基于跨航道拋錨作業的海底管道埋深研究

張萌萌，李林安，郭志明，雷震名，張翔，閆澍旺

（1.天津大學機械學院，天津 300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；3.天津大學建筑工程學院，天津 300072）

基于跨航道拋錨作業的海底管道埋深研究

張萌萌1，李林安1，郭志明1，雷震名2，張翔1，閆澍旺3

（1.天津大學機械學院，天津 300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；3.天津大學建筑工程學院，天津 300072）

拋錨作業給跨航道海底管道帶來的安全風險問題越來越引起人們的關注。為了加強海底管道防沖擊能力、保障管道的安全運營，針對拋錨沖擊作用下的管道埋深進行研究。通過建立小尺寸拋錨沖擊管道實驗平臺，獲得了沖擊荷載作用下拋錨高度、管道埋深、堆石材質等參量對管道響應的影響。并基于正交實驗原理，綜合分析了不同參量對管道響應的敏感性。利用有限元法對拋錨沖擊管道的過程進行瞬態動力分析，進一步研究了堆石材料力學特性對管道埋深的影響。結果表明：在沖擊荷載作用下，堆石層的材料特性對沖擊能量的耗散起著重要作用。通過將數值分析結果與實驗數據作對比，并結合DNV規范中的能量計算方法，提出了拋錨沖擊荷載作用下管道最小埋深的計算方法。研究成果為海底管道的安全鋪設提供一定的理論指導。

南海；海底管道；沖擊荷載；堆石保護；管道埋深；管道響應

隨著海洋石油工業的不斷發展，海底管道廣泛應用于海上油氣運輸。在航道運輸作業頻繁的區域，海底管道易受到海中漂浮物、船舶沖擊或拋錨沖擊作用而遭受破壞（譚箭等，2008），其中，拋錨作業給管道的安全運營造成了不可忽視的威脅，如圖1所示（張國光等，1989）。錨體沖擊管道是導致管道損壞的主要原因。目前，跨航道海底管道設計常采用路由避讓海底和堆石保護的方法（陸琦等，2010）。與路由避讓海底管道的方法相比，堆石保護方法具有保證海底管道路由線路最佳、減少管道長度和節約工程成本等優點，是較為經濟合理的設計方法（Wang et al，2009）。而針對堆石保護結構的設計僅依靠定性評估的方法來確定管道埋深，缺乏全面的設計理論支持，給管道的安全運營帶來了一定風險（馬坤明等，2012）。因此，對拋錨作業頻繁區域管道埋深的研究就顯得尤為重要（Liu et al，2014）。

圖1 拋錨作業對海底管道的沖擊（婁敏等，2015）

目前，針對海底管道的沖擊問題，國內外學者開展了許多相關的研究。Ellinas等（1983）最早提出了一個沖擊荷載與凹痕深度的半經驗公式。Pal等（1999）對帶損傷的海底管道進行了數值分析，并用等效靜荷載對管道進行彈塑性分析。Wierbicki等（1988）給出了在軸向荷載條件下凹痕深度與吸收能量的經驗公式。Andrew等（2003）在CUED實驗室進行了海底管道沖擊實驗，測出了不同墜落物速度、質量與管道凹痕之間的關系。余艷華等（2012）通過分析管道-土的相互作用，研究了沖擊荷載作用下管道的動力響應。趙師平等（2009）基于ANSYS/LS-DYNA軟件研究了地下輸氣管道在沖擊荷載作用下的動力響應問題，得出埋地管道在夯擊作用下的響應規律。

資料表明，針對管道沖擊問題的研究主要集中于沖擊作用與管道響應之間的關系，而堆石保護結構對管道的保護效果仍需繼續探討。針對以上問題，本文采用縮尺模型實驗模擬了拋錨沖擊管道的全過程，并通過建立有限元模型，進一步分析了沖擊荷載作用下海底管道響應的特征。最后，將實驗數據與數值計算結果進行對比分析，提出了拋錨作業頻繁區域管道最小埋深的計算方法。

