非线性波浪荷载作用下裸置管道波浪力计算.pdf

_ 研究探讨 石油工程建设 非线性波浪荷载作用下裸置管道波浪力计算 李凯双1 ，周东月1 ，焦志斌2 1 中国石油冀东油田公司，河北唐山0 6 3 0 0 4 2 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京2 10 0 2 9 d o i ：10 3 9 6 9 j i s s n 10 0 1 - 2 2 0 6 2 0 17 0 1 0 0 4 摘要：为保证海底管道长期运行的稳定性，管道设计过程中需要充分考虑由非线性波浪荷载引起的波浪力。 考虑海床土和孔隙水的压缩变形，基于非线性波浪理论，采用B l o t 固结方程，推导了非线性波浪荷载作用下裸 置管道单位长度上的竖向作用力解析解，并结合埕岛油田不同海区5 0 年一遇的波浪条件，计算不同尺寸的管 道在各海区的波浪力极值。计算结果表明，在波浪条件相同的情况下，由于不同区域海床土的性质不同，所得 到的极限波浪力有差别，因此在研究中不能忽视孔隙水的压缩和土骨架的变形。并将计算结果与采用有 计算该油田不同海区管道所受波浪力的情况进行对比，显示两种计算方法得到的结果相近，趋势相同。 在冀东滩海海底管道稳定性分析中得到了初步应用，实践表明给出的解析公式有一定的工程应用价值。 关键词：非线性波浪；裸置管道；解析解；波浪力 C a l c u l a t i o no fw a v ef o r c e sa d i n go nu n b u r i e dp i p e l i n eu n d e rn o n l i n e a rw a v e s 限元法 此成果 L IK a i s h u a n 9 1 ，Z H O UD o n g y u e l ，J I A OZ h i b i n 2 1 P e t r o C h i n aJ i d o n gO i l f i e l dC o m p a n y ，T a n g s h a n0 6 3 0 0 4 ，C h i n a 2 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fH y d r o l o g y W a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gH y d r a u l i cR e s e a r c hI n s t i t u t e ， N a n j i n g2 10 0 2 9 ，C h i n a A b s t r a d ：I no r d e rt oe n s u r eJ o n g t e r mo p e r a t i o ns t a b i l i t yo fp i p e l i n e s ，t h ew a v ef o r c e si n d u c e db yn o n l i n e a rw a v e ss h o u l d b ef u l l yt a k e ni n t oa c c o u n td u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fp i p e l i n e s C o n s i d e r i n gt h ec o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o no fs e a b e ds o i l a n dp o r ew a t e r t h ea n a l y t i cs o l u t i o no fv e r t i c a lf o r c ep e ru n i tl e n g t ha c t i n go nu n b u r i e dp i p e l i n eu n d e rn o n l i n e a rw a v e si S d e d u c e db yu s i n gt h eB i o t Sc o n s o l i d a t i o ne q u a t i o nb a s e do nt h et h e o r yo fn o n l i n e a rw a v e s C o m b i n e dw i t h5 0y e a rr e t u r n w a v ec o n d i t i o ni nd i f f e r e n ta r e a so fC h e n g d a o0 i l f i e l d t h em a m u mw a v ef o r c e so np i p e l i n e sw i t hd i f f e r e n ts i z ea r ec a I - c u l a t e da n dt h er e s u l t sa r ed i f f e r e n td u et ot h ed i f f e r e n ts e a b e ds o l Ip r o p e r t i e s s Ot h ee f f e c to fp o r ew a t e rc o m p r e s s i o n a n ds o l lf r a m ec o m p r e s s i o nc a n n o tb en e g l e c t e di nt h es t u d y T h er e s u l ti Sa l s oc o m p a r e dw i t ht h a tf r O mf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n ds h o w st h a tu n d e rt h es a m ew a v ec o n d i t i o nt h e r ei S I