船舶與海洋工程進展作業(yè)

1、船舶工程學院船舶與海洋工程進展(小論文)學 號：S313010074專 業(yè)：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計及制造學生姓名：許超任課教師：孫麗萍 教授2013年12月鋼懸鏈立管與海床相互作用模型許超哈爾濱工程大學深海工程技術(shù)研究中心摘要：隨著海洋油氣資源開發(fā)逐漸向深水發(fā)展，對于海上浮式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性安全要求越來越高。海洋平臺的隨機運動會引起觸底區(qū)域立管與海底的接觸-分離循環(huán)運動，深海鋼質(zhì)立管聯(lián)合工業(yè)計劃（STRIDE）的研究表明觸底區(qū)的管-土相互作用對立管的動態(tài)張力和疲勞壽命有重要影響。立管與海底的相互作用包括很多復雜的非線性問題：溝槽形狀，非線性的土體剛度，土體吸力以及立管與土體的耦合作用等。目前已有的管

2、-土相互作用模型大都以線性或者非線性的彈簧模擬海底，沒有考慮到土體吸力和溝槽形狀的影響，對于模型中最重要的剛度系數(shù)也沒有合適的確定方法。本文以海床土體的P-y曲線模型為基礎(chǔ)，考慮到土體參數(shù)和溝槽形狀的影響，將管-土相互作用分為加載和卸載兩個階段，推導了立管與海床相互作用的垂向支撐力和橫向摩擦力方程，針對不同形式的管-土相互作用給出了相應的計算模型。關(guān)鍵詞：鋼懸鏈立管；觸底點；動力響應；P-y曲線模型1 前言在深海油氣資源開發(fā)中，鋼懸鏈立管（SCR）由于較大的柔性和低廉的造價而得到了廣泛的應用，是深水油氣田開發(fā)的首選立管形式。SCR的結(jié)構(gòu)形式獨特，具有復雜的非線性動力特性，在設(shè)計、安裝、工作中均

3、遇到很大挑戰(zhàn)。SCR主要由兩部分組成，懸垂段和流線段，懸垂段為海底以上的部分，流線段為SCR與海床接觸的部分，如圖1所示，本文主要研究的是流線段SCR與海床土體的相互作用。觸地點（TDP）是立管最先接觸海床的部分，也是懸垂段和流線段的連接點。在海洋環(huán)境荷載的作用下，SCR的流線段與海床反復相互作用，導致觸地點區(qū)域立管疲勞破壞，進而危及采油系統(tǒng)的安全。圖1 鋼懸鏈立管位置模型Bridge等人在總結(jié)大尺度管土相互作用模型試驗基礎(chǔ)上，提出了海床動態(tài)土剛度的數(shù)值計算模型和土體吸力模型;Wills等人通過STRIDE JIP工程實例與模型試驗，分析了土體剛度變化、土體吸附力等因素對管土相互作用的影響，研

4、究了側(cè)向管-土相互作用機制。Jung討論了海床與鋼懸鏈立管相互作用的數(shù)值模型，提出了簡化的彈簧支撐模型。采用有限元分析理論分別研究了立管位移，土體剛度以及觸底區(qū)域的長度對立管彎曲應力的影響。Charles等人在Dunlap的模型試驗基礎(chǔ)上，研究了鋼懸鏈線立管與海床的相互作用，提出了完整的P-y曲線模型，可以模擬立管提升和循環(huán)載荷作用，并且對數(shù)值模型參數(shù)進行了討論。國內(nèi)方面，傅俊杰建立了非線性彈簧模擬TDP的耦合模型，通過模態(tài)分析得到鋼懸鏈立管的動力特性參數(shù)及典型部位的位移、彎矩和應力時程;白興蘭采用大撓度曲線梁模型和彈性地基梁模型分別模擬SCR懸垂段和流線段，提出了考慮SCR與SPAR的動力耦

5、合效應的整體分析方法。2 海床土體海洋和陸地不同，存在波浪和流的作用，環(huán)境條件更惡劣。波浪力作用在結(jié)構(gòu)上，通過結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)，由基礎(chǔ)將力傳給地基，使地基土受力變形。另一方面，波浪直接作用于海床土層，即土的上覆壓力不斷地在變化，引起土應力和變形場的改變，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。海洋土和陸地土的主要差別在于海洋土具有高壓縮性、高靈敏度、高流動性、低強度的特點。在API（美國石油協(xié)會）和DNV（挪威船級社）的規(guī)范中，對于海床土體也有相關(guān)的說明。規(guī)范中主要把海床土體分為粘土，砂土和巖石，在DNV規(guī)范中，根據(jù)粒徑的大小不同，又將巖石分為細礫，粗礫和巨礫。砂土是一種可以被穿入的土壤，顆粒之間的粘著力可以忽略，密

