波浪對管線的作用

1、影響海底管道安全因素管君陽 51082601024海底管線是一種經(jīng)濟、高效的近海油氣輸送設施，在海洋石油工程中應用非常廣泛。海 底管線的液化失穩(wěn)問題是海底管線設計中需考慮的關鍵問題之一。波浪在傳播過程中，會在 海床表面引起周期性的波壓力。這種周期性的波壓力作用會在海床中引起超靜孔隙水壓力及 腿且道絲座立，改變了海床中的應力分布。海線亦會對其附近海床中的超靜孔隙水壓力及附 加有效應力產(chǎn)生影響，使海分布更加復雜，最終可能使海床發(fā)生變形、剪切破壞及液化等現(xiàn) 象，導致海床的失穩(wěn)破壞。因此，研究波浪一管線一土體的相互禍合作用具有十分重要的理 論意義和工程實用價值。海流作用對海底管線穩(wěn)定性的影響海流對管線

2、穩(wěn)定性的影響主要是通過其對海底沉積物的作用。尤其是當管線周圍 土體主要是非粘性土時，海流作用將會導致土體被沖蝕，進而影響管線穩(wěn)定。水流對沉積顆粒的作用力主要用Sh ields參數(shù)表達：9 = Tp (s 1) gd式中，T為施加于顆粒上的剪應力；P為海水密度;s = Ps / P為顆粒相對密度;g為重力加速度;d為顆粒直徑。T由海流的粘滯力和壓力梯度2部分組成。對于相對穩(wěn)定的海流，剪 應力T可以由下式計算得出：T= 1 PfU 22。式中，fc為摩擦系數(shù);U為平均流速。當9的值超過臨界Sh ields參數(shù)9 cr時，沉積顆粒開始起動。對于完全紊流，9 cr為常數(shù)，約為0. 06。在相對穩(wěn)定的海

3、流作用下，直徑為D的管線所受的作用力為:F = 2 pCDDU / U /F = 2 pCDU 2式中，F(xiàn)x代表水平分力，稱之為拖曳力；F代表垂直分力，稱之為上舉力；CD和CL分別 為拖曳和上舉系數(shù)。當管線所受的拖曳力滿足下式時管線可發(fā)生移動：F r (W F )式中，口為管線與沉積物間摩擦系數(shù)；管線的水中自重可用下式計算：兀W = gp (s 1) D 2p 4式中，SP為管線的比重。用傳統(tǒng)方法計算得到的使管線發(fā)生移動所需的流速 與使沉積顆粒發(fā)生起動的流速比 較，前者約比后者大一個數(shù)量級左右1 ,所以在管線發(fā)生移動之前，其周圍沉積顆粒早已失 穩(wěn)。海流通過對管線周圍土體顆粒的沖蝕，使管線暴露、

4、懸空，進而導致管線失穩(wěn)。波浪作用對海底管線穩(wěn)定性的影響波浪對海底沉積物的作用很早就引起了人們的關注。Sleath (1994) 2 提出了一個表征波 浪對沉積物作用的參數(shù)S :S =Mg (s -1)式中，0代表波浪的軌跡速率；冬代表波浪的循環(huán)頻率;Sleath參數(shù)S的本質是波浪 作用在海底沉積物上的慣性力與沉積物自重的比率。波浪運動的Sh ields參數(shù)為：1何口 220g (s -1) dd_式中，可為波浪與沉積物間的摩擦系數(shù)。Sou lsby (1997) 3 認為，f 為A的函數(shù):A -0.52 件g萬)將上3式合并，可得出波浪作用下泥砂起動的臨界S值:dS = 29cr cr A波浪

5、對海底管線作用力的數(shù)學模型很多，目前應用較多的是Mo rison方程，表達形式 如下：一 1_,，兀切F = 2 pC D / 日 / + pC D 2-0-F = pC Du 2z 2 L0式中，垂向分量F向上為正;d為管線直徑;p為海水密度;CD CL CM為相關系數(shù)。在計算波浪對管線水平方向作用力七時，將此等式右側分為2項，第一項表示拖曳力，主要為粘 性阻力和壓差阻力;第二項表示慣性力，也就是流體加速流動時對管線的作用力4 。在計算七的等式中，當A /d較大時，第一項“拖曳力”起主要作用;當A /d較小時，第二項“慣性力”起主要作用。波浪作用下管線的Sleath參數(shù)為：H 0（t）g （

6、S；_1）Dam gaard 1 假定H0的擺動變化是單頻和正弦的，在慣性力為主的條件下，當管線的S值超S過臨界p時，管線失穩(wěn)，即：S = H / CMWilkinson和Palmer 5 ,對管線承受的波浪作用力進行了現(xiàn)場量測，得出當A/d的值 接近1. 5時，CM值的范圍為25,由此得出管線發(fā)生移動的臨界Sp的值為0.10. 3。 近似地，當拖曳力為主時,Damgaard 1】提出下式：2（CA（7D+CL）R 0.6 AD當S值超過S p時，管線失穩(wěn)。Damggard 1 在假定D/d為3000時，以A/d和%為主要參數(shù)分析了海底失穩(wěn)過程 認定 慣性力與拖曳力二者誰取主導作用的分界線為A

