钢悬链线立管触地点区域管土相互作用的有限元分析

王小东,郭海燕,高秦岭,孟 丹

(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)

研究简报

钢悬链线立管触地点区域管土相互作用的有限元分析

王小东,郭海燕,高秦岭,孟 丹

(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)

由于钢悬链线立管具有非线性特性,而海床土体又是软黏土,因此钢悬链线立管触地区域的管土的相互作用十分复杂。根据国外相关试验数据,采用ANSYS中的非线性弹簧单元模拟海床土体,考虑海床土体刚度退化和土吸力对管道的作用,建立海底管道拟静力有限元计算模型,计算分析管道与海床土体的相互作用,并探讨管道触地点区域关键点在顶端升沉运动下弯矩的变化规律,为进一步研究SCR与海床的动力相互作用提供参考。

钢悬链线立管(SCR);土体吸力;ANSYS有限元分析

随着海洋石油天然气需求量的增加,深海油气资源开发中一种新型的立管结构钢悬链线立管(SCR)正被广泛用于各种深水开发项目中。

触地点(TDP)是钢悬链线立管最初与海床接触部位,是悬垂段和拖地段的连接点,也是发生疲劳破坏可能性较大的位置。当SCR的悬垂段顶端随上部浮体运动时,其拖地段将与海床土体发生相互作用。在拖地段的反复作用下,海床土体将形成沟槽,而沟槽的形成对SCR的拔出平面运动有较大影响。在沟槽形成的过程中,管线的运动将受到土的阻力作用,其中,阻力的大小取决于海底土的刚度,因而海底土刚度对SCR触地区域的疲劳寿命有较大的影响[1]。深水油气田海底土大部分属于软质黏土(例如墨西哥湾的海底泥线处强度为2.6 kPa,随深度呈线性增长,增长幅度为1.5 kPa/m),而软质黏土在海底产生的土体吸力严重影响海底管线的上拔运动,这虽对管线疲劳损伤的影响较小,但对其极限应力的影响较大[2]。海底土吸力的影响因素较多,一般认为与管道拔出的速度、管土反复作用的次数以及海底土重塑的时间等因素均有关系[3]。

关于SCR中触地区域的研究,目前主要是试验的方法和数值模拟的方法。JUN G HWAN YOU[4]讨论了海床与钢悬链线立管的数值模型,提出了简化的弹簧支撑模型;Charles P,Jun Zhang等[5]研究了钢悬链线立管与海床的相互作用,提出了P-y曲线及等价梁-弹簧模型;Bridge C[6]做了管土的试验并提出了土吸力模型等。这些研究大多假定海底土是线弹性的,实际深水海床土体对管道的作用以非线性模型模拟更合理。本文通过定义合适的土体刚度值,用等效的三折线模型模拟土体并分析管土相互作用,这种简约模型与实际情况更加接近,可以较好的模拟拖地段在拔起过程中海床土体刚度变化和土吸力对其运动的影响。

1 触地点的管土相互作用计算模型

深水海洋立管铺设在海床上,由于悬垂段顶端随浮体运动触地点将与海底发生相互作用,浮体运动包括浮体的一阶运动(平衡位置附近的水平振荡和升沉运动)、浮体的二阶慢漂(Slow drift)运动,前者引起触地点的改变[7],后者将引起触地点的高应力疲劳循环[8]。浮体运动下触地区域管-土动力相互作用计算十分复杂,本文主要进行立管在顶端升沉运动下触地点区域管土相互作用的拟静力有限元分析。

1.1 管土相互作用

管道与海床土体竖向相互作用包括管道对土体的加卸载过程;海床土体对管道的抵抗力和吸附作用。本文计算数据来源于2001年2H Offshore Engineering在英国Watchet港口进行的关于SCR与海床相互作用的大尺度二维模型试验[6],其土体特性类似于墨西哥湾,用于分析深水海床的土体特性以及与管道的相互作用。

KatherineLaver,EdClukey[2]等人根据STRIDE[9]的试验数据提出海底土体在管道垂向作用下特殊的滞回曲线模型——压缩—回弹曲线模型(见图1),土体在初始加载作用下的骨架曲线以及卸载和反向再加载下的滞回曲线,其中Audibert[10]提出土体在管道垂向作用下的滞回曲线可以选用双曲线模型进行近似模拟。

图1 管土相互作用曲线(不分离)Fig.1 The curve of pipe and soil interaction(not separate)

