第30卷第1期 天津理工大学学报 Vo1.30 NO.1 Feb.2014 2014年2月 JoURNAL oF TL JDi UN]【VERSⅡY oF IECHNoLoGY 文章编号:1673—095X《2014)O1—0001—05 基于ABAQUS的拖锚载荷对海底管线的影响研究 蓝 天,余建星,张 英,林晓龙,赵羿羽,樊志远 (天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072) 摘要:锚击是造成海底管线第三方损伤的重要因素.本文将拖锚对海底管线的损伤分为撞击、拖曳两个方面,并利 用ABAQUS软件对上述两种作用方式进行数值模拟.撞击分析中,利用数值模型分析了管壁厚度、管线长度对最终 凹痕深度的影响,并与其他撞击形式、规范计算值进行了对比.拖曳分析中,重点探讨了海床土壤性质的影响.结果 表明,拖锚对海底管线的撞击作用影响相对较小,平铺于砂质海床上的管线最大拖曳力计算值更大.应用ABAQUS 的有限元模型研究海底管线的抗锚害问题切实可行,对于管线设计、提高管线安全性有一定指导意义. 关键词:海底管线;拖锚;ABAQUS;凹痕深度;碰撞 中图分类号:TE88 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1673-095X.2014.01.001 Study of anchor dragging on submarine pipeline based on ABAQUS LAN Tian,YU Jian—xing,ZHANG Ying,LIN Xiao—long,ZHAO Yi—yu,FAN Zhi—yuan (State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:Anchor is one of the key factors of submarine pipelines third—party damage accidents.The anchor/pipeline inter- action can be divided into two phases:the initial impact and the subsequent dragging of the pipeline across the seabed.In the initial impact analysis,this paper discusses the influence of the pipe wall thickness,pipeline length,anchor sizes on the dent depth.In the subsequent dragging study,analysis focus on the material parameters of the pipeline.All the results are based on ABAQUS finite elements analysis.Research shows that the effect of the initial impact is limited,pipelines on the sandy seabed can stand a higher dragging force.It is feasible and efficient to used ABAQUS FE model to study pipeline/an— chor interaction problems.Results of this research provides a reference for subsea pipeline safety design and integrity man— agement. Key words:subsea pipeline;anchor dragging;ABAQUS;dent;impact 随着海洋油气资源的开发,作为海洋油气运输 底管线及立管失效报告(PARLOC一2001)中的数据, 系统的重要组成部分,海底管道得以大量应用.在其 安装、运营期间,海底管道可能遭受多种偶然性载荷 共统计到海管第三方损伤事故115起,其中锚击事 故44起,占总数的38.3%,为首要的第三方损伤来 源.锚对海底管线的作用,又可以细分为落锚和拖锚 损伤.落锚为船舶临时抛锚时锚直接击中海底管线, 拖锚指锚在贯人海床后,在土壤中拖曳时遭遇海管 作用,如锚击、拖网、落物、沉船碰撞等.上述偶然载 荷可能造成管壁划痕、凹陷等永久性影响,严重时可 能导致管道断裂,引发较大规模的油气泄漏事故.相 对于管道的屈曲、疲劳破坏,工程上往往将此类损伤 称为第三方损伤. 的情况.关于落锚损伤,其损伤原理也与落物冲击较 为相似,国内已有一定的研究基础¨ .而拖锚损 在海底管线的第三方损伤事故中,锚击损伤占 重要比重.根据英国Mott MacDonald公司整理的海 收稿日期:2013—09—01. 伤,国内较为系统的研究、计算尚不常见. 