海底悬跨管道地震反应分析

《工程力学》增刊2003年海底悬跨管道地震反应分析周晶1，李昕1，范颖芳1（1.大连理工大学土木水利学院辽宁大连116024）摘要：随着我国海洋油气资源的开发和利用，油气集输过程中的海底管道建设日益增多。在我国有关海域建设海底管道时必须考虑海底管道抗震设计。文章中不仅介绍了国内外对海底管线动力特性的研究现状，并且介绍了利用水下振动台研究海底悬跨管线在地震作用下的动力反应的模型实验。试验中考虑了地震波输入方向、管道端部支撑情况、水深、悬跨高度、悬跨长度和管内是否有水等因素。并组合这些因素完成120组试验，得到海底悬跨管道动力响应特性。并根据Morison方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结果进行了有限元数值模拟，计算结果与试验结果符合得较好。关键词：海底管道，动力特性分析，模型试验，数值模拟1引言1.1研究意义石油是工业的血液。随着国民经济的飞速发展，对石油的需求越来越大，我国已经从1993年起成为石油纯进口国。目前，美英大国对石油资源的争夺和控制日益激烈，甚至引起战争。因此，无论从国际形势还是从国内需要出发，加速发展我国的石油工业是实现我国现代化的一项基本战略。尤其是加快开发近海石油资源关系到我国经济能否持续发展。预计环渤海地区海上油田产量将由目前的400万吨提高到2005年的2000万吨，渤海海洋油田将是我国唯一高产油区，将建成为“海上大庆”。海底管线是海洋油气传输的重要工程设施，被喻为油气田的生命线。从1954年在美国的墨西哥湾由Brown&Root海洋工程公司铺设第一条海底管道以来，在世界各近海海域成功铺设了无数条各种类型、各种管径的海底管道。我国从1985年在埕北油田的钻井平台间铺设了第一条1.6公里长的海底输油管道开始，截止到1999年累计铺设海底油气管道2,000多公里。最近的十多年中，在渤海海域开发生产的八个油气田中，共铺设21条各种类型的管道。今年，胜利油田预计将铺设海底管道160公里。随着我国海洋油气资源的开发和利用，油气集输过程中的海底管道建设日益增多。资料显示，目前全球每1,000公里管道每年出现损伤/泄漏的概率为0.2％。国内外因海底管线破坏造成油田停产、海域大面积被污染的事例已有数百起，使局域生态平衡遭到破坏，几十年内无法恢复。此类灾害造成的直接损失巨大，间接损失难以估计。环境问题是全球关注的基本问题和突出问题。所以，作为生命线工程重要组成部分的海底管线的安全问题正日益受到重视。我国属于多地震国家，近海油田位于环太平洋地震带上，潜在的地震危险性非常大。《中国主要构造体系与震中分布图》表明，在渤海由辽河口至黄河口方向有一断裂带，渤海中部有一可能发生破坏性地震的地段。近期，1988年6月和1969年7月在渤海西南部，即渤海湾与莱州湾交界处，发生过7级和7.7级地震；历史上，1910年1月和1932年8月也曾在黄海发生过7级以上地震。根据评估渤海地区地面水平地震加速度在0.2g-0.25g。地震与工作载荷组合成为管道强度设计控制条件[1]。所以，在我国有关海域建设海底管道时必须考虑海底管道抗震设计。然而，目前国内外都缺乏海底管线的抗震设计规范或标准，这与在强地震区建造大规模的海底管线的基金项目：辽宁省科学技术基金资助项目（972240）作者简介：周晶（1949.7），男，江苏无锡人，教授，博士，主要从事水工结构工程和防灾减灾研究李昕（1971.9），男，吉林长春人，副教授，博士，主要从事结构抗震和防灾减灾研究范颖芳（1972.5），女，河南开封人，讲师，博士后，主要从事老化结构健康诊断研究《工程力学》增刊2003年局面是很不协调的。通常，在海底管道设计过程中，参照的设计规范主要是美国石油学会（API）推荐的设计规程、挪威船级社（DnV）的海底管道规程和中国船级社的海底管道系统规范。而这些规程和规范中只是原则性的提到在地震设防区要考虑地震对管道的作用和影响，却没有具体条文叙述地震荷载的考虑方法和具体计算方法。