1.2 土吸力模型

随着管道向上运动与土体失去接触,土体抵抗力消失,在这个过程中,土体对管道产生土吸力,抵抗管道继续向上运动。现有的海床土吸力模型是根据Watchet港口的模型试验得出的,其随SCR相对于海床竖向位移变化的模型见图2,分为3个线性阶段[11]:吸力产生扩大期 随着管道向上运动土体的抵抗力消失,吸力从0增加到最大值;吸力平稳期 随着管道继续向上运动吸力保持不变;吸力消退期 管道继续向上运动,吸力由最大逐渐减小,在破坏位置变为0。

图2 二维的土吸力模型Fig.2 Two-dimensional soil suction model

土吸力变为0后,管道运动不受土体的影响。目前对于土吸力形成机理的研究处于起步阶段,其卸载模型还不够完善。

1.3 SCR的管土相互作用计算模型

管道与海床土体在触地区域的相互作用包括2部分:管道对海床土体的加卸载部分和管道离开海床时土体的吸力对其产生的反作用力部分。不考虑管道上部浮体升沉运动速度的影响,触地区域模拟土体对管道的作用模型简化为2部分:压缩区域土体的模型用Audibert提出的双曲线模型;拉伸区域的模型采用土吸力模型。

本文运用ANSYS中的非线性弹簧单元对土体进行模拟,土体的双曲线模型用基于P-y曲线的等效弹簧系数来近似模拟,其中压缩部分中的加载采用等效的三折线代替,根据文克尔的假定,土体在任意点的反力只与该点的位移成正比;吸力模型部分用与土吸力模型等效的非线性弹簧单元来模拟。等效弹簧的压缩—拉伸与位移的关系曲线见图3。

图3 管土相互作用力—位移曲线Fig.3 The curve of force-displacement of pipe and soil interaction

2 有限元建模

采用有限元软件ANSYS进行建模及力学分析。其中,弹簧单元用COMBIN39进行模拟;管道用PIPE59单元模拟。PIPE59是ANSYS程序中专门用于模拟浸没在水中杆件结构的单元,可以较好地模拟海洋波浪、海流对海中杆件的作用。

触地点区域管道和土体的建模难度较大,本文将管道和土体在触地点处分为2部分建立初始模型。图4为立管及其触地点的有限元计算模型,其中管道建模时分为初始触地点D右侧的悬垂段与左侧的拖地段, C,I,J为触地区域关键点;C点、I点分别距离D点为6 m;J点距离D点为18 m。悬垂段在接触到海床面前不受弹簧单元的反力,而拖地段置于一系列非线性弹簧单元上;土体模型对应管道模型分为两部分,D点左侧土体用非线性弹簧单元模拟直接与管道接触,右侧土体在与管道接触前不受压力,当管道向下运动到海床面土体开始与管道接触时,用非线性弹簧模拟土体。拖地段左端O点铰接,顶端水平方向约束,竖向的荷载通过位移增量法施加升沉运动方式实现。模型中管道单元总数为220,结点数为221;非线性弹簧单元数为180。

本文管道和土体的数据来源于Watchet港口实验[2],管道参数见表1、土体参数见表2。

表1 管道参数Table 1 The parameters of pipe

表2 土体参数Table 2 The parameters of soil

图4 立管及其触地点的有限元计算模型Fig.4 The finite element calculation model of pipe and the touch down point

3 模型验证与计算结果分析

3.1 模型验证

管道铺设在刚性的土体上,此时土体在管道作用下变形很小也不产生土吸力;在管道顶端(自由端)用增量法施加位移,对建立的有限元模型进行拟静力计算。管道顶端垂向由-0.8 m向上移动到1.5 m,同时水平方向由-0.28 m运动到0.5 m,初始触底点D及其它触地区域关键点在管道顶端运动影响下产生了水平的移动,但是变化很小,最大变化范围约为0.03 m,而本文中单元大小为0.5 m,因而忽略了节点水平位移的变化。D点弯矩变化如图5,其中实线为数值模拟结果,虚线为STRIDE III J IP的试验数据图[6]。

图5 刚性土体D点处的弯矩变化图Fig.5 D point bending variation of rigidity soil

由图可知,随着顶端向上运动,数值模拟计算的D点弯矩变化与试验结果基本相同。

3.2 土吸力的影响与分析

按照本文建立的模型模拟管土相互作用,土体部分为有土吸力和无土吸力2种情况,用增量法对建立的有限元模型进行计算,管道顶端(自由端)垂向由-0.8 m向上移动到1.5 m处,同时水平方向由-0.28 m运动到0.5 m,节点的水平位移变化忽略不计。D点处的弯矩变化如图6(有土吸力)和图7(无土吸力),其中实线为数值模拟结果,虚线是STRIDE III J IP的试验数据;图8为初始触地区域关键点J在土体包含土吸力和无土吸力作用的数值模拟结果的比较,其中实线为有土吸力作用,虚线为无土吸力作用。

