海底管道振動對周圍土壤的液化作用試驗研究

李國珍，袁亞雷，都亞男

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249；2.北京石油機械廠，北京 100083；3.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100028) *

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海底管道振動對周圍土壤的液化作用試驗研究

李國珍1，袁亞雷2，都亞男3

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249；2.北京石油機械廠，北京 100083；3.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100028)*

摘要：海底管道在管內(nèi)多相流、波浪以及砂土的作用下，長時間后可能會出現(xiàn)沖刷淘空現(xiàn)象，從而引起管道的懸空振動。通過試驗測量管跨在激振條件下的衰減特性，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型確定管跨兩端支撐砂土的液化流失量。此方法可以為現(xiàn)場海底管道周圍砂土液化的定量分析提供參考。

關(guān)鍵詞：海底管道；振動；液化；淘空

隨著海上油田開采方式和技術(shù)的發(fā)展，海底管道已廣泛應(yīng)用于海上油田的開發(fā)[1]。海底管道在海流、砂土以及管道多相流作用下，可能出現(xiàn)沖刷掏空現(xiàn)象，使部分管道裸露，從而引起管道的懸空振動[2-4]。另一方面，由于管道的振動會引起管道周邊砂土的液化，使管道的懸空長度越來越大，從而引起管道更大幅度的振動，加速懸空管道的斷裂和疲勞破壞。因此，研究海底管道的振動及其對周圍土壤的液化作用是完全必要的。

砂土在動載荷作用下表現(xiàn)出來的類似液體形狀而完全失去承載能力的現(xiàn)象稱為砂土的液化，可以由其抗靜剪力的強度來認(rèn)定，抗靜剪力的強度越低，流動性就越好，液化就越充分。另一方面，砂土抗靜剪力的強度又與其本身的硬度、顆粒形態(tài)、致密程度及含水量等物性有密切的關(guān)系，因此，很難對砂土的液化給出定量指標(biāo)。如果直接提取液化土樣進行力學(xué)性能測試，則很難保證液化土樣的物性在測試過程保持不變；另外，直接測量管道周圍砂土液化區(qū)域的大小也會因為液化界限認(rèn)定的不確定性而難于實現(xiàn)。因此，本研究采用在管道振動液化試驗過程中，通過測試管跨在激振條件下的衰減特性來反算管跨長度，確定管跨兩端支撐砂土的液化流失量，進而研究管道振動作用下砂土的液化特性。

1試驗方案

試驗裝置如圖1所示，試驗管跨的兩端埋在砂土箱的砂土中，箱中的砂土浸在水中；在管跨中點處的支架下方固定一直流電機，電機軸上裝有偏心輪迫使管跨按直流電機設(shè)定的轉(zhuǎn)速振動；支架上方固定1個位移傳感器，測試管跨中點的振動位移響應(yīng)信號和激振時的振動衰減特性。為了便于測定衰減曲線，試驗選取管道材料有機玻璃管，直徑10 mm，有效長度1 000 mm；激振輪偏心距為5 mm。

圖1　試驗裝置

試驗操作步驟如下：

1)將管跨兩端的砂土填埋夯實，測出管道原始激振衰減曲線，如圖2所示。

2)在砂土箱內(nèi)摻入適量的水，設(shè)定直流電機轉(zhuǎn)速使管跨在給定頻率下作受迫振動，當(dāng)管道振動液化一定時間間隔后，關(guān)斷直流電機，放掉砂土箱內(nèi)積水，測試管跨此刻激振衰減曲線。

3)往復(fù)繼續(xù)程序2)，直到試驗預(yù)期結(jié)束。

圖2　實測數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)曲線

2試驗結(jié)果分析

根據(jù)振動的特性，可以把激振衰減曲線取作

y=A0e-αtcosωot

(1)

式中：y為位移；A0為激振初始位移；α為衰減系數(shù)；ωo為自振角頻率。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)由最小二乘法可計算出α、ωo值。如圖2所示為管道原始激振衰減曲線，擬合方程x(t)=-1.48e-5.16tcos(41t)，即α=5.16，ωo=41。砂土液化試驗按每6 000次循環(huán)做1次紀(jì)錄，測試相應(yīng)的衰減曲線，用同樣方法可以分別計算出α、ω值，如表1所示。

將管件兩端的支撐簡化為簡支梁，固有頻率取為[5]

(2)

式中：E為彈性模量，E=2.35×103MPa；I為截面慣性矩，I=3.7×10-10m3；ρA為管材的單位長度的質(zhì)量，ρA=4.8×10-2kg/m；l為管材的長度，m。

由式(2)得管跨當(dāng)量長度為

(3)

根據(jù)ω值可以反算出相應(yīng)的當(dāng)量管跨長度及液化流失長度，如表1所示。將模型計算長度與實測管跨長度比較，誤差在合理范圍之內(nèi)。

表1　α、ω及當(dāng)量管道管跨長度和液化流失長度

由表1可以看出：隨著振動次數(shù)的增加，砂土支撐長度在不斷的減少，管道支撐處的砂土不斷液化流失，平均液化速度為3.5 cm/萬次左右。

3結(jié)論

1)研究提出的阻尼衰減曲線方法適用于海底埋地管道周圍砂土液化的定量試驗研究和測試。該方法原理可靠，人為因素少，操作簡單易行，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有實時性。所定義的管跨當(dāng)量長度可根據(jù)管跨的實際結(jié)構(gòu)及兩端支撐砂土的物性采用不同的支撐條件。

2)試驗研究所采用的砂土系現(xiàn)場采集，所得到的數(shù)據(jù)對于現(xiàn)場管道周圍砂土液化的定量分析有一定參考價值。

參考文獻：

[1]周延?xùn)|.我國海底管道的發(fā)展?fàn)顩r與前景[J].焊管，1998，2(4)：46-48.

[2]李國珍.流動顯示法用于海底管道淘空機理的試驗研究[J].石油礦場機械，2012，41(1)：42-45.

[3]李振林.流動顯示技術(shù)用于勝利埕島油田海底管道淘空對策的研究[J].流體力學(xué)試驗與測量，2003，17(3)：49-52.

[4]李國珍.海底懸空管道的動力響應(yīng)分析[J].中國海洋平臺，2015，30(3)：49-53.

[5]屈維德，唐恒齡.機械振動手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：135-138.

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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

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doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.015

作者簡介：李國珍(1976-)，女，山東高唐人，講師，博士，主要從事管道混輸及機械設(shè)計研究，E-mail：guozhenli76@163.com。 包括：第一作者姓名(出生年-)，性別，民族，籍貫(××省××縣人)，職稱，學(xué)位，畢業(yè)院校及專業(yè)、研究方向或從事的主要工作，投稿者的郵箱和聯(lián)系電話。如果文章內(nèi)容屬各類基金資助項目或?qū)＠椖浚堊⒚黜椖棵Q和編號。

收稿日期：2015-10-15

文章編號：1001-3482(2016)04-0060-03