海底管道振动对周围土壤的液化作用试验研究

李国珍，袁亚雷，都亚男

(1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249；2.北京石油机械厂，北京 100083；3.中国石油技术开发公司，北京 100028) *



海底管道振动对周围土壤的液化作用试验研究

李国珍1，袁亚雷2，都亚男3

(1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249；2.北京石油机械厂，北京 100083；3.中国石油技术开发公司，北京 100028)*

摘要：海底管道在管内多相流、波浪以及砂土的作用下，长时间后可能会出现冲刷淘空现象，从而引起管道的悬空振动。通过试验测量管跨在激振条件下的衰减特性，根据建立的数学模型确定管跨两端支撑砂土的液化流失量。此方法可以为现场海底管道周围砂土液化的定量分析提供参考。

关键词：海底管道；振动；液化；淘空

随着海上油田开采方式和技术的发展，海底管道已广泛应用于海上油田的开发[1]。海底管道在海流、砂土以及管道多相流作用下，可能出现冲刷掏空现象，使部分管道裸露，从而引起管道的悬空振动[2-4]。另一方面，由于管道的振动会引起管道周边砂土的液化，使管道的悬空长度越来越大，从而引起管道更大幅度的振动，加速悬空管道的断裂和疲劳破坏。因此，研究海底管道的振动及其对周围土壤的液化作用是完全必要的。

砂土在动载荷作用下表现出来的类似液体形状而完全失去承载能力的现象称为砂土的液化，可以由其抗静剪力的强度来认定，抗静剪力的强度越低，流动性就越好，液化就越充分。另一方面，砂土抗静剪力的强度又与其本身的硬度、颗粒形态、致密程度及含水量等物性有密切的关系，因此，很难对砂土的液化给出定量指标。如果直接提取液化土样进行力学性能测试，则很难保证液化土样的物性在测试过程保持不变；另外，直接测量管道周围砂土液化区域的大小也会因为液化界限认定的不确定性而难于实现。因此，本研究采用在管道振动液化试验过程中，通过测试管跨在激振条件下的衰减特性来反算管跨长度，确定管跨两端支撑砂土的液化流失量，进而研究管道振动作用下砂土的液化特性。

1试验方案

试验装置如图1所示，试验管跨的两端埋在砂土箱的砂土中，箱中的砂土浸在水中；在管跨中点处的支架下方固定一直流电机，电机轴上装有偏心轮迫使管跨按直流电机设定的转速振动；支架上方固定1个位移传感器，测试管跨中点的振动位移响应信号和激振时的振动衰减特性。为了便于测定衰减曲线，试验选取管道材料有机玻璃管，直径10 mm，有效长度1 000 mm；激振轮偏心距为5 mm。

图1　试验装置

试验操作步骤如下：

1)将管跨两端的砂土填埋夯实，测出管道原始激振衰减曲线，如图2所示。

2)在砂土箱内掺入适量的水，设定直流电机转速使管跨在给定频率下作受迫振动，当管道振动液化一定时间间隔后，关断直流电机，放掉砂土箱内积水，测试管跨此刻激振衰减曲线。

3)往复继续程序2)，直到试验预期结束。

图2　实测数据与拟合数据曲线

2试验结果分析

根据振动的特性，可以把激振衰减曲线取作

y=A0e-αtcosωot

(1)

式中：y为位移；A0为激振初始位移；α为衰减系数；ωo为自振角频率。

根据实测数据由最小二乘法可计算出α、ωo值。如图2所示为管道原始激振衰减曲线，拟合方程x(t)=-1.48e-5.16tcos(41t)，即α=5.16，ωo=41。砂土液化试验按每6 000次循环做1次纪录，测试相应的衰减曲线，用同样方法可以分别计算出α、ω值，如表1所示。

将管件两端的支撑简化为简支梁，固有频率取为[5]

(2)

式中：E为弹性模量，E=2.35×103MPa；I为截面惯性矩，I=3.7×10-10m3；ρA为管材的单位长度的质量，ρA=4.8×10-2kg/m；l为管材的长度，m。

由式(2)得管跨当量长度为

(3)

根据ω值可以反算出相应的当量管跨长度及液化流失长度，如表1所示。将模型计算长度与实测管跨长度比较，误差在合理范围之内。

表1　α、ω及当量管道管跨长度和液化流失长度

由表1可以看出：随着振动次数的增加，砂土支撑长度在不断的减少，管道支撑处的砂土不断液化流失，平均液化速度为3.5 cm/万次左右。

3结论

1)研究提出的阻尼衰减曲线方法适用于海底埋地管道周围砂土液化的定量试验研究和测试。该方法原理可靠，人为因素少，操作简单易行，测量结果准确可靠，具有实时性。所定义的管跨当量长度可根据管跨的实际结构及两端支撑砂土的物性采用不同的支撑条件。

2)试验研究所采用的砂土系现场采集，所得到的数据对于现场管道周围砂土液化的定量分析有一定参考价值。

参考文献：

[1]周延东.我国海底管道的发展状况与前景[J].焊管，1998，2(4)：46-48.

[2]李国珍.流动显示法用于海底管道淘空机理的试验研究[J].石油矿场机械，2012，41(1)：42-45.

[3]李振林.流动显示技术用于胜利埕岛油田海底管道淘空对策的研究[J].流体力学试验与测量，2003，17(3)：49-52.

[4]李国珍.海底悬空管道的动力响应分析[J].中国海洋平台，2015，30(3)：49-53.

[5]屈维德，唐恒龄.机械振动手册[M].北京：机械工业出版社，2000：135-138.

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①期刊：[序号]作者名(多于3人后用“等”字).文章名[J].石油矿场机械，1998，27(3)：39-32.

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Experimental Study of Submarine Pipeline Vibration on Liquefaction of Ambient Soil

LI Guozhen，YUAN Yalei，DU Yanan

(1.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China；2.BejingPetroleumMachineryFactory，Beijing100083，China；3.ChinaPetroleumTechnology&DevelopmentCorporation，Beijing100028，China)

Abstract：Submarine pipelines can result in scoring due to the combined action of the multiphase flow in the pipes，waves and soil surrounded in a long time，which will lead to vibration of the submarine suspended pipelines.Through the experiments，the attenuation characteristics of suspended pipeline segments under the condition of vibration are determined.A mathematical model is presented to determine the liquefaction loss of soil surrounded.This method can provide a reference for quantitative analysis of the soil liquefaction around submarine pipelines.

Keywords：submarine pipeline；vibration；liquefaction；scouring

通讯地址2.文章撰写顺序：①文题(力求简明，一般不超过20字)；②作者姓名、工作单位、和邮编；③中文摘要(200～300字)，中文关键词(3～8个)；④

中图分类号：TE973 ，

文献标识码：A (由编辑部给出)，⑤正文(要求层次清楚)；⑥参考文献，⑦英文部分包括：文题、作者姓名(如ZHANG Minghong)、 工作单位、 摘要、关键词(与中文相对应)。

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.015

作者简介：李国珍(1976-)，女，山东高唐人，讲师，博士，主要从事管道混输及机械设计研究，E-mail：guozhenli76@163.com。 包括：第一作者姓名(出生年-)，性别，民族，籍贯(××省××县人)，职称，学位，毕业院校及专业、研究方向或从事的主要工作，投稿者的邮箱和联系电话。如果文章内容属各类基金资助项目或专利项目，请注明项目名称和编号。

收稿日期：2015-10-15

文章编号：1001-3482(2016)04-0060-03