钢悬链线触地区管土作用模型实验研究.pdf 11页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#钢悬链线触地区管土作用模型实验研究1112**孙雷，丁云峰，姜宜辰，金鹏（1.大连理工大学船舶工程学院，大连，116033；52.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨，150001）摘要：立管作为浮式平台采油的重要设备，在工作期间受到涡激振动、环境载荷以及海底土壤的摩擦，易产生疲劳损伤，缩短疲劳寿命。其中触地区是疲劳损伤的热点区域，而目前用于计算的摩擦系数选取存在随机性，导致触地区疲劳寿命预测不准确。本文配置5种粒径分布不同的土壤，制作6个不同尺寸参数的立管模型，通过实验测量立管模型与土壤之间的摩10擦系数，对600组实验结果进行统计分析，得出摩擦系数大小及变异系数与土壤有效粒径之间的关系，并绘出摩擦系数范围曲线，为立管相关计算提供参考。关键词：钢悬链线立管；触地区；摩擦系数；土壤粒径中图分类号：O353.5文献标识码:A15ExperimentalStudyonPipe-soilInteractionofTouchdownZoneonSteelCatenaryRiser1112SUNLei,DINGYunfeng,JIANGYichen,JINPeng(1.SchoolofNavalArchitecture&OffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,116033;202.SchoolofShipbuildingEngineering，HarbinEngineeringUniversity，Harbin，150001)Abstract:Asanessentialelementoffloatingplatform,riserisnotonlysufferedfromtheVIVandthefunctionofenvironmentalforces,plusthefrictioncausedbyseabedsoil,whichleadtothefatiguedamageandshortenthefatiguelifeofriser.Amongallthese,TDZisahotspotoffatigueonsteelcatenaryriser,whilethecoefficientusedtocalculatethefrictionalresistanceisrandom,25whichcausestheinaccuracyofcalculationandthepredictionoffatiguelife.Thisarticlemakesfivetypicalsoilsampleswithdifferentparticledistributionsandsixrisermodelswithdifferentdiametersaredesigned.Theexperimentisconductedtomeasurefrictioncoefficientsandover600setsofexperimentsdataareobtainedforstatisticalanalysistofindtheinfluenceoftheeffectivesizeofsoilparticleonquantityoffrictioncoefficientandvariationcoefficientoffriction30coefficient.Therangecurveofthecoefficientisalsogiventoprovidereferenceontherelevantcalculationontheriser.Keywords:Steelcatenaryriser;Touchdownzone;Frictioncoefficient;Soilparticlesize0引言[1-3]35立管用于链接海底油井和漂浮在海面的浮式平台，长度可达上千米，长度直径比很大，这对于这一结构的强度有着很高要求。随着技术不断发展，钢悬链线式立管应用越来越广泛，逐渐取代了柔性立管。钢悬链线立管受到来自平台的运动载荷、来自波浪和流的水动力载荷、来自和海底土壤相互接触摩擦作用载荷等,这导致了钢悬链线立管运动行为的复杂性。其中来自和海底土壤相互接触作用载荷最为复杂，不确定性最大，对立管结构强度极限基金项目：国家自然科学基金（51309051,51679035）；国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB036101）；教育部博士点基金（20130041120008）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（DUT15ZD218），中央高校基本科研业务费专项资金资助（DUT16RC（3）094）;工信部高技术船舶项目作者简介：孙雷(1982-),男,大连理工大学船舶工程学院副教授,主要从事船舶水动力学,海洋工程水动力学,水下爆炸气泡水动力学等领域通信联系人：姜宜辰（1984-），男，大连理工大学船舶工程学院副教授，主要研究领域：高技术船舶，海上新能源（波浪能与风能），水动力学，计算力学（SS-FSRVM）.E-mail:ycjiang@dlut.