钢悬链线立管与海床相互作用小尺寸三维试验研究

姚 锐，白兴兰，谢永和

(1.浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022;2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022)

在深海油气田开发中，钢悬链线立管(steel catenary riser，SCR)由于良好的适应性和成本低廉而得到了广泛应用，成为深海油气田开发的首选立管形式［1］。SCR 由悬垂段和海底流线段组成，其结构示意如图1所示，两者都是由钢管焊接而成的整体管线，悬垂段和海底流线段的分界点是触地点(TDP)，悬垂段悬浮于海中，主要承受波浪、流等外荷载。流线段与海床接触，在海洋环境荷载和浮体运动作用下，流线段与海床反复相互作用，易导致立管触地点区域疲劳破坏。而管土相互作用机理研究，依赖于一系列参数，如海床土的刚度、海底沟槽尺寸、立管应力、弯矩、位移变化等。由于立管触地点力学模型的不确定性，模型试验是探究该问题的有效途径。通常学者将土体的作用模拟为一系列弹簧，如图2 所示，包括线性或非线性，SCR 与海床接触模型为弹簧支撑模型。

图1 SCR 结构示意Fig.1 Schematic view of SCR elevation

图2 SCR 触地区原理Fig.2 Schematic diagram of SCR touchdown zone

模型试验方面，大致分两大类:全尺模型试验和缩尺模型试验。其中最具代表性的全尺模型试验，是由美国、英国、挪威和巴西等国发起的联合工业计划STRIDE JIP［2-3］开展的，该试验在英国的一个港口历时三个多月完成，通过可编程控制程序(PLC)模拟立管在正常工况下所受到环境载荷和浮体运动，对立管的受力状态和管土作用问题进行了系统分析。试验结果表明，在SCR 与海床的相互作用过程中，在海床上形成沟槽，对立管的横向运动有较大的影响。特别是SCR 处于张紧状态时，沟槽阻力会造成立管局部应力增大。STRIDE JIP 的全尺寸模拟试验为研究SCR 管-土相互作用的机理提供了许多有价值的资料，有许多相关试验也是在此基础上完成的。然而，JIP 试验只模拟了管-土相互作用机理的一部分，如在STRIDE 试验中没有模拟横向运动，仅研究了管-土触地点区域内二维空间的基本响应，目的是为了验证物理模型之间的相互作用。该试验耗资巨大，而且无法研究SCR 触地点区域的力学细节，一些影响因素不能直观地反映对立管疲劳寿命的影响程度，对SCR 的设计有一定的局限性。鉴于此，国外学者也开展了大量的室内缩尺模型试验。具有代表性CARISIMA JIP 在实验室内开展的模型试验［4］，该试验的主要目的是得到管土作用的力学模型，使用该模型可以在现有的软件中对立管的多种属性进行全面分析，同时预测土体水平和垂向抗力，以上预测量对进一步提高该区域立管的局部应力和疲劳寿命的预测精度有很大帮助。Bradley 等人［5-6］使用土工离心机进行了管土作用试验，该试验对模型管道施加垂向和纵向运动，试验结果证明沟槽的几何尺寸对立管所受到的弯矩以及轴向疲劳应力有很明显的影响，随着沟槽的加深，疲劳应力在减小，但该试验仅模拟了立管两个方向的运动，不能真实反映立管的运动情况。Hu 等［7］用离心模拟试验来模拟海底土壤中一定长度立管的往复垂向运动，试验结果显示，在往复运动的过程中，土壤的强度明显的退化，以及随着立管运动次数的增加超静孔隙水压力逐渐减小。但是，该试验没有考虑横向土压的影响。国内学者关于管土相互作用的模拟试验研究较少，王懿［8］设计一套可分别模拟垂向和横向管-土相互作用的试验系统，采用大直径钢管作为模型管，但没有考虑两个方向同时运动时立管与土相互作用的情况，与实际的工程有较大差别。李伟等［9］在波流水槽内开展了管土相互作用试验，研究了在不同流速阻尼和海床刚度下模型管触地区的弯矩和加速度等响应，主要考虑垂向运动，目前公开发表的结果很少。

通过设计一套简单易行的三维管土相互作用试验系统，来模拟SCR 流线段与海床的相互作用，研究立管特别是触地区的应力状态。试验土壤选取舟山海域的饱和软粘土，通过对运动轨道的设计，实现了对管土相互作用的三维试验研究，应用驱动器在模型管端部分别施加三维运动、二维运动和一维运动，研究激励运动对立管纵向应力的影响。通过对试验结果分析，可知:土的滞回特性对立管应力有一定的影响，除了驱动端之后，触地点位置的应力最大，该试验为将要进行的SCR 与海床相互作用的大尺寸模拟试验提供重要参考，同时可以为SCR 的结构设计和疲劳分析提供参考和依据。