6、實度非常低。在立管與砂土的相互作用模型中，摩擦系數(shù)和浸沒砂土的重量是兩個重要的參數(shù)。在許多海洋底部廣泛存在著含有碳酸鈣的砂土，對于這種砂土需要特別重視。碳酸鹽砂土的性質(zhì)變化較大，需要根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的經(jīng)驗確定模型參數(shù)。已有的實驗結(jié)果表明，碳酸鹽土壤的密度和石英的含量越高，土壤的承載能力越強。土壤的膠結(jié)作用可以增加承載能力，同時導致橫向壓力和摩擦力的降低。粘土不可以被穿透，并且有明顯的粘著作用，具有較高的密實度，但是顆粒本身具有較弱的承載能力。在載荷作用下，粘土表現(xiàn)為塑性材料的性質(zhì)，具有強非線性的應力-應變關(guān)系。分析立管與粘土的相互作用時，需要粘土的土壤阻力-位移曲線來確定立管的受力情況。巖石可

7、以定義為礫石，即土壤中直徑大于50mm的顆粒超過50%。巖石的承載能力由三軸剪切強度和合適的承載力系數(shù)決定。DNV規(guī)范中按照粒徑大小對土體的分類如表1所示。表1 海床土體分類土壤粘土細沙中砂粗砂細礫中礫粗礫巨礫粒徑大小mm0.064.025125500分析立管與海床土體的相互作用，需要以下基本的土體參數(shù)：土體類型；原位應力狀態(tài)；排水或不排水狀態(tài)下的剪切強度；土體剪切模量和阻尼系數(shù)（分析循環(huán)剪應變作用）；土體變形參數(shù)；一般的土體參數(shù)如土體單位濕重，孔隙比，含水量，塑性極限等。這些參數(shù)的確定需要通過未擾動土樣的土工試驗確定，土樣必須能夠反映立管鋪設(shè)位置的土體情況。在DNV規(guī)

8、范中（DNV-RP-F105）給出了土體的典型參數(shù)，作為初步設(shè)計階段的參考。粘土的典型參數(shù)如表2所示，砂土的典型參數(shù)如表3所示。表2 粘土典型參數(shù)土體類型不排水抗剪強度單位濕重浸入深度孔隙比非常軟0.45軟0.45堅固0.45堅硬0.45非常硬0.45最硬0.45表3 砂土的典型參數(shù) 土體類型內(nèi)摩擦角單位濕重浸入深度孔隙比松軟0.35中等0.35密實0.35建立完整的土體阻力模型，需要考慮以下四個方面：（1）必須了解鋪設(shè)立管區(qū)域海床的地貌地形特征。（2）土體阻力模型需要考慮到垂直于立管的非線性接觸力。（3）模型中應包含立管軸向滑動摩擦力和橫向阻力模型。（4）確定合適的靜態(tài)和動態(tài)土體剛度和阻尼系

9、數(shù)。在DNV規(guī)范中，計算靜態(tài)的垂向土體反力的簡化方法如下：砂土：粘土：式中：為垂向土體反力；為單位土體濕重；為立管與土體接觸的寬度，當浸入深度小于等于0.5倍的立管直徑時，若大于，則；，為承載力系數(shù)，與內(nèi)摩擦角有關(guān)；為有效浸入深度，取和0中的較大者；為修正系數(shù)，考慮到土體不排水抗剪強度隨深度變化；為不排水抗剪強度梯度；為立管浸入土體部分的橫剖面面積。3 土體變形的彈塑性理論在土工建筑物及地基的動力反應分析中，目前廣泛采用的能夠考慮土體非線性性質(zhì)的計算方法大致有兩類：一類為等價線性化法，它將土的實際應力應變關(guān)系用試驗得到的隨應變幅值變化的某些等效參數(shù)，如動割線剪切模量G，以等效粘性阻尼比表示，然

10、后通過多次線性計算，反復迭代，使等效參數(shù)與有效應變水平相匹配，由此獲得近似的非線性解答；另一類即所謂的“真正”非線性法，它直接采用描述土體在不同加載條件（初始加載、卸載與再加載）下的應力應變本構(gòu)方程，對動力平衡方程進行逐步數(shù)值積分求解，且在每一增量過程中依靠某種迭代格式取得符合規(guī)定加載路徑的“真實”應力與變形狀態(tài)。后者是反映土在循環(huán)或瞬時荷載作用下土體動態(tài)響應的一種較合理的途徑，因而近期得到了不斷的發(fā)展。本文應用的P-y曲線模型屬于后者。Dunlap等人做了立管垂向載荷作用下的模型試驗，提出了簡要的位移-載荷模型，如圖中的骨干曲線模型。曲線0-1段為骨干曲線，表示立管初次滲透海床。當立管上的某

