管道鋪設動力耦合作用的混合實驗研究

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(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.大連理工大學運載工程與力學學部 工業裝備結構分析國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

近年來,國內外學者對于管道鋪設方面的研究主要集中在管道鋪設形態分析、管道與海床相互作用等方面,而且分析方法多以數值計算為主[1-3]。從已有的文獻來看,關于托管架與管道的動力耦合作用方面的研究工作還很少。在實際管道鋪設過程中，受船體運動的影響，托管架與管道之間存在著很強的動力耦合作用。數值方法在直接求解這種復雜的動力學問題上還存在一定挑戰,無法準確地預測托管架結構的真實受力情況。隨著管徑和水深的增加,這種動力耦合作用也會更加強烈,很可能造成管道的局部彎曲破壞或托管架結構破壞。為此，提出一種混合實驗方法,同時考慮船體運動與管道加載,在室內模擬管道鋪設情況,研究管道與托管架之間的動力耦合作用,并對托管架的基本設計參數進行驗證。

1 混合實驗方法

海洋工程結構的模型試驗分為兩大類:一類是傳統水池試驗,主要用于測量浮體在波浪作用下的運動響應;另一類是結構加載實驗,用于測量結構物在確定性荷載作用下的結構響應。傳統水池試驗因受比尺條件限制而無法真實地模擬和測量托管架與管道之間的力學作用,而常規的結構加載試驗又因船體運動的不確定性而無法進行加載。為解決上述問題,提出一種能夠同時模擬鋪管船運動與管線加載的中大比尺混合實驗方法。

1.1 船體運動模擬

鋪管船在海上航行時,受到風、浪、流聯合作用,會產生6個自由度方向的船體運動:橫蕩,縱蕩,垂蕩,橫搖,縱搖和艏搖，見圖1。

圖1 船體運動描述

鋪管作業時,為了保證管道能沿著設計路徑鋪設到海底,鋪管船一般會采用錨泊定位或動力定位的方式,對橫蕩、縱蕩和艏搖方向的船體運動進行補償。因此,在實際管道鋪設過程中,只有橫搖、縱搖和垂蕩運動對托管架和管道有動力影響。

通過傳統水池試驗或水動力學分析軟件很容易得出鋪管船在不同來浪方向下的橫搖、縱搖和垂蕩運動數據。按照水池試驗模型(或水動力模型)與混合實驗模型的相似關系,將水池試驗(或水動力計算)的船體運動數據進行比尺轉換,輸入到6自由度運動平臺(見圖2),通過控制平臺的運動以實現船體運動的加載。

圖2 MG6-10/12EP 6自由度運動平臺

1.2 托管架模型

托管架模型由主體結構和一些關鍵部件組成:主體結構嚴格按照1∶25的幾何比尺進行建造,并選用與原型結構相同的鋼材,以保證材料的彈性模量相同;托輥箱、A-Frame、Pup Piece 等關鍵部件按照與原型結構相似的幾何尺寸和受力特征進行建造,以保證較為真實地模擬鋪管過程中托管架的真實受力狀態。

通過結構動力模型試驗的量綱分析,以幾何比尺λl、時間比尺λt和質量比尺λM為基本量,可以導出其它各物理量的相似表達式為

(1)

式中下角標l、t、m、ρ、σ、u、v、a、g、F分別為長度、時間、質量、密度、應力、位移、速度、加速度、重力加速度與外力。

模型材料與原型相同,故λρ=1、λE=1;實驗模型與原型處于相同重力場,所以λg=1。研究托管架在船體運動與管道荷載共同作用下的力學行為時,理論上應保證模型與原型的彈性恢復力相似和重力相似,即同時滿足模型的Cauchy常數和Frounde常數與原型保持一致[4]。但由于模型與原型的材料相同,導致兩個相似條件不能同時成立。考慮實際情況下，管道荷載為影響托管架與管道之間力學行為的主要因素,所有選擇保證慣性力與重力的相似關系,即要求模型的Frounde 常數必須與原型一致：

(2)

由式(1)和式(2)可進一步導出下列相似關系

(3)

實驗中各相關物理量的相似關系見表1。表中,l、E、σ、t、m、u、a、g、ω、F分別為長度、彈性模量、應力、時間、質量、位移、加速度、重力加速度、圓頻率與外力。

表1 模型與原型物理量的相似關系

1.3 管道模型

依據S-LAY管道的形態特征,將實驗中的管道模型分為兩部分處理。對于上彎段管道,采用外徑和彎曲剛度相似的原則進行模擬,使管道荷載可以按照鋪管作業中的分布規律作用到托輥上,進而傳遞到托管架結構上;對于下彎段管道,由于并不與托輥直接接觸,所以實驗采用截斷處理的方法[5],利用斜面與配重塊(見圖3)來模擬下彎段管道,將管道在脫離位置處截斷,截斷點以后至海床部分的管道由一定重量的配重塊代替,管道在截斷位置的傾斜角度按照實際鋪設工況的管道脫離角度進行模擬。