1 试验准备

1.1 试验水箱、土壤

该水槽为1.2 m×1 m×1 m 长方形水箱(如图3 所示)，水箱四周是用10 mm 厚的有机玻璃围成，用于观察试验过程中土体的变化，使用密封胶密封主体与有机玻璃板和钢板间缝隙，主体框架下装有滑轮，便于水箱移动，在滚轮处安装有制动卡，保证试验过程中水箱保持静止。试验土壤选取舟山海域软粘土，为了模拟海底深水饱和土壤，采用水沉法制作土壤，在土壤制作过程中，保持土壤深度30 cm，液面高度3 cm，试验之前，土壤放置大约15 天。在第一次试验开始之前，使用土壤贯入仪(如图4 所示)，测量不同土壤深度的灌入阻力，同一深度，选取4 个测量点，取4 个测量点测量值的平均值作为该深度的贯入阻力，绘制土体贯入阻力图，如图5 所示。

图3 试验水箱Fig.3 Test flume

图4 土壤贯入仪Fig.4 Soil penetrometer

图5 贯入阻力Fig.5 Penetration resistance

图6 驱动设备和运动轨道Fig.6 Actuated equipments and tracks of motion

1.2 驱动设备

驱动设备安装在水箱的一端，这套设备可以通过连杆给立管末端施加指定的位移，各个方向运动如图6所示，即Y 轴向指垂向运动、X 轴向指横向运动、Z 轴向指纵向运动。通过该设备的控制系统，可以为立管施加匀速和周期运动。该设备在X，Z 轴方向由步进电机驱动，由于施加垂向运动需要克服滑道自重，因此Y轴方向由功率较大的伺服电机驱动。

1.3 模型立管与测量仪器

模型立管选用长700 mm，外径16 mm，壁厚1 mm 的PVC 管，立管两端通过转接弯头与驱动端以及固定端杆件相连接，立管固定端如图7 所示，受试验条件限制，模型立管的尺寸没有严格按照缩尺比选取。

沿立管模型长度方向布置10 个120 欧姆的应变片，贴好后的应变片用聚四氟乙烯薄膜裹住，避免试验过程中应变片触水。应变片布置位置如图8 所示，由于试验模拟的立管仅是截断点之后的一部分，如图1 所示，选取悬链线立管距离触地点之前不远处的一点为截断点，即在该点处施加位移，该点即为驱动端，在驱动端和触地点附近布置的应变片较密，在流线段，即立管后部，应变片布置较疏。应变片采用1/4 桥路的连接方法与动态应变仪连接，试验过程中所采集的全部应力数据，以50 Hz 的频率记录。

图7 固定端Fig.7 Fixed end

图8 应变片布置示意Fig.8 Schematic diagram of strain gauges

1.4 激励运动

激励运动共28 组，分别对立管施加一维、二维耦合与三维运动。每组运动均为周期运动，由于驱动器自身条件的限制，各组运动没有严格按照缩尺比选取，各组运动中，水平面内的横向、纵向运动即沿X，Z 轴的运动，由步进电机驱动，其振幅为10 mm;垂向运动即沿Y 轴的运动，由伺服电机驱动，其振幅为50 mm，运动周期T 分别为16、8、4、2 s，运动时间都是300 个周期，如表1 所示。

表1 激励运动Tab.1 Motion detail

2 试验结果分析

选取第1 至第200 周期之间的数据作为研究对象，选取200 个运动周期内各个测量点处不同周期的最大值，并求得各个测量点处200 个最大值的平均值，绘制如图9 ～10 所示的图形，其中横轴表示模型管长度方向的节点位置，竖轴表示模型管节点轴向应力大小。

2.1 相同运动类型下模型管轴向应力对比

从图9 的对比可以看出:

1)在同一类运动中，随着运动周期的减小，即随着运动频率的增大，从立管前端(驱动端)到立管中段的轴向应力的幅值逐渐减小;立管后半段由于土滞回作用的影响较大，运动周期的改变对轴向应力的变化影响较小。

2)三维运动下，模型管的节点a 处应力最大，在立管驱动端最近，符合实际情况，由于反复运动导致土沟槽的形成，土刚度退化，应力减少，随着沟槽消失，应力有所增加，最后趋于稳定。

3)垂向运动下以节点a、e 处应力最大，这是由于在单独垂向运动时，试验土中形成的沟槽位于a-e 点之间，管土的反复作用将导致土体刚度退化，土吸力在一定程度上将使管的轴向应力减小。

4)图9(c)施加横向－垂向运动，可知:模型管a 节点处应力较小，而e 节点应力大增，这样符合在沟槽形成之后，管的侧向运动将使管受到沟槽的侧向阻力，局部应力增大;图9(d)是纵向－垂向运动，相对于单独垂向运动，立管的应力状态变化不大，主要体现在a 节点应力增大，纵向运动也会增大沟槽的几何尺寸，使得土刚度退化更明显，立管的应力变化更明显。