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn40至关重要。近年来，国内外学者致力于对钢悬链线立管或海底管线与波浪、流载荷以及海底土壤相[4-7][8]互作用的研究。1973年，C.G.Lyons在对土壤对海底管道横向滑移的抵抗研究中，分别在沙土和黏土土壤上进行实验，得到了海底管道与海底土壤的横向运动摩擦系数最小值与海底管道的重量、管道直径、管道粗糙度的相关性。2000年，世界上第一个全面研究流体、45钢悬链线式立管和土壤相互作用，以及钢悬链线式立管触地端（TDP）运动行为的实验项目[9]STRIDEJIP对沟渠现象的深入分析，为钢悬链线立管的疲劳损伤分析提供了重要的参数。[10]Bruton在2008年的研究中指出，立管管体与海底土壤之间的摩擦分为两个阶段──增长段与平稳段。另外，即使用同一根立管模型在同一种土壤中实验，摩擦系数也可能在一定范围内变动。研究中同时分析了孔隙压力的产生与管体在土壤中运动速度的关系。50由于我国海域比较广阔，不同地区的海底土壤摩擦系数不尽相同，本文针对五种我国海域典型土壤，按照粒径级配将其区分，细化土壤分级指标。设计制造立管模型等试验设备，通过600组实验，测量不同立管模型在五种土壤上轴向运动的摩擦系数。通过统计分析，得出合理的摩擦系数均值及范围，比较分析摩擦系数与土壤粒径之间的关系，并拟合摩擦系数-土壤粒径曲线，方便查找不同土壤粒径对应摩擦系数范围，为后续进行立管相关计算提供55依据。1土壤参数及摩擦系数计算1.1土壤参数1.1.1土壤粒径土力学中用粒径表示土壤颗粒的大小。土壤粒径的大小分布广泛，各不同粒径的土壤颗[11]60粒在土壤中所占比例称为土壤的粒径级配。土力学研究中，常常要对土壤样本的粒径进行分析，得到的不同粒径范围的土壤颗粒的质量分布数据，据此可绘制出土壤粒径分布曲线[11]图。应用土壤粒径分布曲线，可以用相应的符号表示对应质量分数下的土壤粒径。比如，用D10表示占据土壤样本质量10%的土壤颗粒粒径大小上限。土力学中把D10称为有效粒径。1.1.2土壤含水量65土壤含水量（w）表示土壤中水分所占质量与土壤中固体成分所占质量之比。在海底处，土壤中存在气体的可能性极小，可认为是完全渗透的二相土壤。其中Vw和Mw分别表示土壤中水分所占体积和质量。Vv表示土壤中孔隙所占体积，在只有土壤和水两相组成的情况下，Vw=Vv。Vs和Ms分别表示土壤中固体成分所占体积和质量。V和M表示土壤的体积和质量。则土壤含水量w=Mw/Ms。701.1.3孔隙比和孔隙率孔隙比e=Vv/Vs表示土壤中孔隙的体积与固体体积之比。孔隙率n=Vv/V则表示土壤中孔隙体积与土壤样本总体积之比。由于V=Vv+Vs，孔隙比与孔隙率之间的关系为n=e/(1+e)。1.1.4土壤体积密度和比重土壤的体积密度是土壤样本总质量与总体积之比，即ρ=M/V。土壤比重为75Gs=Ms/Vsρw=ρs/ρw。其中，ρw为水的密度，ρs为土壤粒子密度。假定土壤固体体积为1个单位体积，则土壤中孔隙所占体积为e个单位。土壤中固体质-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn量为Ms=Gsρw。又由土壤含水量定义，得出土壤中含水质量为Mw=wGsρw。土壤中含水体积为Vw=wGs。因此可得土壤孔隙比为e=(1+w)Gsρw/ρ-1。由此，只要得到土壤含水量、土壤比重和土壤单位体积密度，即可求得土壤孔隙比。801.2摩擦系数计算实验中，将立管模型在实验土壤上进行匀速轴向拖动测量立管沿轴向方向上受到土壤的摩擦阻力系数。立管在土壤上运动时受力情况如图1所示。85图1立管模型Fig.1risermodelintest质量为m的立管模型在竖直方向上受到重力和浮力，为别为W=mg与B=ρwgVp。其中，Vp为立管模型体积，可以根据圆柱体体积公式和球体受力体积公式求出立管模型体积大约90为23Vp=πDLp/4+πD/12其中D为立管模型的外直径，Lp为立管模型长度。立管模型受到拉力F作用，在实验土壤上匀速运动。F是在实验过程中测量到的拉线上的力。拉力F于水平方向之间夹角为α。因此立管模型受到竖直向下方向上的立管-土壤相95互作用力为V=W-B-Fsinα。立管模型放置于实验土壤上和在实验土壤上运动时会穿透土层向下沉降一定距离，如图2所示。100图2立管贯入实验土壤中Fig.2Penetrationofrisermodel因此立管模型与实验土壤的接触面不是一个平面，就会受到楔入效应的影响，导致立管模型对与实验土壤接触面的正压力N实际上要大于立管模型受到的竖直向下方向上的立管-105土壤相互作用力V。正压力大于相互作用力的关系可以用楔入系数ζ表示，则N=ζV。其中ζ-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn的计算公式为：ζ=2sinθ/(θ+sinθcosθ)。其中2θ为贯入段弧面部分的圆周角。当d≤D/2时，-1θ=cos（1-2d/D）;当d>D/2时，θ=π/2。其中d为立管模型在土壤中贯入深度。