1 模型實驗研究

在實際工程中通常采用堆石結構使海底管道免受拋錨、墜落物等造成的損害（王鳳云等，2011），如圖2所示。堆石結構實質上就是按照一定的邊坡比在海床上開挖溝槽將管道埋置一定深度后用碎石回填，從而對沖擊荷載起到緩沖作用，以減小管道損傷。雖然有許多學者對此進行了研究，但由于現有的理論分析不能準確地反映管道損傷情況，而原型實驗雖然準確，但因海洋環境的復雜性，存在檢測條件差、費用大等缺點導致實際操作困難。因此，本文選用縮尺模型實驗的方法對拋錨沖擊海底管道的問題進行模擬研究。

圖2 堆石結構保護原理

1.1模型實驗原理

為了分析拋錨沖擊荷載對海底管道的影響，實驗測量拋錨高度、堆石材質、管道埋深和錨重等不同因素下海底管道的應變響應。基于模型相似理論，對實驗系統進行設計，利用DNV規范中的拋錨能量計算公式可推出模型實驗中管道應變εs與實際工程中管道應變ε的關系，如（1）式所示：

式（1）滿足式（2）的相似比關系。

式中，λA為海管受撞擊吸收能相似比；λE為彈性模量相似比；λε為海底管道應變相似比；λl為幾何相似比。

1.2模型實驗裝置

針對拋錨沖擊荷載作用下海底管道的響應研究，本文設計了拋錨實驗裝置，如圖3所示。此裝置主要包括拋錨系統和數據采集系統。其中，拋錨系統包括：拋錨架、模型槽、霍爾錨、海管、海砂和碎石等。實驗采用兩根尺寸相同的SUS304鋼管模擬X65型號的海底管道，一根為工作管，埋置在堆石保護層中；另一根為溫度補償管，放置在堆石層表面，以消除溫度對管道應變的影響。為了防止錨在下落過程中偏離原指定的位置，在拋錨架的橫梁上設置導向桿，其上有絲杠可調節拋錨高度。實驗根據GB/T546-1997《霍爾錨》的相關規定來制作實驗錨。

圖3 實驗裝置原理

數據采集系統由高頻動態應變儀和計算機組成。應變儀的采集頻率為1 000 Hz，采用半橋的電路連接方式。計算機用于控制數據采集的精度和觀察錨體沖擊管道的應變響應歷程。

1.3實驗測量方案

1.3.1 實驗設計

模型實驗以拋錨高度、堆石材質、管道埋深和錨重為參變量，通過應變片傳感器測量拋錨沖擊荷載作用下管道軸向和環向的應變響應情況。

在實際拋錨過程中，錨體受水阻力、水浮力的影響和錨鏈錨機控制，拋錨運動并非自由落體，而錨體對堆石保護結構的沖擊速度是管道破壞的主要因素，因此，本實驗設計忽略了拋錨過程中水阻力和水浮力的影響，而是通過調節錨體下落高度來模擬錨體沖擊堆石保護層的速度。

參照模型相似原理設計模型實驗，原型與模型的幾何相似比為λl=10，錨的質量相似比為λm= 10，海管受撞擊吸收能相似比為λA=1 675，彈性模量相似比為λE=1.07，海底管道應變相似比為λε=1.57。實驗所用海管的直徑為63 mm，管道壁厚為1 mm。拋錨高度選取0.8 m、1.1 m、1.3 m 3種工況；堆石材質選取碎石和細砂2種工況；管道埋深選取0.12 m和0.16 m 2種工況；錨重選取1.25 kg和4.2 kg 2種工況。

為了增強模型實驗的適用性，按照規范中錨體和海管的標準尺寸，通過調整相似比參數，可從實驗中一組模型尺寸的實驗數據還原出不同規格管道和錨體的沖擊結果。原型與模型實驗的相似比參數見表1。

表1 原型與模型實驗參數相似比

1.3.2 測點布置

在管道中部沿環向方向每隔90°布置雙向電阻式應變片傳感器，并在距離中部140 mm處布置同樣的應變片傳感器，能同時測量管道環向和軸向的應變響應情況。應變片分布如圖4所示。

