基于ALE方法分析拖网作业对海底管道影响

叶彬彬，余建星，赵羿羽，曾华章，张　欣，孟庆龙

基于ALE方法分析拖网作业对海底管道影响

叶彬彬，余建星，赵羿羽，曾华章，张欣，孟庆龙

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）

在拖网板的海底拖网作业中，可能会对海底管道造成破坏。在ANSYSLS-DYNA中建立拖网板、管道、水域、曳纲的拖扯模型，利用ALE方法考虑海底水域与拖网板的耦合作用，得到管道在拖扯过程中所受到的载荷，并与DNV-RP-F111规范中推荐计算公式相比较。研究表明：在拖网作业中，海底管道悬跨高度对管道的损伤影响明显，而碰撞角度的影响可忽略不计。因此，在工程实际中应尽量避免管道出现自由悬跨段。

海底管道；拖网作业；影响；分析

随着海上油气田开发工作的不断深入，如何保证海底管线在服役期间的可靠性是在海底管线的设计、铺设、检测、维护以及运行中非常重要的课题之一。在不断改进技术和设备的同时，研究人员开始关注由各种不确定因素导致的管线事故。据统计，第三方破坏与腐蚀是导致海管故障的最主要因素［1-4］。

海底管道受到第三方破坏的后果较为严重。抛锚、拖网等碰撞损伤会引发海管断裂，并导致油气泄漏，给周围海域的海洋环境带来极大影响。同时，更换管道期间又必须停产，清淤工作、更换管道、停产都会造成很大的经济损失。

在第三方活动中，海底拖网作业设备造成的载荷可能会对海底管道产生破坏，载荷主要有瞬间冲击载荷以及后续拖拽载荷2种。此外，拖网设备的勾扯可能会对海底管道产生较大的载荷。因此，研究拖网作业对管道的影响具有十分重要的意义。

在如今的拖网作业研究中，大多数没有完整考虑海水流体对拖网作业的影响，通常是简化处理。由于流体与管道和拖网板之间会产生耦合作用，因而流体的影响是不能忽略的。本文采用的ALE算法，真实模拟了海底拖网作业的过程，对于工程实践具有重要意义。

1　拖网作业原理及海底管道受力

1．1 拖网设备与海底管道的相互作用

当拖网设备横向穿越管线时，相互作用类型可分为冲击和拖扯，特殊情况下会出现勾扯的情况［5-6］。

1） 撞击。初始阶段是拖网板，梁托或者配重块撞击的管道，这个瞬间一般只持续1／1 000 s，管道（包括任何保护层或者电缆保护设施）外层抵抗外力。

2） 拖扯。拖网板、梁托或者配重块与海底管道相互作用的第2阶段。持续时间从1～10 s不等，取决于当地水深，管道悬跨高度等因素。此时管道会整体响应。

3） 勾扯。拖网设备卡在管道底下时的情况，这是极少发生的偶然状况，属于发生在管线上的极端状况，勾扯力可能达到使曳纲断裂的程度。

本文主要研究拖网作业的第2个过程，即拖扯对管道的作用。

1．2 常用拖网设备设计参数

图1是典型的拖网板设备，拖网过程中，拖网板使得网袋保持张开状态，通常这种拖网板在海床上进行拖拽，对海底管道会产生威胁。

图1　典型拖网板设备

图2是典型的桁拖设备，在拖曳过程中其通过横梁使得自身网袋保持张开状态，在横梁的两端各有一个梁托，梁托锋利的边缘和较大的动能对管道会造成直接的威胁。我国东海海域使用的一种桁杆拖网作业方式，其主要依靠桁杆（空心圆管，代表性尺寸为直径330 mm，长约40 m）和沉子纲的联合作用下来撑开渔网。空心管制成的桁杆两端封闭，在水中受到的浮力大于自身重力，再捕捞作业中起到上浮作用，使渔网向上张开。桁杆挂有铁链、混凝土块等重物，连接渔网下沿，其重力保障桁杆总体不会浮上水面。当桁杆拖网在海底附近捕捞时，桁杆靠近海底，易撞击海底工程设施，造成结构破坏。

图2　典型的桁拖设备

图3中所示为双拖设备，配重块的质量一般都会达到2～9 t，其撞击能和拖拽载荷比拖网板和桁拖设备要大。在设计中，一般都会使用一系列球形或圆柱形的拖曳设备，双拖设备一般不用在工业捕鱼业，而在消费捕鱼中进行使用。