本文将拖锚对管道的作用分为碰撞与拖曳两部 基金项目:国家自然科学基金(51239008;51379145);国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51021004);国家科技重大专项资助项目 (2011ZX05027—005);上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金(1201). 作者简介:蓝天(1989一),男,硕士研究生,E—mail:littleblue0308@sina.com. 通讯作者:余建星(1958一),男,教授,博士生导师,E—mail:yjx200o@tju.edu.an. ・2・ 天津理工大学学报 第30卷第1期 分,利用ABAQUS有限元计算软件,考虑材料的非线 性,对上述2个过程进行建模,并基于模型做了一定 的敏感性分析,为海底管道的抗锚害分析提供一定 思路. 1碰撞分析 1.1 DNV-RP-F107估算方法 本部分研究拖锚与海底管道的初始碰撞,即拖 锚与海底管道作用初始的冲击作用. DNV-RP-F107中针对碰撞载荷对于海底管道的 影响,采用如下的估算方法 J. 碰撞能量估算: EE=E +EA=— (m+m。)・ 2 (1) 式(1)中: 、E 分别为撞击总能量、撞击物 能量、附连水撞击能量; 为撞击时速度,如果是落 锚撞击情况需要进行最终下落速度的估算.本文研 究拖锚,选取拖曳速度即可;m为撞击物质量,即锚 质量;,n。为附连水质量,m。=JD ・c ・V,P 海水密 度, 是锚体积,c。为质量力系数,一般条形物体取 0.1~1.0,箱型物体取0.6~1.5. 海底管线对于碰撞能量的吸收能力估算: E=16・[ ]丁・ ・[ ]丁・D・[ ]丁(2) mPm :} 。 。 (3) 式(2~3)中:E为管壁变形吸收能量,D为管线 外径,t为管壁厚度,m。为管壁的塑性极限弯矩,or 为钢材的屈服极限,6为整个撞击过程结束后,碰撞 处管壁最终凹陷深度. 最危险的情况下,撞击物加附连水的动能全部 转化为管壁的变形能.DNV在评估管道损伤等级时, 认为8/D>5%时,有可能导致泄漏事故的发生,因 此可将的凹陷深度管道损伤的上限. 1.2基于ABAQUS的拖锚碰撞分析模型 ABAQUS拖锚碰撞分析模型如图1所示 J,由 锚和管道2部分组成.锚模型参考标准GB/T546— 1997中C类霍尔锚详细尺寸建模;管道模型计算碰 撞后管壁凹痕深度,选用壳体模型,两端固支.二者 的接触选取最危险的情况,锚尖端与管壁正撞的情 形,一般情况下锚的拖曳速度较低,此处选取2.0 m/ S作为碰撞时的速度. 材料参数设置方面,管道为可变形体,选用API X65钢,采用弹塑性本构关系.锚设置为刚体壳,以 图1拖锚碰撞有限元模型 Fig.1 FE model for initial impact 此保证撞击后的变形能大部分由管道吸收.由于刚 体无法设置其材料特性,锚的质量、水附加质量通过 在其质心位置处添加一个集中质量来控制,锚的转 动惯量设置同理.模型的详细参数设置如表1所示. 表1碰撞模型参数设置 Tab.1 Details of the iintial impact model 模型参数 取值 管线外径 304.8 mm(12 inch) 管线壁厚 9.5 mm、12.7 mm、15.9 mm 管线长度 10 m、12 m、15 m 管线用钢 API X65管线钢 杨氏模量 201 GPa 泊松比 0.3 屈服强度 448 MPa 材料模型 弹塑性模型 材料密度 7 850 kg/m 锚重 5 500 kg~29 000 kg 网格划分方面,锚作为刚体壳选用R3D4单元, 管道选用S4R壳体单元,并在撞击区域适度加密了 网格. 分析步选用动力显式分析步(dynamic,explicit) 来模拟冲击过程.通过分析步中的粘性体积参数来 吸收振荡能量,本文采取默认设置的线性、二次粘性 参数.一般认为这两个取值主要影响作用过程中的 振幅大小、收敛速度.当管壁变形回弹过程基本结束 后,读取撞击处的位移参数,确定凹痕深度.DNV规 范在衡量管道的损伤状况时,选用此凹痕深度与管 道外径的比值作为碰撞破坏的衡量标准. 1.3计算结果与分析 1.3.1拖锚碰撞损伤与管道壁厚关系 基于上述的拖锚碰撞分析模型,可以模拟出钢 制管道受拖锚撞击过程.壁厚为9.5 mm、12.7 mm、 15.9 mm,外径为304.8 mm(12 inch)的管道受不同 ・4・ 天津理工大学学报 第30卷第1期 化曲线如曲线3所示;拖锚撞击由于管线整体变形 对能量的吸收作用,导致最终凹痕深度最小,如曲 线4. 2.2无埋深管线的管土作用力估算 管土之间作用力部分,本部分主要参考DNV— RP—F109管线在位稳定性计算方法中管线侧向在 位稳定性分析中的土体抗力计算部分 ],如公式(5) 所示:规范中将管线侧向位移时土体抗力分为两 部分. F:F+Fn (5) 通过上述的横向比较,归纳出以下结论.在评价 拖锚对于管道的损伤时,拖锚初始的碰撞作用较之 落锚情况要小得多,碰撞能量大多通过管线的整体 变形而吸收. DNV—RP—F107中对于管线凹痕的估算公式考 为管土摩擦力.