1.4實驗結果分析

圖4 應變片布置示意圖

表2是碎石保護層下，管道埋深為160 mm、拋錨高度為1.3 m時，管道各測點軸向和環向達到應變極值的響應情況。其中，H點的環向應變最大，此測點位于管道受沖擊作用的垂直落點，是管道最易發生破壞的位置。因此，選取H點作為參考點，分析不同拋錨高度、管道埋深、堆石材質和錨重的影響因素對海底管道應變響應的影響。1.4.1 拋錨高度對管道應變響應的影響

拋錨高度決定了作用在堆石層上的沖擊能量，從而直接決定了管道的損壞程度。實驗通過改變錨體與堆石層的距離考察拋錨高度對管道應變響應的影響。堆石材質為碎石時，拋錨高度對海底管道應變響應的影響，如圖5所示。由圖中可知，隨著拋錨高度增加，管道應變極值增大，說明拋錨沖擊總能量越大對管道應變響應的影響越大；不同的拋錨高度，應變極值響應的時間點不同，且從實驗的數據得知規律不一致，這是由于堆石層石子間的碰撞接觸具有隨機性，導致管道響應時間不同。

表2 實驗測點的應變響應

圖5 H點應變時程曲線圖（埋深160 mm）

1.4.2 管道埋深對管道應變響應的影響

管道埋深決定了能量在傳播過程中的耗散程度，從而影響管道吸收的能量。堆石材質為碎石時，管道埋深對海底管道響應的影響，從圖6可知，隨著管道埋深的增加，堆石層耗散的沖擊能量增加，作用在管道上的沖擊能量減小，所以H點的應變極值隨海管的埋深增加而減??；隨著管道埋深的增加，管道受沖擊作用的影響減小，所以H點的應變幅值隨管道埋深的增加，應變幅值減小且應變幅的波動次數也減少。

圖6 H點應變時程曲線圖

1.4.3 堆石材質對管道應變響應的影響

圖7為不同堆石材質保護層下，管道在各測點的應變響應。從圖中可知，在沖擊位置H點的應變值最大，沿管道軸線方向，隨著與H點的距離增加，管道的應變值減小；從各個測點的應變值可知，碎石保護層下管道的應變值比細砂保護層下的小，說明碎石保護層耗散的沖擊能量相對較大，對管道的保護效果較好。

1.4.4 錨重對管道應變響應的影響

圖7 海管在不同保護層下的響應

拋錨沖擊荷載作用下不同錨重對海底管道響應的影響，如圖8所示。當在H點正上方拋錨時，大錨相對小錨拋錨工況，H點的應變峰值大約增加了1倍且沖擊荷載響應的時間大約增加了4倍，可見錨重對管道應變響應影響較大；當在D點正上方拋錨時，與在H點正上方拋錨時相比，H點的應變峰值減小了，而且隨著錨重增加，H點的應變幅值也急劇增大，說明沖擊荷載作用隨錨重增加對管道局部應力影響范圍增大。

圖8 應變時程曲線

1.4.5 參量敏感性分析

實驗運用正交性實驗原理，綜合考慮拋錨高度、管道埋深等參量對管道響應的影響，進行了參量的敏感性分析。本實驗采用正交表分析實驗結果（白俊磊，2013），分析參量如表3所示。參量的敏感性分析結果如表4所示。參量的敏感性分析結果由大到小依次為：錨的質量、堆石材質、管道埋深、拋錨高度。

表3 正交實驗因素水平表

表4 正交試驗計算結果及極差標準差分析表

2 數值模擬分析

2.1模型的建立

為了確定經濟合理的埋置深度，同時彌補實驗數量的不足。本文利用大型有限元軟件ANSYS對錨體沖擊堆石保護層的過程進行瞬態動力分析。堆石保護層及管道周圍的土體選用solid45單元，管道選用shell181單元，海底管道和堆石保護層之間的相互作用通過conta173單元和targe170單元建立面面接觸對來實現，有限元模型如圖9所示。其中，堆石保護層的模擬是分析問題的關鍵，本文采用Drucker-Prager模型進行模擬，它能夠較好地模擬土體在沖擊荷載作用下的彈塑性變形，并且在大變形計算中不會出現數值不穩定的問題，其本構關系如圖10所示，堆石保護層的模型材料參數見表5。