因此，明确海底管线在地震作用下的破坏机理，确定抗震计算方法，评价海底管线的地震安全性和制定设防标准迫在眉睫。1.2国内外研究现状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。按海底管道所处的位置分类有：海上油田内部的油/气集输管道和注水管道，海上油田到陆地（陆地处理厂、炼厂和储油装置）的输油/气管道，陆地到装卸油品的系泊装置间的海底管道及岛屿与岸连接的海底管道。从输送介质可分为：海底输油管道，海底输气管道，海底油气混输管道和海底输水管道等。从结构上可分为：双重保温管道和单层管道。从布置方式可以分为两种：一种是铺设在海床面上；另一种是埋设在海床面下。1.2.1管道在波流作用下的反应研究无论哪种布置方式，海中管线由于其环境、荷载和边界条件的特殊性，构成了海水-管道-地基相互作用的复杂系统，分析难度要比陆地管线大许多。铺设在海床面上的管线要遭受波浪、海流引起的动水作用力和冰荷载、偶然荷载（包括浅水区船舶的碰撞、船锚的撞击、拖网渔具的撞击、坠落物的撞击）的影响。另外，由于海底面高低不平、海流的长期冲刷在海底泥沙和管线间形成孔洞等原因，管线悬跨段的出现不可避免，因此当水流横向流过管线时管道受到涡激振动和波激振动，由此产生的疲劳破坏或因“频率锁定”现象产生的失稳破坏是这种管道破坏的主要方式。埋设在海床面下的管线，因波浪引起土中孔隙水压力变化导致管线受到动水升力作用而失稳破坏。根据Herbich等人[2]报告，经过一次剧烈暴风雨后，建设中的直径为10英尺的埋设管道浮到了海底面上。埋在管沟内的管线遭冲刷后，也有可能裸露于水中，出现悬空现象。例如，东海平湖油气田往上海输送天然气和原油的管道，运行半年后经对海底管线检测，在近海海域发现海床冲刷变化，部分埋设在沟内的管线裸露并出现悬空状态，施行紧急加固措施，加固管线总长470m。流场和波浪场的存在是海中管道与陆地管道最根本的区别。各国学者对悬跨管线因涡激振动导致疲劳破坏机理作了大量试验和数值模拟工作，并且挪威船级社（DnV）（1997）发布了悬跨管线设计指南。国内有特色的研究工作主要包括：余建星等人分别对管跨在稳定流和随机流作用下的动力响应规律进行了测定[3]。高福平等人在U型槽中对铺设在海床面上的管道在波浪作用下的稳定性进行了实验研究[4]。金俐测量了加有压块的海底管道和压块本身的阻力和升力[5]。铺设在海床面上的管道属于小尺度杆件在流场和波浪场中的受力问题。其数值模拟方法主要有以下几种：求解速度势函数的Laplace方程；在势流场中布置势流基本解的离散涡或网格涡法；求解涡量-流函数的Navier-stokes方程；求解原始变量的Navier-Stokes方程（又分为层流模式，湍流模式和直接数值模拟三种）[6]。数值模拟使用的空间离散方法有有限差分法（FDM），有限体积法（FVM）和有限单元法（FEM）。Lam等人对在流作用下海床附近的海底管道进行了流体-结构非线性相互作用分析[7]。Xu和Lauridsen等人[8]对因波激振动导致悬跨管线疲劳情况进行了分析。王维根据梁的强度理论提出了确定海底埋设输油管线允许冲刷长度的方法[9]。埋设在海底面下的管道，因为海底土受到周期性波浪作用，引起孔隙水压力升高，土体失稳，甚至发生液化，造成管线的上浮或下沉。这是与陆地埋地管道的重要区别。Sumer等人[10]对波浪引起土体液化进行了试验研究，并分析了管线下沉/上浮的影响因素。Magda[11]和Wang[12]数值模拟了波浪引起的海底土体孔隙水压力的循环变化，及其对海底管线的影响。1.2.2海底管道在地震作用下的反应研究地震荷载和波流荷载的动力特性完全不同。与波浪荷载相比，地震荷载具有持时短、频率高、强度大，短时间内使管道周围流体产生剧烈往复运动的特点。管道因地震产生破坏的原因是：(a)地震行波的波动效应导致管道破坏；(b)管线穿过地震断层导致破坏；(c)地震引起土壤液化导致破坏等。