了管线稳定性。另外, 重力波的存在, 将会增加直接作用在管线和沉积物上的水力荷载, 进而影响海底土的抗压和抗剪能力。