圖9 堆石保護層與管道的有限元模型

圖10 D-P模型的本構關系

表5 堆石保護層的模型材料參數

2.2沖擊荷載與邊界條件的確定

本文不考慮錨體沖擊的具體過程，而是將錨體的沖擊作用簡化為直接作用在土體上的突加荷載。簡化過程遵循動量守恒定理，即在沖擊時間內，錨體所受沖擊反力的沖量等于錨體動量的增量，如式（3）所示：

基于DNV規范中的能量計算方法，可得P撞擊力與S的關系，如式（4）所示：

其中，0～t1為動態應變儀記錄沖擊荷載作用的時間，且假設沖擊荷載作用位置處的響應時間與管道響應時間一致；P撞擊力為錨體與土體接觸面上的平均作用力，并假設平均作用力與參考點受力變化規律一致；M錨為錨體質量；ΔV為錨體速度增量；S為拋錨高度；EP為保護層耗散能量。選取圖5中拋錨高度為1.3 m的工況，計算出隨時間變化的沖擊力，為了便于力的加載，將沖擊力擬合成分段函數，如式（5）所示：

擬合后的沖擊力時程曲線見圖11。通過使用函數編輯器和加載器在沖擊位置處加載力。

圖11 管道沖擊力時程曲線

模型中堆石保護層的邊界條件：上表面為自由邊界不約束，側面和下表面施加法向面約束。

2.3數值模擬與模型實驗的對比分析

為了分析堆石材質的力學特性，針對影響能量耗散較大的參數摩擦角進行分析，如圖12所示。由圖可知，摩擦角為40°的碎石層比摩擦角為30°的細砂層管道應變幅值小，應變幅波動次數多，由此可見，碎石層耗散的沖擊能量相對較大、管道應變集中現象相對較小；細砂保護層的應變時程曲線較碎石保護層的平滑，管道受力較為均勻；細砂層的抗沖擊能力大約為碎石層的60%，因此，碎石保護層的保護效果較好，此結論與實驗分析結果一致，驗證了數值模型的正確性。

圖12 不同堆石材料管道應變時程曲線

由圖13可見，在細砂保護層下，不同管道埋深對管道應變響應的影響。由圖可知，數值模擬與實驗結果基本一致。圖中選取H點的環向應變作為參考值，隨著管道的埋深增加，管道應變極值減小，應變幅值大約減小了30%；隨著管道埋深的增加，管道應變速率減小，應變峰值突顯現象消失。由此可見，管道埋深對管道的保護效果影響較大。

圖13 不同埋深管道應變時程曲線

3 管道最小埋深計算方法

為了確定管道的埋深，通過數值模型，將實驗測量工況按照模型相似原理還原成實際工程中拋錨沖擊管道工況，并結合DNV規范中沖擊能量計算方法，可得到錨體貫入堆石層的深度，為管道最小埋深的確定奠定基礎。

如圖14所示，在錨體沖擊管道的過程中，管道埋深H是由錨體貫入堆石層深度z和管道與錨體的距離h組成。

圖14 管道埋深的確定

通過利用DNV規范中的沖擊能量計算方法，可知錨體沖擊堆石層的總能量：

沖擊總能量EE的能量耗散途徑主要是由堆石層吸收的能量Ep和管道凹坑吸收的能量E組成：

其中，管道凹坑吸收的能量可通過管道的材料參數得到：

堆石層吸收的能量Ep可由下式得出：

通過以上公式可推出錨體貫入堆石層的深度z：

式中，m為錨的質量；vT為錨的下落速度；σy為管道屈服應力；δ管道變形凹坑深度；t為管道壁厚；γ′為保護層有效單位重力；D為海管直徑；Nγ和Nq為承載系數；AP為海管投影面積；z為錨體貫入堆石層深度。

