深水多跨海底懸空管道的疲勞分析

余志兵， 孫國民， 戚曉明， 高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

海底管道是保證海上油氣正常安全輸送的一個關鍵且有效的工具。隨著我國海上油氣的開發逐漸轉入深水領域，海底管道面臨的環境也越來越復雜，其中惡劣的海床地形對管道的路由選擇及結構設計提出全新挑戰。眾所周知，海床的凹凸不平、沙波、沙脊、沙壩等因素會造成海底管道較大的懸跨。懸跨過長會使管線的形變及應力幅值增大，嚴重時管道的懸跨段會發生疲勞失效，甚至斷裂。

工程界通常運用DNV-RP-F105規范推薦的計算方法對超跨海管進行詳細的疲勞分析與評估。然而，該規范所推薦的經驗公式有一定的限制條件，涉及跨長與管徑的比值、跨長范圍內的變形量及有效軸力的大小。另外，該規范僅適用于進行單一懸跨的強度及疲勞評估，對于多跨海管問題，規范中的相關推薦公式已不適用，一般可通過有限元分析方法來解決[1-3]。

本文建立多跨海管Abaqus數值計算模型，提出懸空海管模態分析的計算方法，結合管-土相互作用參數，通過工程實例獲得多跨海管順向和垂向渦激振動(Vortex-Induced Vibration，VIV)的模態響應，根據規范推薦的公式完成其疲勞壽命評估。

1 DNV-RP-F105規范推薦公式的限制條件

DNV-RP-F105規范所列的靜態許用懸跨和動態懸跨響應值的計算公式[4-5]適用如下條件：

(1) 懸跨長度LS與鋼管外徑D之比小于140，即LS/D<140；

(2) 管線變形δ與包括涂層在內的管線外徑D之比小于2.5，即δ/D<2.5；

(3) 有效軸向力Seff與歐拉屈曲載荷PE之比大于-0.5，即Seff/PE>-0.5。