11、點開始向上移動時，發(fā)生彈性回躍，P-y曲線沿著路徑1-2。之前的研究表明當立管向上運動時，會產(chǎn)生顯著的土體吸力，但是相比于壓縮土體時產(chǎn)生的張力小很多。向上的位移達到一定程度時，立管開始脫離海床，圖中2點。模型試驗表明分離過程并不是瞬間完成的，而是一個過渡的過程，如曲線2-3段描述的那樣逐漸趨于0。隨著立管的繼續(xù)向上運動，將會脫離海床。到達分離反轉(zhuǎn)點，立管又開始向下運動，最終再次接觸海床（如圖2中3點）。Bridge等人的研究已經(jīng)表明，在立管和海床再接觸的過程中，土體阻力不會發(fā)生突然變化；而是按照圖中曲線3-1平滑變化。根據(jù)立管的歷史運動軌跡，進一步的移動可能沿著路徑1-2，或者沿路徑1-1向下

12、運動。圖2 P-y曲線模型上一段主要講了，在一個加載-卸載循環(huán)中，立管上某點經(jīng)歷較大幅度運動時，該點的P-y響應模型。從立管的位移模型3可以看出在觸地區(qū)范圍內(nèi)，這種大位移并不是在每一點都發(fā)生。然而，位移反轉(zhuǎn)在1-2，2-3或者3-1段都有可能發(fā)生?；谝陨戏治?，表征海床-立管相互作用的P-y曲線應該包含以下部分：（1） 立管初次沉入海床，管土相互作用曲線沿著0-1；（2） 極限滯回曲線1-2-3-1包括立管和海床完全接觸時的彈性回躍曲線1-2，管-土部分分離曲線2-3，以及再接觸或再加載曲線3-1；（3） 滯回圈內(nèi)任意點處位移反轉(zhuǎn)；（4） 滯回圈內(nèi)載荷的循環(huán)。循環(huán)載荷將不可避免地改變P-y曲線

13、的參數(shù)特征。本文中闡述的P-y曲線模型不考慮循環(huán)載荷引起的土體剛度衰減的影響。圖3 觸地區(qū)域立管位移模型圖4 土體骨干曲線在結(jié)構(gòu)和海床土體剛接觸的過程中，表層土體在外載荷作用下直接發(fā)生塑性破壞，所以在骨干曲線剛開始的一小段位移中，土體反力快速增加。隨著結(jié)構(gòu)繼續(xù)向下運動，已經(jīng)發(fā)生破壞的土體進一步被壓實，土體的強度增加，此時土體的變形主要表現(xiàn)為彈性作用，在模型圖中可以看出，骨干曲線的曲率迅速減小，近似為一條直線。對于直徑為的管沉入海床深度時，如圖4所示，計算其極限荷載，根據(jù)前述的模型可以確定骨干曲線。極限載荷與土體剪切強度、土體承載系數(shù)有關(guān)：圖4 立管溝槽和土體參數(shù)根據(jù)有限元方法，Aubeny等人

14、將模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，和的關(guān)系可以用一個經(jīng)驗方程表示：式中：，為方程系數(shù)，可由表4確定：表4 系數(shù)和的取值方法立管粗糙度系數(shù)和光滑粗糙關(guān)于參數(shù)需要通過海床土樣試驗確定，一般可以由十字板剪切試驗或靜力觸探試驗測得，現(xiàn)在較常用的是靜力觸探試驗。根據(jù)探頭形狀的不同可以分為錐型試驗和T型尺試驗，由于錐型探頭可測的頂端阻力比較小，因此應用于軟粘土區(qū)域的準確性較差，而在垂直于T型尺軸向的平面內(nèi)，土體的變形是對稱的，因此T型尺周圍的垂向應力是平衡的，也就不需要壓力修正，測得的結(jié)果也更加準確。如圖5分別為不同試驗測得的海床土體不排水抗剪強度剖面圖。圖5 海床土體不排水抗剪強度隨深度變化曲線從圖中可

15、以看出不排水抗剪強度隨著深度的增加而近似的線性增加，因此在工程實際中常用如下經(jīng)驗公式：式中：為泥線處的土體抗剪強度； 為立管沉入土體深度；為不排水抗剪強度梯度。其中Willis和West通過試驗獲得的墨西哥灣不同等級土的抗剪強度如表所示。表5 墨西哥灣不同等級土的不排水抗剪強度參數(shù)土體類型軟土1.20.8中等強度土2.61.25硬土3.82.05 循環(huán)載荷曲線如上一節(jié)所講，一旦加載-卸載循環(huán)作用于立管，P-y曲線將會進入彈性循環(huán)階段，即連續(xù)的彈性反彈，立管部分或全部脫離海床，以及再接觸和再加載過程。為了模擬這個過程，本模型中用具有如下特征的數(shù)學方程來表示。循環(huán)曲線的幾何特征用P-y曲線上的三個

