块石和混凝土排垫保护下海底管道落锚撞击变形响应研究.pdf
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1、以往的海底管道落锚撞击防护数值模拟主要为单一保护层模型,这里则针对块石+混凝土排垫复合方案建立模型并开展防护性能研究。基于ABAQUS建立有限元数值模型,模拟了落锚、海底管道、海床土体、块石层和混凝土排垫组成的复杂系统相互作用,研究了管道壁厚、内压,落锚质量和撞击速度等因素对管道应变极值和管体凹陷变形的影响。与单纯块石层保护方案相比,采用的块石+混凝土排垫方案具有更优良的防护效果。研究结果表明:在撞击点处,管道的轴向应变和环向应变均达到最大值,且随着与撞击点距离的增加沿管道轴向逐渐减小;撞击结束后,管道上仍然残留一定的塑性应变。随着管道壁厚的增加,管道的最大应变和凹陷深度也随之减小;随着内压的
2、增加,管道上最大拉伸应变变大,而最大压缩应变和凹陷深度减小。随着落锚速度或者质量的增加,管道上最大应变和凹痕深度均变大;在相同动能情况下,管道上的最大应变和凹陷值基本相同,也表明落锚动能是影响管道变形响应的控制因素。本文研究成果可为海底管道防护方案设计提供科学依据。关键词:海底管道;落锚撞击;混凝土排垫;数值模拟;变形响应中图分类号:P756 文献标志码:A DOI:10.16483/j.issn.1005-9865.2023.04.011Deformation response of a submarine pipeline with rock berm+concrete mattress
3、protection subjected to impact by a dropping anchorZANG Zhipeng1,2,XU Zhen1,ZOU Xing3,HOU Jing3(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300350,China;2.Key Laboratory of Earthquake Engineering Simulation and Seismic Resilience of China Earthqua
4、ke Administration,Tianjin University,Tianjin 300350,China;3.CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100028,China)Abstract:In the previous studies,a single protective layer for a submarine pipeline hit by a dropping anchor was often simulated.In this study,the performance of a complex protective sc
5、heme,rock berm+concrete mattress,under the impact of a dropping anchor is numerically investigated.The complex system composed of anchor,pipeline,soil seabed,rock berm and concrete mattress is simulated with the finite element software ABAQUS.The effects of wall thickness,internal pressure,mass of a
6、nchor and falling speed on the maximum strain and deformation dent of the pipeline are investigated.Compared with the pure rock berm,the rock berm+concrete mattress adopted in the present study can provide better protection.At the location of impact,both the axial strain and circumferential strain o
7、f the pipeline reach the maximum values,then decrease along the axial pipeline from the dropping point.There is still a residual plastic strain after the impact.With the increase of the wall thickness,the maximum strain and dent depth of the pipeline decrease.With the increase of the internal pressu
8、re,the maximum tensile strain increases,while the maximum compressive strain and dent depth decrease.With the increase of the mass of anchor and falling speed,the maximum strain and dent depth of the pipeline increase.The maximum strain and dent depth of the pipeline almost keep constant when the ki