在拖錨過程中，錨體通常會繼續貫入堆石層一定深度，為了避免錨在拖拽過程中對海管造成損傷，計算海管埋深時需對錨的貫入深度取一個安全系數加以修正，根據以上分析，本文建議堆石保護層的最小埋深取：

式中，H0為海管最小埋深；C為安全系數，與堆石材質、錨的類型有關，當選取霍爾錨時，堆石材質的摩擦角在20°～30°時，C=3～5，堆石材質的摩擦角在30°～50°時，C=2～3；h0為海管與錨體的最小距離，根據實際工程經驗（張磊，2013），一般取大于等于0.3 m。本公式適用于堆石結構的保護層，對于粘性土質等其它材質保護層仍有待研究。

在實際工程中，由于錨的貫入深度不易得知，但拋錨的沖擊能量較易得知，因此由公式（7）（11）可得沖擊能量-管道最小埋深的關系。為了給管道埋深設計提出有效的計算方法，利用數值模型還原實際工況，擬合出拋錨沖擊能量與最小埋深關系的函數公式，如式（12）所示，其關系曲線見圖15，同時與《西氣東輸二線海底管道埋深及保護》項目的調研結果相比較（劉歡等，2012），其值與數值分析的結果吻合較好。

圖15 拋錨沖擊能-管道埋深關系曲線

4 結論

（1）實驗研究了拋錨高度、管道埋深、堆石材質和錨重對管道應變響應的影響，并基于正交實驗法，進行了拋錨沖擊管道的參數敏感性分析，得出不同參量對管道響應的敏感性。

（2）通過對數值模型中沖擊荷載作用的簡化，避開了具體的沖擊過程，提高了模型的計算速度，實現了模型的合理優化。并通過實驗數據與數值模型結果的對比，驗證了模型的正確性。

（3）海管埋深和堆石材質對管道損壞程度影響較大。隨著堆石材質的摩擦角增大，堆石層耗散的沖擊能量增大；隨著管道的埋深增加，管道應變幅值減小，管道的應變速率也較小，應變峰值突顯現象消失。

（4）通過數值分析并結合規范中的能量計算法，本文提出了沖擊荷載作用下海底管道最小埋深的計算方法。

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（本文編輯:袁澤軼）

Research of the embedment depth of the subsea pipelines based onthe anchoring operation in shipping lanes

ZHANG Meng-meng1,LI Lin-an1,GUO Zhi-ming1,LEI Zhen-ming2, ZHANG Xiang1,YAN Shu-wang1

（1.School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Offshore Oil EngineeringCo.Ltd., Tianjin 300451,China;3.School of Construction Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Anchoring operation has impact on the subsea pipeline security,which is increasingly concerned at present. Based on the protection of submarine pipelines,the embedment depth of pipelines on the response of continuously supported offshore pipelines subjected to transverse impacts caused by anchoring is studied.Through the small-scale experiments,a parametric study has been carried out to examine effects from variations in the anchor height,embedment depth of pipelines and subsoil mechanical properties on the pipeline response.Based on the principle of the orthogonal experiment,the sensitivity of different parameters to the pipeline response is analyzed comprehensively.The finite element method is used to analyze the transient dynamics of the transverse impact,and the influence of the mechanical properties of rock armor protection on the embedment depth of pipelines is studied.It has demonstrated that subsoil mechanical properties play a significant role in the impact energy dissipation.Combined with energy calculation method in the specification DNV RPF107,and comparing the experimental data with numerical analysis result,a valuable calculation method of the minimum embedment depth of pipelines under the anchor impact energy-is put forward.Research results provide scientific references to the safety assessment and the laying programs of submarine pipelines.

submarine pipeline;impact load;rock armorprotection;embedment depth of pipelines;response of pipelines

P756.2

A

1001-6932（2016）06-0694-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.012

2015-07-22；

2015-10-15

張萌萌（1988-），女，碩士，主要從事管道安全研究。電子郵箱：mengmeng_z@tju.edu.cn。

李林安（1966-），男，教授，主要從事船舶拋錨撞擊等方面研究。電子郵箱：313049431@qq.com。