圖3 斜面與配重塊

將上述的托管架模型、管道模型與模擬鋪管船運動的6自由度運動平臺組裝到一起,形成了完整的混合實驗裝置，見圖4。

圖4 混合實驗裝置

2 實驗內容及結果分析

實驗選擇全長102 m的3節鉸接式托管架,其曲率半徑的可調節范圍為95～280 m,鋪設水深為50～3 000 m,可鋪設的管徑范圍為32.386～1 524 mm(12.75～60.00 in),配有13對托輥。

選取“海洋石油201”作為與之配套的鋪管船,船上張緊器的最大張緊力為5 000 kN,極限鋪設工況為水深3 000 m，鋪設管道的管徑為32.386 mm(12.75 in)。

2.1 實驗工況

1)靜力實驗。靜力實驗是在托管架只承受自重和管道荷載作用下的模型試驗,不考慮船體運動對于托管架、管道的動力作用。

2)動力實驗。動力試驗是托管架在自重、管道荷載以及船體運動共同作用下的模型試驗。由于鋪管船在不同的來浪作用下運動響應有所差別,所以動力實驗選取150°、165°、180°具有代表性的來浪方向作為動力實驗工況。通過水池實驗很容易地得到鋪管船在這3個來浪方向下的運動響應,通過比尺轉換輸入到6自由度運動平臺,作為動力試驗的船體運動荷載。

2.2 傳感器布置方案

模型實驗主要測量了托輥荷載、張緊器拉力和A-frame 鋼纜拉力等力學信息,具體的傳感器選取與布置情況見圖5。

圖5 傳感器布置方案

1)托輥荷載。在托管架模型的13對托輥位置處安裝了壓力傳感器,以測量管道鋪設過程中管道與托管架之間的相互作用力。

2)張緊力。在管道模型與運動平臺的連接位置處安裝了拉力傳感器,以測量管道鋪設過程中張緊力的大小及其變化情況。

3)A-frame拉力。在A-frame懸吊系統的鋼纜上安裝了拉力傳感器,以測量鋼纜上的拉力變化情況。

4)管道脫離位置處的張力。在管道截斷位置處安裝了拉力傳感器,以測量脫離位置處管道內的張力。

2.3 實驗結果分析

1)托輥荷載。托輥荷載的變化情況直接反映了在船體運動影響下的管道與托管架之間的動力耦合作用。實驗測量了3種不同方向來浪作用下的13對托輥荷載的變化情況,并將實驗數據按照力的相似關系進行了比尺變換。

圖6～8給出了托管架各節中間位置托輥荷載的動力與靜力實驗結果。

圖6 托管架第一節中間托輥的托輥荷載

圖7 托管架第二節中間托輥的托輥荷載

圖8 托管架第三節中間托輥的托輥荷載

很容易看出,前5 s由于運動平臺剛開始啟動,平臺的運動幅值還比較小,所以動力實驗測得的托輥荷載接近于靜力實驗測得的托輥荷載,動力縮放效應并不明顯;當運動平臺啟動一段時間以后,托輥荷載的動力縮放效應變得很明顯,動力荷載圍繞靜力荷載上下波動。實驗數據表明：受船體運動的影響,托輥動力荷載要比靜力荷載增大了20%～30%。

2)鋪設能力驗證。實驗通過測量管道所需的張緊力(見圖9)、A-Frame拉力(見圖10)及管道相對托管架的脫離位置,從而驗證托管架的長度、曲率等參數及張緊器能力是否滿足極限鋪設要求。實驗數據表明，受船體運動的影響,管道鋪設過程中所需提供的最大張緊力為4 500 kN,未超出張緊器的能力極限。另外，A-Frame懸吊系統有效地分擔了管道荷載，提高了托管架結構的縱向承載能力,管道模型在與最后一對托輥發生接觸以前就已脫離托管架模型,這也證明了托管架的長度和曲率等設計參數滿足極限鋪設工況要求。

圖9 張緊力變化情況

圖10 A-FRAME鋼纜拉力變化情況

3 結論

本文所述的混合實驗方法能夠較為真實地模擬和測量鋪管船運動及管線加載對于托管架結構的動力耦合作用,彌補了數值方法在處理該問題上的一些不足。通過分析實驗數據,一方面證明了鋪管船運動對于托輥荷載、A-Frame鋼纜拉力及張緊力有明顯的動力縮放效應,在設計和分析托管架結構時必須考慮這部分動力效應可能引發的結構疲勞問題;另一方面也通過混合實驗驗證了托管架的設計參數能夠滿足極限鋪設工況的設計要求。

[1] 顧永寧.海底管線鋪管作業狀態分析[J].海洋工程,1988,6(2):11-23.

[2] 龔順風,何 勇,周 俊,等.深水海底管道S型鋪設參數敏感性分析[J].海洋工程,2009,27(4):87-95.

[3] 陳 凱,段夢蘭,張 文.深水S形鋪管管道形態及力學分析方法研究[J].力學季刊,2011,32(3):353-359.

[4] 遲世春,林少書.結構動力模型試驗相似理論及其驗證[J].世界地震工程,2004,20(4):11-20.

[5] 謝 鵬,周 雷,張向峰，等.托管架原理樣機的試驗設計[J].哈爾濱工業大學學報,2011,43(1):21-23.