i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt 1 e ma n dt h e ye x h i b i tt h es a m e t r e n d T h ep r o p o s e da n a l y t i ce q u a t i o ni sv a l u b l ei ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e K e y w o r d s ：n o n l i n e a rw a v e s ；u n b u r i e dp i p e l i n e ；a n a l y t i cs o l u t i o n ；w a v ef o r c e 1 概述 海洋石油开发生产中，由于所处的海洋环境复 杂，受多种环境因素及人为因素的影响，海底管道会 产生裸露情况。裸露的海底管道若发现或治理不及 时，会导致管道悬空甚至下沉，情况严重的还可能发 生断裂，导致原油外漏等海上重大安全和环境污染事 故。因此对裸置管道在位稳定性进行分析非常重要。 裸置于海水中的管道，主要受海流、波浪等环 境荷载的影响，对其在位稳定性进行分析时，需要定 量分析波流作用下管道的动水作用力。目前仍然沿用 M o r i s i o n 方程计算，其基本假定为波浪的运动不受管 道的影响，也就是不考虑尾流效应，显然此假定与实 际情况不符。另一方面该方法采用库伦摩擦理论处理 管土接触，导致管道受力计算结果偏保守n a 。 由于M o r i s i o n 方程的假定存在欠缺，文献【13 】基 于P F M P 项目，考虑了波流受到管道存在的影响， 提出尾流模型即W a k eJ 模型。文献 1 4 1 5 】基于 W a k eI 模型，建立了W a k el I 模型，该模型修正了 影响尾流速度的几个参数，但W a k el l 模型并没有考 虑波浪的多种形式。 2 非线性波浪理论 一般取幂级数作为势函数西，表达式为”。 万方数据 李凯双等：非线，| 生波浪荷载作用下裸置管道波浪力计算 咖：彳砷。( 戈，f ) ， 1 ( 石，) = o ( 1 ) n = O 利眼定在戈无穷远处不存在波动，则自由水面z = 田+ d 处的边界条件为： 式中：叼为波面在静水以上的高度，m ；”：为流场 内水质点的水平流速和竖向流速，m s ；d 为水深， m ；g 为重力加速度，m s 2 。 在研究浅水区的波浪时，通常认为水质点的竖向 分速远小于水平分速，因此忽略巩的影响，并将口： 用线, 1 f 4 t 水平分速取代，则上述边界条件可转化为： 根据上述条件，司得到自由水面非线性影响的 二阶近似波动方程： 争= 鲥血O x 2 + 鲥去( 手孚+ 丁d 2 血O x 2 ) ( 4 ) 由于考虑到浅水区水质点的竖向分速很小，因 此忽略”：的影响，因此只需取一阶近似解： 叼= H s e c h 2 、署 一t 椰) ( 5 ) 式中：日为波高，m 。 则函数西为： 咖2 芸t a n h 、器t 厕) ( 6 ) 根据式( 6 ) 可求得波浪场内任意一水质点的 水平流速为： 肾盟O x = 停s e c h 2 悟t 厕) ( 7 ) 3 波浪力解析计算 以往的研究大多基于势流理论，忽略孔隙水的 压缩和土骨架的变形，本文则考虑孔隙水的压缩和土 骨架的变形，根据B i o t 固结理论，土体的控制方程 可表示为”7 l ： 研究探讨_ 一G V2 w ，+ 击音甜誓= o G V ：+ 南告 誓= ( 8 ) 监_ _ V2 p ：0 O t y w 一 式中：s 。为体应变，8 v = ( 警+ 誓) ；妣与删：为土 体的位移，m m ；G 和分别为海床的剪切模量和泊 松比；k 为海床渗透系数；P 为孔隙水压力，k P a ；y 和7 。分别为土的密度和水的密度，k g m 3 。 根据文献【1 8 】可知，对于可压密介质中的可压缩 性流体，其运动控制方程可描述为： 卫V 2 p = 告誓+ 粤 ( 9 ) y w Ad fd f 式中：n 为孔隙率；K 为水的体积弹性模量，M P a 。 将式( 8 ) 、( 9 ) 中的位移项消去，得到关于孔 隙水压P 的控制方程为： 驴p = 器等Z 尤Aa E ( 10 ) 假设海床无限深且海床土体为均匀介质，管道半 径为R ( m ) ，如图1 所示。当海床上存在裸置管道 时，流体与管道相遇会发生散射，孔隙水压P 可分为 两部分，即单纯由波浪引起的渗流压力P ( k P a ) 和管道所引起的摄动压力P ”( k P a ) 。 P = 口+ P ” ( 11 ) V 。 ，d L 注：R 为管道半径，m ；( r ，8 ) 为极坐标；0 为流体与管道夹 角，( 。) ；R 为管道水平向作用力，k N ；F H 为管道竖向作用 力，k N 图1 数值计算模型 波浪引起的渗流压力p7 满足如下的控制方程及 边界条件： 型+ 垡：翌弛型 溉2 跳22 五KO t p ，= p w ，= = d ( 1 2 ) P 7 = 0 Z 一o 。 忡 O = 尘忱 卜 盟如 秽 一 + 汀一h 一 亟如 秽 卜 ，L 一 、一2亟m + = 卯 州 卜 1 5 丝西盟m 3 ，L 0 厶一r 却 盟如 矿 一叩 卫d一卫d挣悟 + 斗 引 丑m监m 监以 万方数据 _ 研究探讨 石油工程建设 对式( 1 2 ) 进行推导，得到海床由波浪引起的 渗流压力p 为： p t = 一7 灌。 唧k 埘一2 悟( x - t 厕) 卜) ( 13 ) c _ ( 学却饵悟厕器卜 式中：i 是复数，i 2 = 一1 ；P 。为海床面的孔隙水压力， k P a ；n 为土体孔隙率。 对于圆形管道，管道所引起的摄动压力p ”的控 制方程和边界条件为： 型+ 上芷+ 1 型一啦芷 a r 2 。r a r 。r 2a 俨一2 k KO t p ”才一= ，d s ( 1 4 ) 掣：一掣产R 。 O r