7、 /d = 104。周期性的波浪荷載作用會影響海 底土的抗壓與抗剪能力，海底土的臨界七值遠比管線值低。李玉成等6 研究了圓柱周圍的速度矢量場（圖1） , G/D為有限元網(wǎng)格間隙比。從圖1可看出，管線周圍發(fā)生繞流，流場相對集中。表明管線周圍土體受波浪應力較為 集中，加速了土體的侵蝕，從而影響了管線穩(wěn)定性。另外，重力波的存在，將會增加直接作用 在管線和沉積物上的水力荷載，進而影響海底土的抗壓和抗剪能力。圖1圓柱周圍速度矢量場管線周圍土體性質及液化發(fā)生對管線穩(wěn)定性的影響管線下部的土體作為持力層，需能承受管線自重，并且對管線的橫向移動產(chǎn)生阻力。因 此周圍土體的力學性質對管線的穩(wěn)定性影響較大。尤其是海底

8、表層土多為砂土在受到波浪 海流的振動荷載作用下，可能會發(fā)生液化，自身承載力喪失，導致管線下沉或橫向移動。如 果土體受波浪、海流侵蝕嚴重，甚至會導致管線懸空，對其穩(wěn)定性構成嚴重威脅。3. 1 土體對管線的極限承載力鋪設在海底的管線，會因其自重作用而部分沉入土中，直至承重土體對管線產(chǎn)生足夠的 支撐能力，此時土體達到極限平衡狀態(tài)。海底土的極限荷載的一般公式： p = 2 rbN + cN + qN式中，pu為海底土極限荷載(kPa) ; r為管線下海底土的天然重度(kN/m 3) ; c為管線底面以 下地基土的粘聚力(kPa) ; q為管線的旁側荷載，其值為管線埋深范圍土的自重壓力(kPa);Nr,

9、 Nc , Nq為海底土承載力系數(shù)，為摩擦角甲的函數(shù)，可查有關圖表確定。影響土體極限荷載的因素很多，主要包括：(1) 土的物理力學指標土的物理力學指標很多，與土體極限荷載有關的主要是土的強度指標中，c和密度指標r。凡土體的甲,c, r越大，則極限荷載Pu相應也越大。其中土的內摩擦角甲值的大小，對極限 荷載影響最大。荷載作用方向若荷載為傾斜方向，傾斜角越大，則相應的傾斜系數(shù)越小，因而極限荷載Pu也越小，反之則 大。傾斜荷載為不利因素。荷載作用時間若荷載作用時間很短，如地震荷載，則可使極限荷載提高；如管線周圍土體為粘土，可塑性較 高，在長期荷載作用下，可使土產(chǎn)生蠕變降低土的強度，即極限荷載降低。3

10、. 2 土體對管線的橫向阻力放置在海底表面的管線受波、流等橫向荷載作用會對管線的穩(wěn)定性帶來影響。為保持 管線穩(wěn)定，土體需要產(chǎn)生足夠的阻力來抵消波、流產(chǎn)生的橫向荷載。土對管線的橫向阻力一 般認為由兩部分組成，一部分是土與管線界面的摩阻力，一部分是土在管線橫向擠壓作用下 產(chǎn)生的被動土壓力。管線與土體之間的摩阻力大小主要取決于兩者之間的摩擦系數(shù)摩擦系 數(shù)大小隨土體類型變化而不同，一般砂土的摩擦系數(shù)為0. 700. 40,粉質粘土的摩擦系數(shù) 可取0. 550. 25,對于粘土一般取0. 600. 25 7 。土體與管線之間的被動土壓力的計算一般依據(jù)如下公式：P = rzK + 2cJK式中，Pp為被動

11、土壓力(kPa) ; r為土體的天然重度，在水下需用浮容重(kN/m 3) ; z為管線的埋設深度(m ) ; KP為被動土壓力系數(shù)，KP = tg (45 +中/2) ; c為土的粘聚力(kPa)。如果土體為非粘性土，則計算被動土壓力式(15)僅取第一項即可。由式(15)可見，影響 土與管線之間的被動土壓力大小的因素主要為埋設深度與土的強度指標和密度指標。3. 3 土體液化對海底管線穩(wěn)定性的影響海底表層土多為砂或粉土，兩者主要是單粒結構，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在地震或波浪海流 的循環(huán)荷載作用下，疏松不穩(wěn)定的砂粒與粉粒移動到更穩(wěn)定的位置海底表層土多為飽和狀 態(tài)，土孔隙完全被水充滿，在地震或波浪的循環(huán)

12、荷載作用下，土中的孔隙水無法快速排出， 砂粒與粉粒被孔隙水漂浮。此時土體的有效應力為零，喪失承載力。當海底土體發(fā)生液化時, 如果管線的比重大于液化土的比重則管線會下沉，否則管線會懸空，有發(fā)生斷裂的危險。 海底土的液化判別可分為“兩步判別”，即初步判別和標準貫入試驗判別。凡經(jīng)初判劃為不 液化或不考慮液化影響，可不進行第二步判別，以減少勘察工作量。當海底土滿足以下條件 之一時，可初步判別為不液化或不考慮液化的影響8】：地質年代為第四紀晚更新世(Q 3)及其以前時，可判為不液化土；粉土的粘粒(粒徑小于0. 005 mm的顆粒)含量百分率，在地震烈度7度、8度、9 度分別不小于10, 13, 16時，可判為不液化土。當初步判別認為需進一步進行液化判別時，應采用標準貫入試驗判別法。在海底以 下15 m深度范圍內的液化土應符合下式要求：N63.5 七-3N = N 0.9 + 0.1(d - d )； P c式中，N63.5為飽和土標準貫入錘擊數(shù)實測值(未經(jīng)桿長修正),地震烈度為7, 8, 9時分別取6, 10, 16; Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值;d s為飽和土標準貫入點深度(m ) ; dw為地 下水位深度(m ) ; c為粘粒含量百分率，當小于3或為砂土時均應采用3。如計算結果符合式(16)的要求，