16、定點來描述，如圖6。點1位于骨干曲線上，表示加載-卸載循環(huán)的起始點，也是立管初次嵌入海床中的極限位置。點2是立管向上運動時土體吸力最大點。點3表示立管完全脫離海床。由這三點形成的曲線為一狹長的封閉回線，通常也稱為滯回圈。滯回圈的面積代表土在加載和卸載之間能量的吸收，應變越大，能量吸收越多，滯回圈的面積也就越大。滯回圈表示了一個循環(huán)中的全接觸全分離過程，即立管從嵌入土體中的最大深度處開始向上運動，直到立管完全脫離海床，然后再嵌入到前一次加載時的極限位置，這是一種理想的情況，實際工作中的立管的運動具有隨機性，具體分析在下一節(jié)闡述。圖6 P-y滯回圈點1是一個不確定的位置，由前一次立管嵌入海床土體的

17、深度決定。通常情況下，取立管嵌入海床土體深度為立管直徑，用公式可確定點1的坐標。用一個模型參數(shù)確定點2：式中：是最大吸力系數(shù)，一般取作0.203，表示最大吸力是最大支撐力的20.3%。根據(jù)完全接觸階段到分離階段的位移間隔定義點3，點3的位置由下式確定：式中：是管土分離系數(shù)，取值0.661，它決定分離過程結(jié)束的位置。（1）點1和點2之間的曲線由雙曲線表示：式中：為表示雙曲線開始處的斜率，決定雙曲線的漸近線；是雙曲線的形狀參數(shù)，決定雙曲線的曲率，取值0.433；為符號函數(shù)，根據(jù)加載或卸載，判斷其取值，卸載時為-1，加載為1。（2）2點和3點之間的曲線可以用一個三次多項式來表示：式中：（3）同樣地，

18、3點和1點之間的再加載曲線用下式表示:式中：6 滯回圈內(nèi)的位移反轉(zhuǎn)對于彈性循環(huán)內(nèi)的任意一點，都有可能發(fā)生位移反轉(zhuǎn)。在1-2段和3-1段的位移反轉(zhuǎn)可以用公式模擬，不過要用反轉(zhuǎn)點代替：如前面所述，加載的情況下，卸載時。當發(fā)生較大的位移反轉(zhuǎn)時，較大，由方程確定的P-y曲線與彈性循環(huán)曲線相交。在相交點P-y曲線控制方程變?yōu)閺椥匝h(huán)過程的方程。圖7表示彈性循環(huán)內(nèi)的1-2段發(fā)生位移反轉(zhuǎn)，并且自反轉(zhuǎn)點A后是雙曲線路徑的載荷。圖7 滯回圈內(nèi)的位移反轉(zhuǎn)在部分分離區(qū)域，2-3段出現(xiàn)位移反轉(zhuǎn)，用方程的改進型表示：總而言之，在任意位置或者彈性循環(huán)內(nèi)反轉(zhuǎn)點之后的P-y關(guān)系曲線，與加載-卸載路徑有關(guān)。描述這條曲線需要載荷

19、方向參數(shù)和以下狀態(tài)變量：（1）骨干曲線上位移最大點，點1。（2）彈性循環(huán)內(nèi)上次位移反轉(zhuǎn)點。（3）最后一次位移反轉(zhuǎn)點。7 程序計算根據(jù)上述的理論方法，用Fortran語言編寫了完整的P-y曲線模型程序。典型的P-y曲線模型如圖8所示。根據(jù)此程序的計算結(jié)果可以準確的模擬管-土相互作用，對于立管的整體動力響應分析計算，可以將此程序作為外部子程序，提高立管整體動力分析的準確性。圖8 完整的P-y曲線模型參考文獻1C Webster W. Mooring-induced dampingJ. Ocean Engineering, 1995, 22(6): 571-591P.2 Bridge C, Will

20、is N. Steel catenary risersresults and conclusions from large scale simulations of seabed interactionC.Proc, Int Conf on Deep Offshore Technology. New Orleans, Louisiana. 2002:17-32P.3 Willis N, Thethi K. Stride JIP: Steel risers in deepwater environments-progress summaryC.Offshore Technology Confer

21、ence. 1999:12-31P.4Jung Hwan You. Numerical model for steel catenary riser on seafloor support D. Texas: Texas A&M University, 2005.5 Aubeny C P, Biscontin G, Zhang J. Seafloor interaction with steel catenary risersJ. Final Project Report, Texas A&M University, USA, 2006.6 Dunlap W, Bhojanala R, Morris D. B