实验过程中观测到的拉力水平分量Fh大小为Fh=Fcosα-Fpe。其中Fpe为立管模型埋土时前端受到的土壤被动压力。计算公式为Fpe=ΎzKpAp。其中Ap为立管模型陷入土中部分的投22，，110影面积。当d≤D/2时，Ap=D(2θ-sin2θ)/8;当D/2D时，2，-1Ap=πD/4。其中，θ=cos(2d/D-1)。z表示立管模型埋入土中部分投影面积的面心在土壤中3下降深度。当d≤D/2时，z=2Dsinθ/3(2θ-sin2θ)-(D/2-d);当D/2D时，z=D/2。在海洋工程中，Ύ=Ύs-Ύw表示海底土壤的水下单位重量,其中Ύw=ρwg表示水的单位体115积重量；Ύs=(Gs+e)Ύw/(1+e)表示土壤渗水单位重量。Gs为土壤中固体成分比重，e为土壤孔隙比。可以得到Ύ=Ύs-Ύw=(Gs-1)Ύw/(1+e)。又根据1/(1+e)=ρ/(1+w)Gsρw，得到Ύ=ρg(Gs-1)/(1+w)Gs。又由式1+w=ρV/Ms，Vs=(M-ρwV)/(ρs-ρw)及Gs=ρs/ρw代入式中得到Ύ=g(M-ρwV)/V。因此，只需测量一定体积V的土壤样本的质量M，即可求得水下单位重量Ύ。其中Kp120为土壤被动压力系数，表达式为Kp=（1+sinФ）/(1-sinФ)。其中Ф为土壤抗剪角。立管模型在实验土壤上轴向运动时受到土壤的摩擦阻力T，对于圆柱体立管模型,T=Fh。因此，立管模型和实验土壤之间的摩擦系数为μ=T/N=Fh/N。2模型实验方案2.1实验装置125实验装置主要分为3个部分，分别是实验土壤，立管模型和拉线滑轮系统。其连接示意图如图3所示。图3实验设备130Fig.3Experimentequipments2.1.1实验土壤根据中国海域海底土壤资料，选择三种典型土：黏土、淤泥（腐殖质土）和沙土，按照一定质量比例调配出五种实验土壤。根据粒径分布曲线可以找到五种实验土壤的有效粒径135D10，其中土壤S1有限粒径小于0.001mm，土壤S2、S3、S4和S5有效粒径分别为0.005mm，-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn0.008mm，0.01mm和0.13mm。将五种实验土壤装入实验箱中，尽量使土壤布置均匀，表面平整。为了模拟水下环境，向实验土箱中倒入10cm左右深度的水，等待两个星期左右，使水充分渗透进实验土壤中。2.1.2立管模型140本实验中需要用到6个具有材质相同（钢材）重量和直径参数不同的立管模型，其中管P1和P4尺寸相同（长300mm，外径10mm），管P2和P5尺寸相同（长300mm，外径20mm），管P3和P6尺寸相同（长310mm，外径30mm）。利用现有的3个钢制管P1、P2和P3，通过向管内加小钢珠的方式达到此目的：分别将P1、P3中加满小钢珠得到模型P4和P6，在P2中加适量小钢珠使其质量等于P3的质量，得到模型P5。1452.2实验内容本实验分为4个部分：首先进行立管模型重量测量。用电子称分别测量内部为空的立管模型P1、P2、P3的质量M1、M2、M3。将P1和P3灌满小钢珠，制成模型P4和P6，用电子称测量它们的质量M4和M6。将立管模型P2放在电子称上，放入小钢珠直到电子称显示的数值等于M3为止，制成模型P5。然后拉动拉线，使立管模型在实验土壤上移动，150测量拉力大小。缓慢拉动立管模型P1，使立管模型尽量保持水平匀速在实验土壤表面移动，拉力传感器将电压变化信号传递到信息采集器，信息采集器记录电压信号，并绘制出电压值-时间曲线，得到电压值在拉动立管模型时的平均值，换算成拉力，即可得到立管受拉过程中的拉力平均值。重复步骤若干次，共得到20个拉力测量数据。重复上述步骤若干次得到其他立管模型在5种土壤中的拉力。接下来测量实验土壤质量和体积。将5种土壤样本分别155放入烧杯进行质量和体积测量。最后测量立管模型在土壤中沉降深度。将粘带有实验土壤的立管模型对准塑料纸上和立管直径相同的圆。用记号笔在塑料纸上画出粘有土壤的边缘。洗去塑料纸上的泥土，链接两点，测量这两点之间距离L,计算沉降深度。当立管模型完全沉进实验土壤中时，取d=D。每个立管重复实验3次，计算3次测出的沉降深度的平均值。重复步骤1到步骤3，测量出6种立管模型在5种实验土壤中的30组沉降深度数据。1603数据计算与结果分析3.1摩擦系数计算根据上一章中的实验原理和实验步骤进行实验，对实验过程中测得的数据进行整理并计算立管模型在土壤样本S1上第一次滑动实验的滑动摩擦系数。下面以立管模型P1为例说165明摩擦系数的计算过程。由电子称测量得到的立管模型P1的质量为70.70g，取g=9.81N/kg，计算出立管模型P1所受重量为0.69N。同时求出立管模型P1所受的浮力为0.23N。由于实验过程中尽量保证立管模型沿着水平方向拉动，因此可以将拉力和水平方向的夹角看做α=0，因此得到立管模型P1受到的垂直方向上的实验土壤对它的作用力为0.46N。对实验土壤质量的测量结果显示，33,170体积为100cm的实验土壤S1的质量为173.42g，取水的密度ρw为1000kg/m,可以求出实验3土壤S1的水下单位重量为7202.50N/m。立管模型P1在实验土壤S1的贯入实验中的塑料纸上线段长度的测量结果显示，L=8.8mm，贯入深度0.5D