图6 D点处的弯矩变化图Fig.6 D point bending variation

图7 D点处的弯矩变化图Fig.7 D point bending variation

由图6和7可知,初始触地点D处弯矩变化的数值模拟结果与试验结果基本吻合,验证了用非线性弹簧模拟海床土体的可行性。从图6中代表包含土吸力作用的实线可知,D点在顶端运动到-0.4 m前弯矩值基本保持不变,当顶端运动到0.5 m处时弯矩值逐渐减小到-6.3 kNm,此时的弯矩值约为没有土吸力作用时的2倍;随着顶端继续向上运动到1.2 m处时弯矩值逐渐增加到-3.6 kNm,之后基本保持不变。图7中代表不包含土体吸力的实线可知,当管道顶端为-0.8 m时D点的弯矩为5 kNm,随着顶端向上运动D点弯矩逐渐减小;当顶端运动到1.0 m处时D点弯矩减小到-3 kNm,之后基本保持不变。

图8 J点处的弯矩变化图Fig.8 J point bending variation

由图8可知,随着管道从-0.8 m向上移动到1.5 m处,J点处的弯矩变化在土体有土吸力作用和无土吸力作用的数值模拟结果基本一致,其弯矩值在管道顶端移动到0.8 m前基本保持不变,然后逐渐增大,可见远离触地点处的土吸力对管道弯矩影响不大。

4 结语

由于钢悬链线立管具有非线性特性,海床土体又是软黏土,管土相互作用对触地区域关键点的疲劳影响较大。本文用非线性弹簧模拟海床土体,建立管道与土体相互作用模型,用ANSYS有限元计算分析管道触地区域各点的弯矩变化,并与国外试验进行分析比较,探讨了土体的非线性特性以及海床土吸力对管道弯矩的影响,验证了用非线性模型模拟土体的可行性。

由于海床土体大多是软黏土,在研究管土相互作用时,应考虑土体的非线性特性以及土吸力的作用。本文用等价的三折线模型模拟海床土体的非线性特性,可以较好的反映海床土体在管道作用下刚度的变化以及对管道运动的影响。在对比无土吸力和存在土吸力的土体对管道弯矩的影响可知,土吸力对管道运动以及弯矩的变化具有明显的作用,尤其对触地区域的影响比较明显。

虽然数值模拟结果与试验结果比较吻合,但是本文并未考虑土体的摩擦系数对管道弯矩的影响;又由于土体吸力的大小与拖地段的拔出速度以及管土相互作用的次数、土的重塑时间都有关,因此需要对土体的摩擦系数以及土体吸力的机理作进一步的研究。

[1] 黄维平,李华军.深水开发的新型立管系统——钢悬链线立管(SCR)[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2006,36(5):775-780.

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[11] 2H Offshore Engineering Ltd-"STRIDEJ IP-Pullout Resistance of a Pipe in a Clay Soil"[R].1500-RPT-006,Rev 02,2002.

Abstract: Because steel catenary riser(SCR)has nonlinear characteristics and the seabed soil is soft, SCR/seafloor interaction in the touch down point is very complex.This paper which is based on the related experimental data abroad uses nonlinear spring element of ANSYS to simulate seabed soil,and considers not only the effect of the degradation of stiffness of seabed soil but also the suction effect to the pipe and establishes submarine pipeline’s quasi-static finite element model.By using the model calculating the pipe interaction with the seabed soil,discussing the key points of the touch down region variation of moment under the heave motion and providing quite valuable reference for further dynamic study on the SCR/soil interaction.

Key words: steel catenary riser(SCR);soil suction;finite element analysis(ANSYS)

责任编辑 陈呈超

Finite Element Analysis of Steel Catenary Riser/seafloor Interaction in the Touch Down Zone

WANG Xiao-Dong,GUO Hai-Yan,GAO Qin-Ling,MENG Dan
(College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

TV312

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-197-05

国家高技术研究发展计划项目(2006AA09Z356);国家自然科学基金重点项目(50739004)资助

2010-01-20;

2010-06-07

王小东(1983-),男,硕士生。E-mail:wangxiaodong111aa@163.com