对于外部为混凝土层的管线 而言,砂土与管线之间的摩擦系数可取0.6,粘土与 虑最极端的情况,稍大于基于ABAQUS数值模拟的 结果,但并不适合评价凹痕深度较小的拖锚撞击 情况. 30.00% 25.OO% 20.00% 她 盘15.00% 目10_00% 5.00% O.00% 0 5000 100001500020002500030000 冲击质量/kg 图6几种碰撞模型模拟结果对比 Fig.6 Results of diferent impact models 2拖曳分析 2.1 DNV规范关于管线拖曳的阐述 DNV—RP.F107认为管线受拖曳、钩卡破坏实质 上管道截面受过度弯曲而导致的局部屈曲破坏,因 此评价方法需要参考管道局部屈曲的相关规定_6 J. DNV—OS.F101关于局部屈曲极限状态的可接受 准则有载荷控制法、位移控制法2种评价方法.本处 选取载荷控制法,管线在弯矩、轴力、温度载荷的作 用下在设计上需要满足基本公式(4) ‘ +{ ) ) + {ap’ ) ㈩ 其中,15≤D/ 2≤45,P >P ,l 5 d l/S,<0.4.T 、 Ysc为材料抗力系数、安全等级系数; 、0c 为流应力 系数、组合荷载压力系数;t 为管壁厚度、D为钢制 管线管径(不含配重层);p 、P 为管线内外压强,P 为管线爆破压强; S,d为需要校核的弯矩、轴力; 、s 为管线的塑性弯矩、塑性轴力计算值;各参数 详细的取值与计算方法参考文献6. 管线之间的摩擦系数可取0.2. 为土体的被动土抗力,与管在重力作用下的 刺人土体深度相关.以粘土为例,可按(6)~(9)公 式计算. 引 = ・ ㈤ Gc (7) Kc: : (8)L ) 。 zpt o.o ・ +o- ・ (9) G。为粘土强度参数;K 为粘土参数; 。为粘土 容重;F 为被动土抗力;F。为管线与土体垂向作用 力;Fz为垂向流体升力; 为管线刺入土体深度;D。 为管线外径(包含混凝土配重层);W 为单位长度管 线在水中的重量.参数的取值、砂土的被动土抗力参 考文献7. 2.3 ABAQUS管线拖曳载荷分析模型 拖曳模型选取平铺于海床上的管道作为研究对 象.拖曳载荷的大小与拖锚路径与管线之间的夹角 相关,模型仅考虑拖锚路径与管线垂直的情况,拖曳 点在管道中点. 整个拖曳过程可以分为3部分,管道开始受拖 曳载荷作用——管线在载荷作用下侧向位移发 展——管线截面在弯矩的作用下发生局部屈曲.模 型采用静力、通用(static,genera1)分析步. 由于不再计算管壁凹陷,重点考虑弯矩的作用, 管线在建模时可以选用梁模型.模型采用pipe31h管 道单元. 管线两端固支,在管线中点设置一参考点,并与 整个管线设置耦合连续约束(位移连续约束),用以 施加位移载荷,并在计算结果中输出反力.管线参数 设置如表2所示. 2014年2月 蓝天,等:基于ABAQUS的拖锚载荷对海底管线的影响研究 ・5・ 表2拖曳模型参数设置 Tab.2 Details of the subsequent dragging model 2.4计算结果与分析 上述模型的计算结果如表4所示.砂质土体与 粘性土体最大拖曳力的计算结果差别较明显,原因 是不同土体对管线的轴向、侧向作用力不同,砂土刚 度较大,而粘土较小.轴向、侧向刚度越大,管线能承 管线参数 管线外径 钢管壁厚/密度 保温层厚度/密度 防腐层厚度/密度 取值 受的极限拖曳力越大,在拖曳力作用下的位移越小. 表4 1 000 m海底管线对应极限拖曳力计算结果 Tab.4 Lateral force limit for 1 000 m pipeline 配重层厚度/密度 ~姒,一 m m m啪-= n 如 1 2x 叭胁G M 4 0 船 管线长度 管线用钢 杨氏模量 泊松比 屈服强度 管土之间作用力通过PSI单元模拟.PSI单元轴 向与切向刚度分别表征管土轴向与切向的相互作 用,轴向作用为管土间的摩擦力,切向作用除摩擦作 用外,还包括被动土抗力.代人基本参数,按照章节 2.2估算管土作用力,设定PSI单元刚度,如表3 所示. 表3 PSI单元刚度估算 Tab.3 Details of PSI element stifness 模型参数 取值 管线浮容重 602 N/m 轴向刚度(砂土) 361 N/m 侧向刚度(砂土) 431 N/m 轴向刚度(粘土) 120 N/m 侧向刚度(粘土) 196 N/m 代人管线参数,参照章节2.1中算法,管线截面 的局部屈曲极限方程简化如下: +【+( J刈‘. 997 ̄<0 (10) N一1.873×10 <0 (11) 其中, 、Ⅳ为危险截面处的弯矩、轴力,R为该 截面处受载荷的反力值. 利用ABAQUS软件,输出各个截面的弯矩、轴力 情况随加载力的变化情况,再利用函数功能对 、Y 数据进行处理,使公式(10)、(11)取0时,分别求出 对应拖曳力,二者较小值为拖曳力极限值. 3 结论 1)将拖锚对海底管线的影响分为撞击、拖曳两 部分,利用ABAQUS/explicit模块建立拖锚撞击模 型,输出管壁凹痕深度以评价管线安全状态;利用 ABAQus/standard模块建立管线拖曳模型,计算管 线可承受最大拖曳力. 2)拖锚初始的碰撞作用较之落锚情况要小很 多,碰撞能量大多通过管线的整体变形而吸收.管壁 厚越大、管线越长,留下的凹痕深度越小. 3)海底土壤条件对管线能承受的最大拖曳力计 算结果影响较明显,平铺于砂质海床上的管线最大 拖曳力计算值更大. 参考文献: [1]宣凯.抛锚作业对海底管线损害研究[D].大连:大 连海事大学,2012. 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