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(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2.北京石油機械廠，北京 100083；3.中國石油技術開發公司，北京 100028) *

?

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(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2.北京石油機械廠，北京 100083；3.中國石油技術開發公司，北京 100028)*

摘要：海底管道在管內多相流、波浪以及砂土的作用下，長時間后可能會出現沖刷淘空現象，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，根據建立的數學模型確定管跨兩端支撐砂土的液化流失量。此方法可以為現場海底管道周圍砂土液化的定量分析提供參考。

關鍵詞：海底管道；振動；液化；淘空

隨著海上油田開采方式和技術的發展，海底管道已廣泛應用于海上油田的開發[1]。海底管道在海流、砂土以及管道多相流作用下，可能出現沖刷掏空現象，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出來的類似液體形狀而完全失去承載能力的現象稱為砂土的液化，可以由其抗靜剪力的強度來認定，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、致密程度及含水量等物性有密切的關系，因此，很難對砂土的液化給出定量指標。如果直接提取液化土樣進行力學性能測試，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域的大小也會因為液化界限認定的不確定性而難于實現。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定的轉速振動；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)在砂土箱內摻入適量的水，設定直流電機轉速使管跨在給定頻率下作受迫振動，當管道振動液化一定時間間隔后，關斷直流電機，放掉砂土箱內積水，測試管跨此刻激振衰減曲線。

3)往復繼續程序2)，直到試驗預期結束。

圖2　實測數據與擬合數據曲線

2試驗結果分析

根據振動的特性，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；ωo為自振角頻率。

根據實測數據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次循環做1次紀錄，測試相應的衰減曲線，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量，ρA=4.8×10-2kg/m；l為管材的長度，m。

由式(2)得管跨當量長度為

(3)

根據ω值可以反算出相應的當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。

表1　α、ω及當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，測量結果準確可靠，具有實時性。所定義的管跨當量長度可根據管跨的實際結構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場采集，所得到的數據對于現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]周延東.我國海底管道的發展狀況與前景[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.流動顯示技術用于勝利埕島油田海底管道淘空對策的研究[J].流體力學試驗與測量，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：機械工業出版社，2000：135-138.

投稿須知

1.文章論點明確，論據充分，文字表達精煉，內容齊全完整，論文一般不超過6 000字(包括圖、表)。

3.正文應分條目書寫，用阿拉伯數字標條目，二級條目用點區分，例如：1.1，1.2，…，1.2.1，1.2.2等。文稿中公式書寫正確工整，避免冗長的公式推導，在公式后給出其中的物理量的名稱和單位，量和單位的符號應符合國家標準(GB3100～3102—1993)，正斜體、上下角標(下腳標不能用中文)及大小寫應清晰可辯，必要時可用括號注明文種、正斜體及大小寫，如英小正、希小斜等。

4.插圖要清晰簡明，布局合理，具有自明性，給出圖序、圖題和標目，圖中序號逆時針方向排列。是坐標圖的，應給出坐標的中文名稱和坐標單位。

5.表格采用三線表，應設計緊湊，布局合理，表中物理量應按以下格式給出：名稱 符號/計量單位，例如：許用應力/MPa

7.參考文獻(文中原則上必須有)中只列出版的文獻，非正式出版物不宜引用。文獻按文中出現的先后順序排序，并應在文中用上角標標明引用的參考文獻序號。文獻序號左頂格，用數字加方括號表示，外國人名一律按姓前名后方式給出，其著錄格式：

①期刊：[序號]作者名(多于3人后用“等”字).文章名[J].石油礦場機械，1998，27(3)：39-32.

②專著：[序號]作者名(多于3人后用“等”字).書名[M].出版地：出版社，出版年：起-止頁碼.

③標準：[序號]標準編號，名稱[S].

④論文集中的析出文獻：析出文獻主要責任者.析出文獻題名[C]//原文獻主要責任者. 原文獻題名.出版信息：起-止頁碼

8.投稿后，編輯部一般在40天內答復審稿結果。對于選用的稿件，在不影響實質性內容的情況下，編輯部有權進行文字性修改，發表的論文文責自負。切勿一稿兩投。

9. 作者同意在本刊發表的論文，即授權本刊可以匯編該論文。

10.文稿均應用E-mail提供電子版本，本刊E-mail：sykcjx@126.com，發送郵件時，請在主題(subject)欄目中注明是否為新稿或修改稿。 其他事宜請電話聯系：021-57207610。

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

通訊地址2.文章撰寫順序：①文題(力求簡明，一般不超過20字)；②作者姓名、工作單位、和郵編；③中文摘要(200～300字)，中文關鍵詞(3～8個)；④

中圖分類號：TE973 ，

文獻標識碼：A (由編輯部給出)，⑤正文(要求層次清楚)；⑥參考文獻，⑦英文部分包括：文題、作者姓名(如ZHANG Minghong)、 工作單位、 摘要、關鍵詞(與中文相對應)。

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，學位，畢業院校及專業、研究方向或從事的主要工作，投稿者的郵箱和聯系電話。如果文章內容屬各類基金資助項目或專利項目，請注明項目名稱和編號。

收稿日期：2015-10-15

文章編號：1001-3482(2016)04-0060-03