《工程力学》增刊2003年对于陆地管道，尤其是埋地管道在地震作用下的研究，国外[13-18]和国内[19-23]都取得了丰硕的成果。论述海中管道在地震下反应的文献则很少。最新的挪威船级社规范DnV1997有关悬跨管道部分只规定了因波激振动和涡流振动导致管道疲劳破坏的设计方法和准则[24]，但缺少地震设计准则。马良提出了海底管道抗震设计的简化算法[25]。Datta等人[26]采用谱方法分析了悬跨海底管线对随机地震输入的反应。张悉德[27]等考虑管道-流体相互作用建立振动微分方程。Kallontzis[28]使用有限单元法研究了管线同竖向运动海床的随机接触问题。Kershenbaum[29]等人研究了海底管道穿越地震断层的反应。唐友刚[30,31]对海底悬空管道的动力特性进行了研究。Chen[32]分析了海床-海水-岸边结构在地震作用下的相互作用问题。文献[33]对管线因地震导致土壤液化引起的反应进行了分析。自1998年以来，本课题组在辽宁省科技基金的资助下，通过试验建立了波浪升力模型，并利用此模型对因波激振动导致悬跨管线疲劳破坏情况进行了数值分析[34]；同时还通过模型实验开始研究海底悬跨管道在地震作用下的动力特性[35,36]，并初步建立了简化分析模型[37]。2海底悬跨管道模型实验2.1模型设计采用的相似理论考虑到海底管道破坏后果的严重性和维修费用的昂贵性，实际海底管道设计仅考虑管道的弹性变形范围。所以本试验主要采用弹性力相似理论[38]。2.1.1弹性力相似律利用惯性力与弹性恢复力相似得到：122Et(1)式中：、t、和E分别代表原型和模型间的几何比尺、时间比尺、质量密度比尺和弹性模量比尺。参数比尺是参数原型量与模型量的比值。2.1.2刚度相似海底管线悬跨段长度一般达到几十米甚至上百米，受到振动台尺寸的限制，模型的几何比尺一般较大。如果严格按照弹性力相似律，模型管道的截面积过小，不利于量测传感器的布置和量测精度的保证。对于串联多自由度系统而言，如杆件，在保持弹性恢复力相似的基础上，可只保持杆件长度方向的几何相似，而对杆截面形状相似的要求放松，只保持截面的刚度相似。对于梁的弯曲振动：2142rEt(2)式中：AIr2。r、I和A分别为模型和原型间的惯性半径比尺截面面积比尺和惯性矩比尺。2.1.3液体-固体相似由于模型试验中液体材料的选择受到限制，本试验模型周围液体采用与实际情况相同的水，因此原型和模型中液体质量密度的比值与模型和原型管道材料质量密度比值相等。mpmp=1.0(3)式中：p和m分别为原型和模型中液体质量密度；p和m分别为原型和模型中管道材料质量密度。2.2试验设备2.2.1水下振动台介绍在从美国MTS公司引进的一维水平单向大型电-液伺服控制地震模拟系统基础上，将原MTS振动台改为水平与垂直两项激振的水下振动台。图1为水下振动台平面图。在水槽中间为振动台台面；沿振动台水平振动方向在水槽两边设置消能网，消除波浪的反射作用。水槽内最大水深1.0米。《工程力学》增刊2003年消能网水槽水下振动台110104.41103000104.4图1水下振动台平面图（单位：毫米）图2PVC管道尺寸图（单位：毫米）2.2.2管道模型介绍模型材料采用PVC管。模型外径mR=110mm，壁厚pt=2.8mm，模型材料动弹性模量mE=5000MPa，密度331072.1mkg。模型管道尺寸见图2。为了保证原型和模型中液体质量密度的比值与模型和原型管道材料质量密度比值相等，要对模型管道进行配重。采用铅环对模型管道进行配重，配重重量根据式（3）计算。2.2.3量测设备和内容本试验的试验目的是测量海底悬跨管道的动力反应和影响管道反应的因素。为了解管道的动力特性，试验过程中量测了管道应变和加速度。加速度传感器和应变传感器布置及编号分别见图3和图4。海底悬跨管线模型见图5。2800200200200200200200200200200200200200200200水平向加速度传感器竖直向加