图3　典型的双拖设备

1．3 拖扯分析

本文以拖网板为例进行拖扯模型分析。拖扯分析是为了对当拖网板拉过或者强力穿越管道时管道整体的响应进行分析，这种情况下，管道有可能受到很大的水平或竖直方向的力。

拖扯取决于4个关键因素：

1） 自由悬跨的长度、高度和两端支撑条件。

2） 有效的轴向力。

3） 管道横向曲率。

4） 横向或轴向的支持或限制条件。

所有相关的非线性效应都应予以考虑。主要包括4种：

1） 有效的轴向力的屈曲影响。

2） 几何刚度大位移。

3） 土壤阻尼效应。

4） 材料非线性行为。

1.4 DNV-RP-F111规范关于拖扯过程的计算

拖网板设备施加到管道的最大水平载荷为

对于多元板：

H是无量纲高度：

式中：u是拖曳速度；mt是拖网板质量；kw是托网线刚度；Hsp是悬跨高度（对于半埋和全埋情况无意义）；OD包括保护层的管道外径；B是拖网板半高。

对于不确定的情况，悬跨高度应该取保守值（如果测量不准确）。规范中，基础的模型试验并不包括全埋或半埋管道拖网载荷情况。对于半掩埋或沟槽掩埋的管道，在拖扯载荷的计算中，可以通过指定一个负悬跨高度Hsp来处理。

对于拖网板来说，其垂直向下的作用力的最大值为（多元板和传统拖网板）：

托网线的刚度kw，可以通过公式kw＝EAw／Lw求出，EAw是托网线的轴向强度，Lw是其长度。在没有具体信息的情况下，单根线（例如直径为Ø32～Ø38 mm）的刚度为

式中：Lw是托网线的长度，m，通常托网线的长度是2．5～3．5倍的水深。在浅水区域绳的长度相对更长一些（即2．5倍是深水区时的取值）。通常桁拖作业使用的托网线为2～3根Ø32 mm合成的网线。

2　有限元分析

2．1 建立模型

采用有限元软件ANSYS LS-DYNA进行计算分析［7-8］。整体模型如图4所示。分别建立水域流场、拖网板、曳纲、管道和管道外混凝土配重层，如图5～7。管道尺寸如表1所示。拖网板长度为2．1 m，宽度为1．4 m，厚度取为0．1 m。曳纲长度为300 m。管道、管道外混凝土配重层、拖网板、水域均采用solid164单元划分网格，而曳纲则采用link167单元进行划分。

图4　整体模型网格

图5　水域示意

图6　管道与混凝土配重层示意

图7　拖网板网格

模型中管道2端采用固支约束，通过给曳纲端点施加恒定速度1．8 m／s进行拖曳，采用显式动态分析歩计算，最后输出管道所受到的接触力。在本文中，为考虑管道悬跨高度对管道受力的影响，分别模拟计算了悬跨高度为0、0．1、0．2、0．3、0．4、0．5、0．6和0．7 m以及撞击角度为0、5、10、15、20、25、30 和35°的情形，即总共64组模拟情形。

在分析拖扯过程时，采用ALE（Arbitrary Lagrange—Euler）方法，用欧拉单元模拟海底的水域情况，并用拉格朗日网格划分管道、拖网板和曳纲，最后采用耦合算法，综合考虑水域对拖扯过程的影响［9-11］。

ALE算法兼具Lagrange方法和Euler方法二者的特长，即首先在结构边界运动的它引进了Lagrange方法的特点，因此能够有效地跟踪物质结构边界的运动；其次在内部网格的划分上，它吸收了Euler的长处，即是使内部网格单元独立于物质实体而存在，但它又不完全和Euler网格相同，网格可以根据定义的参数在求解过程中适当调整位置，使得网格不致出现严重的畸变。

表1　管道参数

2．2 分析结果

根据DNV-RP-F111规范计算最大水平方向力和竖直方向力随悬跨高度的变化趋势。如图8。由图8可以看出，DNV规范中，随着悬跨高度的增大，水平方向与竖直方向的接触力均逐渐增大，且水平接触力的增加幅度明显大于数值方向接触力。在悬跨高度为0时，竖直方向最大接触力将近水平最大接触力的1／2，但随着悬跨高度的增加，水平力与竖直力的差值不断增大。