9、netic energy is fixed,indicating that the 文章编号:1005-9865(2023)04-0114-13收稿日期:2022-05-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(51579232,51890913)作者简介:臧志鹏(1981),男,博士,副教授,主要从事海洋工程结构物水动力研究。E-mail:第 4 期臧志鹏,等:块石和混凝土排垫保护下海底管道落锚撞击变形响应研究kinetic energy of falling anchor is the main governing factor for the deformation response of
10、 the pipeline.The present numerical results can provide technical support for the design of protection of submarine pipelines.Keywords:submarine pipeline;impact by dropping anchor;concrete mattress;numerical simulation;deformation response海底管道是海上油气开发的重要输运方式,具有稳定性高、营运成本低等优点,但海底管道一旦发生事故,修复工程比较复杂,造成的经济
11、损失和对环境的影响巨大。已有统计资料表明:大部分的海底管道泄漏污染事件和生产损失是由于抛锚等海事活动导致的管道破坏所引起1-2。近些年来随着海上油气资源开发以及海上航运业的快速发展,海底管道穿越航道的情况逐渐增多。因此,有必要对穿越航道的海底管道的防护形式及其在落锚撞击下的变形响应进行研究3-4。对于离岸区域的海底管道一般采用后挖沟自然填埋的保护方式,通常处于半裸露状态或者覆盖于原位海床土之下。针对此类海底管道的落物撞击变形响应开展的研究较多,主要包括宏观的凹陷和屈曲以及微观的应力应变两方面。Arabzadeh和Zeinoddini5研究了在内压存在的情况下海床性质、埋置深度、撞击速度和管内动
12、态波等因素对裸露海底管道截面变形响应的影响。Zeinoddini等6研究内部压力、端部固定条件、撞击物形状、埋置深度和海床土性对海底管道凹陷深度的影响。娄敏和明海芹7研究结果表明:相同坠落物能量的情况下,悬空管道的凹陷损伤深度与裸露管道的相比偏小。王懿等8基于耦合欧拉拉格朗日方法(CEL)研究了土壤特性、落锚速度、锚身重力和埋设深度等参数对管道撞击塑性变形的影响。黄启峰等9研究了不同海床条件、水深、坠落高度下楔形落物对海底管道表面应变响应的影响。崔鹏等10研究了坠物质量、高度、形状、水深以及海床土性等因素对海底管道轴向与环向应变响应的影响。Jiang等11研究了撞击速度、坠物质量、坠落高度、埋
13、置深度等因素对受撞击管道模型横向和纵向截面变形的影响。Shin等12通过有限元方法研究了海床土性、落锚质量与高度、管道埋深等对管道应变极值和发展历程的影响。对于裸露管道或者埋土管道受到上方坠物的直接冲击作用,前人做了大量的试验和数值研究。然而在实际工程中,在穿越航道的海底管道上方一般不采用原土回填,而是会铺设防护结构以防止碰撞损坏3。闫澍旺等13对块石防护层下海底管线的落物撞击损伤机理开展模型试验研究。邱长林等14基于有限元和离散元方法研究了冲击荷载对块石保护层下海底管线的作用影响。张萌萌等15基于模型试验获得了冲击荷载作用下抛锚高度、管道埋深、堆石材质等参量对管道响应的影响。目前多数的海底管
14、道还是以块石防护为主要手段。余志兵等16针对一种新型柔性防护垫对海底管道的保护效果开展了试验研究,对其防护机理和效果进行了论证。张一平等4在块石层的基础上,提出了增加混凝土排垫、橡胶垫等不同方案,并通过试验进行了初步比选,但没有开展系统的研究工作。由于混凝土是常见的水工结构材料,耐久性优良,将混凝土块体通过高强度绳索串联起来的排垫结构具有良好的缓冲表现,且具有较好的经济性和实用性,因此,这里将对块石+混凝土排垫的方案开展详细研究。同时目前对于管道落锚冲击的数值模型,多数为单一覆盖土层以及块石防护层,而对于有2种以上防护层方案的数值模型还未见到。基于ABQUS建立有限元数值模型,针对碎石层+混凝
15、土排垫防护方案下海底管道受落锚撞击问题开展研究,分析不同因素,包括管道壁厚、内压、落锚质量和撞击速度等对管道凹陷变形和应变响应的影响,为海底管道防护方案设计提供科学依据。1数值模型建立1.1材料本构关系及参数研究针对块石+混凝土排垫防护下海床中海底管道在落锚冲击下的变形响应问题开展研究,涉及到了船锚、块石、混凝土块体、海底管道以及海床土体多种材料的模拟。数值模型中将船锚和块石按照刚性体设置,其余材料的本构模型如下:1)土体本构模型海床土体在落锚撞击过程中为弹塑性变形,采用Mohr-Coulomb(M-C)模型,该模型在遇到土体大变形时不会出现数值不稳定的现象17,M-C模型的剪切屈服面函数和塑
16、性势面函数见式(1)和式(2)18。F=Rmcq-ptan-c=0(1)115第 41 卷 海 洋 工 程G=()|c0tan2+()Rmwq2-ptan(2)式中:F是屈服面值;是材料的内摩擦角,也是q-p应力面上M-C屈服面的倾斜角;q=3J2为偏应力,J2是第二偏应力不变量,p=-13tr()为平均应力,为应力张量;c是材料黏聚力;Rmc(,)控制了屈服面在上的形状;是剪胀角;|c0是初始黏聚力;为子午面上的偏心率,通常默认为0.1;Rmw(,e,)控制了塑性面在上的形状。模型中相关计算参数如表1所示。2)海底管道本构模型海底管道采用Ramberg-Osgood模型19,该模型将金属材料
