海底管道整體屈曲的枕木-浮力耦合法研究

劉 潤, 李青欣, 李成鳳, 郝心童

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

海底管道是深海油氣資源開采與輸送中不可或缺的組成部分, 出于成本及技術(shù)難度考慮, 深海油氣輸送管道一般直接鋪設(shè)在海床上。不埋管道所受水平向土抗力較小, 在高溫高壓作用下, 會發(fā)生水平向整體屈曲, 如果不加以控制, 會嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)營。但是, 如果管道水平向整體屈曲的幅值較小時(shí), 整體屈曲不但不會對管道系統(tǒng)安全構(gòu)成威脅, 而且有助于釋放管道內(nèi)的軸向應(yīng)力。因此, 在海底管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 通常會選擇管道路由上環(huán)境條件較好的區(qū)域, 設(shè)置整體屈曲觸發(fā)裝置, 誘導(dǎo)管道在預(yù)設(shè)管段發(fā)生人為可控的整體屈曲[1]。目前工程中采用的人工觸發(fā)方法包括蛇形鋪管法、分布浮力法和枕木法[2]。其中枕木法是指在管道路由的特定位置設(shè)置枕木或管墊, 使管道在枕木或管墊的位置形成豎直向缺陷和懸跨段, 激發(fā)管道在溫壓聯(lián)合作用下發(fā)生豎直向并隨即轉(zhuǎn)化為水平向的整體屈曲[3]。枕木法已在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用[4-5]。在Sinclair 等[2]給出的九條采用枕木法觸發(fā)管道整體屈曲的工程實(shí)測數(shù)據(jù)中, 八條管道成功在預(yù)設(shè)位置被觸發(fā)產(chǎn)生水平向整體屈曲, 表明枕木法觸發(fā)管道整體屈曲的可靠度較高。

自2001 年以來, 國內(nèi)外一些學(xué)者采用理論分析、有限元模擬或模型試驗(yàn)等方法對單枕木法進(jìn)行了研究。2014 年, 施若葦[6]推導(dǎo)了觸發(fā)管道水平向屈曲所需枕木高度的解析解, 并對枕木法觸發(fā)管道水平向屈曲進(jìn)行了數(shù)值模擬, 研究表明海床側(cè)向剛度對枕木高度的取值有很大影響。……