5)整体来看，与单向运动相比，立管发生耦合运动时，所受应力明显增大，如垂向运动的二维耦合，立管所受到的应力比三个方向同时运动时所受应力偏大，三个方向同时运动，相互之间会有所抵消。

图9 不同运动下模型管轴向应力幅值Fig.9 Axial stress amplitudes of some motions

图10 两种运动周期下轴向应力幅值Fig.10 Axial stress amplitude

2.2 相同周期下模型管轴向应力对比

从图10 的对比可以看出:

1)运动周期相同(T=8 s，T=4 s)，在不考虑耦合作用的情况下，X，Y，Z 轴向(横向、垂向、纵向)的单独运动激励下，垂向运动对立管纵向应力影响最大，横向的运动对其影响较小。这也是在管土相互作用试验中，大部分研究主要围绕浮体的垂向运动对立管的影响展开研究的原因。

2)水平面内的运动对模型管应力状态的影响比较小，如10、11、14、15、18、19、22、23 号运动下的应力曲线，在低应力下基本保持稳定。这说明单独的水平面内运动会改变模型管的位移，但对应力状态影响不大。

3)模型管的轴向应力随施加运动周期的减小而增大。

4)三维运动作用下，特别是横向的运动作用，使得沟槽效应更加明显，沟槽的形成和发展将会导致立管的侧向阻力增加，体现出土体刚度的退化和吸力的产生。

2.3 关键点应力时程曲线分析

由图9 ～10 可知不同周期，不同运动类型，在模型管a 和e 测量点的应力较大，分别选取周期T=4 s 的三维运动、垂向运动和垂向－纵向运动耦合作用下的模型管a 和e 测量点处数据稳定后的50 个周期，绘制应力时程曲线图，如图11 所示。比较分析可得出:

1)在立管运动稳定后，模型管a 节点处的轴向应力随着运动的变化趋于稳定，应力值也呈现周期变化。从应力峰值来看，纵向－垂向耦合运动产生的应力峰值最大，其次是三维运动。

2)在相同运动情况下，与a 节点处测得的应力相比，e 节点受沟槽影响明显，由于沟槽产生的侧向阻力及土刚度退化等原因，导致e 节点处应力状态呈现出较强的非线性，特别是三维运动情况下，由图11(d)可看出土的滞回效果显著，出现了小幅振荡。

图11 周期4 s 三种运动作用下a 和e 点应力时程曲线Fig.11 Stress time history of three motions at a and e points

3 结 语

管土相互作用引起的触地点疲劳问题是影响SCR 安全的重要因素，模型试验是研究该问题的有效途径。相比于传统的二维模型试验，通过轨道设计，简易模拟了三维SCR 流线段与土的相互作用，更符合SCR工程实际。试验分别通过在模型管顶端施加不同类型的运动，得到模型管的应力状态和节点的应力时程曲线，指出:1)在管土反复作用下，在土表面形成沟槽，受沟槽侧向阻力和土吸力影响，立管局部应力增大，特别是在横向－垂向耦合运动下该现象更明显;2)在沟槽和粘性土的滞回效应的影响下，关键节点的应力曲线出现明显的非线性;3)不同运动，不同位置对立管运动周期的敏感性不同，在立管靠近驱动端的部位，对运动周期的变化较敏感。运动周期较小，立管所受的轴向应力较大;立管在靠近固定端的部位，运动周期的改变对该部位轴向应力的变化影响较小，该部位在立管运动过程中，所受应力仅在很小的范围内波动;4)运动初期，沟槽形成过程中，土体的非线性特征较明显，吸力作用明显。在沟槽形状基本形成后，土体趋于线性，吸力作用明显减弱，该效果在立管前端尤为显著，即触地点区域。后端由于立管为细长结构，惯性滞后的效果明显，与沟槽滞后效果发生耦合作用，使得立管后端周期循环效果减弱。试验结果为建立海床土刚度模型，验证管土相互作用的理论模型，为SCR 疲劳分析提供数据支持。

小尺寸管土试验对于指导大尺寸模型试验有重要参考意义，同时试验结果可以验证数值分析结果，因为土的特性对立管触地点的疲劳损伤影响较为明显，本文按照工程实际，进行了缩尺模型试验，包括运动激励方式、三维运动的设计等。由于试验条件的限制，本试验并没有对沟槽形成过程、周围土体、沟槽尺寸的变化情况进行详细的统计，且没有严格的按照缩尺比选择立管模型以及所施加的运动，但是该试验为后期将要进行的大尺寸模型试验提供了重要参考和依据。

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