17、的总应变total分为弹性应变e和塑性应变p:total=e+p=E0+(K)n(3)其中,E0为初始弹性模量;K为应变硬化相关系数,n为应变硬化指数。采用X52型管线钢,其相关参数见表2。将管道参数代入式(3)并做变量替换后得到本构模型方程:=E0 1+911(360)10(4)由于Ramberg-Osgood模型适用于材料在静载或准静载作用下,而钢材材料参数在高速变形条件下将发生较大的变化。因此,管线材料还需要采用弹塑性Cowper-Symonds(C-S)模型20来描述高应变率下的应变关系变化,其本构方程见式(5)21。s=1+(M)1n(5)其中,s为材料屈服应力;为等效应变率;M和n
18、为模型参数,文中取M=40.4,n=515。3)混凝土本构模型混凝土的损伤理论目前最常用到的是 混凝土结构设计规范(GB 500102010)22中的拉伸压缩塑性损伤模型,考虑了混凝土在未受力时初始裂纹的存在以及损伤积累导致的裂纹扩展,包括拉伸损伤的软化以及压缩损伤的硬软化23。混凝土损伤模型屈服函数使用Lubliner等24的屈服函数,经Lee和Fenves25修正,考虑了拉伸和压缩强度的演变。屈服面的演变受等效拉伸应变plt和等效压缩应变plc控制,有效应力的屈服函数形式为:11-(-q-3p +(pl)-)-c(plc)=0(6)=b0c0-12b0c0-1,0 0.5(7)表1土体本构
19、模型主要参数Tab.1Main parameters of soil model参数数值土壤密度/(kg m3)1 600弹性模量E/MPa34泊松比0.3内摩擦角/()36.5剪胀角/()12初始黏聚力|c0/kPa0.1等效塑性应变|00表2X52管道主要参数Tab.2Main parameters of X52 pipeline参数数值密度/(kg m-3)7 850弹性模量E/GPa207泊松比0.3屈服应力s/MPa360塑性应变0极限应力b/MPa554塑性应变0.07116第 4 期臧志鹏,等:块石和混凝土排垫保护下海底管道落锚撞击变形响应研究=c()plc t()plt(1-)
20、-(1+)(8)=3()1-kc2kc-1(9)其中,p 为平均应力,q 为偏应力,max为最大主有效应力;b0/c0为初始双轴压缩屈服应力与初始单轴压缩屈服应力之比;kc是拉伸子午面与压缩子午面上的第二应力不变量之比;c(pLc)和 t(pLt)分别是等效拉伸应力和等效压缩应力;x=(|x|+x)/2。以C30混凝土材料为例,混凝土相关计算参数见表326。1.2数值模型建立研究基于ABAQUS建立有限元数值模型,对船锚、海底管道、海床土体、块石层和混凝土排垫进行模拟。土体在受到撞击作用时将产生大变形,因此土体使用欧拉单元,而其他部件使用拉格朗日单元,模型采用耦合欧拉拉格朗日(CEL)分析法。
21、CEL是一种广泛用于处理有限元大变形问题的网格处理办法。在欧拉分析中,连续体的运动由时间和空间坐标的函数表示,欧拉网格保持未变形,材料可以在网格中自由移动7。拉格朗日对象可以在欧拉区域内移动,直到接触到欧拉材料。由于离散元(DEM)等离散体模拟方法均不能和CEL方法耦合,因此这里的块石层采用ABAQUS装配模块中的阵列功能,采用球形单元近似块石体,在3个坐标方向上对球形块石体进行复制生成阵列。在落锚撞击块石层前,给予其充分的时间自由塌落调整位置,以形成稳定的块石层结构。混凝土排垫为一系列立方体单元通过尼龙复合材料串成的柔性排状结构,在模型中同样采用阵列功能进行混凝土块体单元复制,块体单元之间利
22、用尼龙复合材料连接,并通过装配模块中的“合并/切割实体”功能生成整体混凝土排垫,混凝土块层合并后如图1(a)所示。研究中,船锚和块石层均设置为刚性体,不考虑变形,仅模拟其运动过程。由于管道属于薄壁结构,同时为了便于管道轴向和环向相关变量的输出,海底管道模型采用S4R四结点减缩积分壳单元;混凝土块体单元连接的尼龙复合材料采用 B31 两结点空间线性梁单元;土体采用EC3D8R八结点线性欧拉六面体减缩积分单元;由于模型采用Explicit动力显示分析,为尽可能真实反映船锚形状,船锚采用C3D10M十结点修正二次四面体单元;模型在块石层和海床土体的计算域外边界采用刚性壁面进行约束,以模拟无限大区域的
23、约束效果,该壁面采用R3D4四结点三维双线性刚性四边形离散刚体单元;其余部件采用C3D8R八结点线性六面体减缩积分单元。数值模型基于原型实际尺寸建立,底部海床土体模型尺寸为1 467.5 mm8 385 mm14 000 mm(高宽长),网格尺寸为70 mm。船锚尺寸采用规范 霍尔锚(GB/T 5462016)27中质量16 t的A型霍尔锚原型尺寸,网格密度取300 mm。落锚撞击接触面长度与土体宽度比值小于1 5,因此,土体模型边壁效应可以忽略。管道尺寸为 559 mm15.9 mm14 000 mm(直径壁厚长度),撞击点附近轴向长度网格尺寸加密为40 mm,其余位置为100 mm;混凝土
24、块体单元尺寸为300 mm300 mm300 mm(长宽高),网格尺寸取为50 mm;尼龙复合材料连接绳单元尺寸为50 mm28 mm(长直径),梁单元网格尺寸取为5 mm。通常在近岸处海底管道块石护面层设计质量为 100200 kg4,16,文中块石单元采用球体单元进行等效,按照密度2 700 kg/m3计算,则球体单元直径范围为420520 mm。模型中球体单元采用460 mm直径,在实际的取值范围之内,网格尺寸为150 mm。模型各主要部件的详细尺寸与网格密度见表4,数值模型如图1(b)所示。数值模拟的分析步类型为动力显示分析,线性体积黏性系数和二次体积黏性系数分别取值0.06和1.2。
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