海底管道提吊和沉放过程仿真及应力控制研究

摘要

在浅海水域海底管道铺设过程中,拖运至预定地点的管道分段要从海底提吊至水面进行焊接,然后沉放埋设。海底管道被提起后一段悬空,中间悬跨段较长,管道弯曲变形很大,在复杂的环境载荷及安装载荷作用下,极易导致管道的破坏。为了保证海底管道在提吊及整体沉放过程中的变形控制在弹性变形范围内,不发生屈服现象,需要对提吊及沉放方案进行相关力学分析与校核。因此,本论文对提吊及沉放中海底管道的空间形态及应力分布变化过程进行了模拟研究。主要开展了以下内容的研究工作:
　　 探讨了常用的海底管道结构形式,分析其结构特点;根据海洋环境条件及施工方法明确了提吊及沉放过程中作用于管道的主要载荷及其计算方法;对管道在载荷作用下产生的应力形式进行分析,确定了管道强度校核方法。
　　 分析了海底管道同海床的接触作用特点,引入海床刚度概念表达管土法向作用关系,并给出了不同管土作用情况和海床条件下的刚度计算方法;根据海底管道同海床的摩擦作用特点,建立管土各向异性弹性滑动摩擦模型。
　　 结合管道提吊及沉放的具体措施和步骤,建立了海底管道、吊缆及海床的数值模型,利用Slipring连接属性模拟吊缆的收放行为,将海床处理成刚性解析面,采用管土法向软接触模型和弹性滑动各向异性摩擦模型模拟管土作用关系。基于该模型对一段管道的提吊及沉放全过程进行了模拟,模拟结果很好的显示了管道在提吊和整体沉放过程中的连续变形和应力分布情况,可以为施工方案的设计和校核提供重要参考。
　　 基于建立的数值模型,研究了定常水流、海床摩擦系数及管道沉放方案的影响作用。研究结果表明,纵向水流对管道提吊及沉放过程中的空间形态及应力分布几乎没有影响,而横向水流会明显改变管道在水平面内的变形,提高管道的整体应力水平;粗糙的海床对管道沉放过程中的侧移有阻碍作用,沉放完成后管道的弯矩较大;沉放过程中管道应力变化情况比较复杂,吊缆释放的不协调极易导致局部应力峰值的出现;管道沉放完成后的最终形态和弯矩分布对沉放过程十分敏感,沉放方案微小的差别会导致截然不同的沉放结果。