图8　不同悬跨高度下水平和竖直接触力DNV规范值比较

分别将64组有限元模拟结果整理可得图9～10。图9为不同悬跨高度下管道所受水平接触力有限元模拟值与规范值的比较，图10为不同悬跨高度下管道所受竖直接触力有限元模拟值与规范值的比较。通过查看ANSYS LS-DYNA软件最终输出的沙漏文件可知，沙漏能所占总能量不足5%，满足工程要求，因而可认为模拟结果是可信的。

图9　不同悬跨高度下水平接触力有限元模拟值与规范值的比较

图10　竖直力随悬跨高度变化

3　结论

1） 在不同的拖曳角度下，拖曳力是随着悬跨高度的增加而增加，其中水平方向接触力增加显著，竖直接触力变化程度较微弱，且与规范值相比要小得多。

2） 对于水平方向上的力，在悬跨高度为0 m时较小。当增加悬跨高度至0．1 m后，水平力大小有明显的增大，尤其是悬跨高度为0．2 m时，有限元结果所得到的最大水平接触力接近于规范值。当继续增加悬跨高度后，水平方向最大接触力大致上还是发生增大的。通过有限元模拟而得到的结果均比规范要小，因而验证了规范是保守的。

3） 拖曳角度对拖网作业中的拖扯过程影响较小，可不作具体考虑。

4） 悬跨高度因子对拖扯过程的影响显著，因而在工程实际中应当尽量避免自由悬跨段的出现。合理、有效地进行海底管道运行期间的实际埋深后勘查工作，以保证海底管道能正常工作。

［1］ 肖辉．海底管线关于拖网作业的定量风险评估［D］．天津：天津大学，2004．

［2］ 金伟良，张恩勇，邵剑文，等．海底管道失效原因分析及其对策［J］．科技通报，2004，20（6）：529-533．

［3］ 王自力，顾永宁．船舶碰撞研究的现状和趋势［J］．造船技术，2000（4）：9-14．

［4］ 廖谟圣，曹丽平．我国海洋石油工业的进展及与国外差距和建议［J］．石油矿场机械，2005，34（2）：13-18．

［5］ DNV-RP-F111，Interference Between Trawl Geal And Pipelines［S］．2001．

［6］ DNV-RP-F107，RISKASSESSMENT OF PIPELINE PROTECTION［S］．2001．

［7］ 王泽鹏，胡仁喜，康士廷，等．ANSYS 13．0／LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程［M］．北京：机械工业出版社，2011．

［8］ 张朝晖．ANSYS 12．0结构分析工程应用实例解析［M］．北京：机械工程出版社，2010．

［9］ Vegard Longva．Dynamic simulation of subsea pipeline and trawl［J］．Marine Structure，2013（34）：156-184．

［10］ Vegard Longva．Simulation of Trawl Loads on Subsea Pipelines［D］．NTNU，2010．

［11］ Jaroslav Mackerle．Finite elements in the analysis of pressure vessels and piping，an addendum：A bibliography（2001-2004）［J］．International Journal of Pressure Vessels and Piping，2005（8）：571-592．

PerformanceofInterferencebetweenSubmarine PipelineandTrawlingBasedonALEMethod

YEBinbin，YUJianxing，ZHAOYiyu，ZENGHuazhang，ZHANGXin，MENGQinglong
（StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety，TianjinUniuersity，Tianjin300072，China ）

During the pull over of the trawling of trawl boards，the pipelines may be damaged．It was based on the finite element software ANSYS LS-DYNA to module trawl board，pipeline，deep sea and warp line．The ALE（Arbitrary Lagrange and Euler）method was used to module the coupling of deep sea and trawl board and compute the maximum pull over loads on the pipe．Then the conclusion by comparing the results from ANSYS LS-DYNA with DNV-RP-F111 could be made．Based on the result of this study，it is concluded that the height of the free span has a significant influence on the damage of pipeline，while the angle of impact has little to do with pipeline’s damage．Therefore，it is important to avoid the free span in the engineering practice．

submarine pipeline；trawling；influence；ananlysis

TE952

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．002

1001-3482（2015）02-0005-05