CN105224803B - 一种管土相互作用分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管土相互作用分析方法，该方法包括建立管土相互作用模型、采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤深度等步骤。其优点在于：考虑了海底土壤泥面处不排水抗剪强度和土壤不排水抗剪强度垂向增量、管沟形状、管道结构表面粗糙度、管道自重和安装作用力等因素对管土相互作用的影响，采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤的深度，从而建立一个新的管土相互作用的分析方法，解决了海洋管道在安装过程中与海底土壤相互作用的问题，为海洋管道安装的安全可靠性提供了分析途径和理论依据。

Description

一种管土相互作用分析方法

技术领域

本发明涉及一种管土相互作用的研究方法，更具体的说，本发明涉及一种研究海洋管道与海底土壤相互作用的分析方法。

技术背景

蓝色的海洋中蕴藏着丰富的资源。近年来，随着人们逐渐加大了对海洋资源的开发和利用，海底管道、悬链线立管等管道结构在海洋资源的勘探和开采中得到了广泛的应用。

所述的海底管道能够将海底油井产出的石油、天然气等能源流体高效快速的运送到陆地上，其具有安装方便，造价低廉，高效运输等优点，已作为海底油气运输系统的主要装置，是海底能源物质运输的大动脉。在浅海处，为了防止外界环境对海底管道的破坏，一般采用挖沟掩埋的方式安装管道，再利用回填土壤覆盖海底管道起到保护的作用。但是，在深海中挖沟掩埋的安装方式成本造价较高，故一般改用直接平铺的安装方式，运用铺管船直接将海底管道铺设在海床表面上，主要有“S”型铺管和“J”型铺管。

所述的悬链线立管在海洋工程领域中应用非常广泛，它一端连接于海上平台，另一端连接海底油井，将海底油井产出的石油和天然气运输到海上平台上，同时还可以对浮式采油平台进行定位。由于其自身重力的作用，悬链线立管成抛物线形，在与海底接触时会对海底土壤产生压力作用，从而形成一定深度的沟槽。

可见，无论是海底管道，还是悬链线立管，都会涉及到海洋管道和海底土壤的相互作用。在安装过程中，海洋管道受重力和安装力的作用会挤压海底土壤并使其发生变形，而海底土壤也会对安装管道产生反作用力，使安装管道出现较大的弯曲变形和弯曲应力。当弯曲应力超过安全值时，就会使安装管道出现破裂现象，造成安装工程的失败。海洋管道的安装是一个重要的过程，不仅与安装管道的安全有关，而且还关系到管道后期服役的安全问题。另一方面，海底土壤的性质、管道特性以及安装过程的外力作用也会对海洋管道的安装产生重要影响。

现有技术对于海洋管道和海底土壤的相互作用做了大量的简化，一般采用简单的线性弹簧模拟海底土壤对管道的作用，并未有考虑到海底土壤的性质、海洋管道自身的结构性质、海洋管道与海底土壤相互作用的非线性等影响因素。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的缺陷，并为此提供一种管土相互作用分析方法。该方法考虑了海底泥面土壤不排水抗剪强度和土壤不排水抗剪强度垂向增量，还考虑了管沟形状、管道结构表面粗糙度、管道自重以及安装作用力等因素的影响，从而改进了现有技术对管土相互作用的分析方法，使管土相互作用分析结果与实际情况更加吻合，提高了管土相互作用分析结果的可靠性。

本发明的技术方案是：

一种管土相互作用分析方法，包括以下步骤：

(1)建立管土相互作用模型：

KY＝F

式中：K—总刚度矩阵；

Y—管道各结点位移矩阵，Y＝[y₁ … y_i …]^T，可采用有限元法或者有限差分法用各连接结点的位移表示整个连续管道的位移；

F—管道受到的总外力矩阵，包括管道自重和安装作用力；

k_i—在i结点处土壤对管道的支撑刚度；

y_i—在i结点处管道嵌入土壤深度；

a—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到；

b—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到；

S_u0—海底泥面土壤的不排水抗剪强度；

S_ug—海底土壤不排水抗剪强度垂向增量；

(2)采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤深度，具体的计算步骤如下：

A.给海洋管道各结点嵌入土壤深度设定微小的初值：

B.计算各结点海底土壤对管道的支撑刚度：

式中：i—管道第i个结点，i＝1,2,…；

j—第j次迭代，j＝0,1,2…；

C.综合土壤支撑刚度和管道结构刚度形成总刚度矩阵，综合管道自重和安装作用力形成总外力矩阵,对管道位移进行计算：

Y^j+1＝F/K；

式中：Y^j+1—第j+1次迭代管道的位移；

K—总刚度矩阵；

F—总外力矩阵；

D.如果η为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令：Y^j＝Y^j+1，j＝j+1；如果则然后重复B和C的计算；

E.如果则终止计算，得到管道位移和管道嵌入土壤深度。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

考虑了海底土壤泥面处不排水抗剪强度和土壤不排水抗剪强度垂向增量、管沟形状、管道结构表面粗糙度、管道自重和安装作用力等因素对管土相互作用的影响，采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤的深度，从而建立一个新的管土相互作用的分析方法，解决了海洋管道在安装过程中与海底土壤相互作用的问题，为海洋管道安装的安全可靠性提供了分析途径和理论依据。

附图说明

附图为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的优点和特征更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对其技术方案作以详细说明。

在海洋管道的安装过程中，往往会涉及到管道与海底土壤的相互作用，尤其是在管道和土壤的接洽点，管道最容易出现应力集中，对管道结构造成严重的破坏。对于管道和土壤的相互作用分析，传统的方法是采用线性弹簧简化土壤对管道的作用，并未考虑到土壤的非线性、管沟性质、管道结构性质等因素的影响。所以，其计算结果与实际情况相差较大，需要设置较大的安全余量才能够保证安装过程中的海洋管道不至于破坏。

本发明正是考虑了海底土壤性质、管沟性质、管道结构表面粗糙度、管道自重和安装作用力等多种因素对管土相互作用的影响，提出的管土相互作用分析方法。

参照附图，本发明的管土相互作用分析方法，包括建立管土相互作用模型以及管道位移和管道嵌入土壤深度的计算。

(1)建立管土相互作用模型：

KY＝F

式中：K—总刚度矩阵；

Y—管道各结点位移，Y＝[y₁ … y_i …]^T，可采用有限元法(公知技术)或者有限差分法(公知技术)用各连接结点的位移表示整个连续管道的位移；

F—管道受到的总外力矩阵，包括管道自重和安装作用力；

k_i—在i结点处土壤对管道的支撑刚度；

y_i—在i结点管道嵌入土壤深度；

a—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到(公知技术)；

b—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到(公知技术)；

S_u0—海底土壤泥面处不排水抗剪强度；

S_ug—海底土壤不排水抗剪强度垂向增量；

由于海底土壤性质具有非线性，故管道嵌入土壤的深度不同，土壤对管道的支撑刚度也有所不同，因此，上式关于土壤支撑刚度的计算是本发明的核心；

又由于海洋管道和海底土壤的相互作用也具有非线性，须采用循环迭代的方法计算管道位移和管道嵌入土壤深度(如图1所示)，这一计算方法也是本发明的核心所在。

(2)采用循环迭代的方法计算管道位移和管道嵌入土壤深度的步骤如下：

A.给海洋管道各结点嵌入土壤深度设定微小的初值：

B.计算各结点海底土壤对管道的支撑刚度：

式中：i—管道第i个结点，i＝1,2,…；

j—第j次迭代，j＝0,1,2…；

C.综合土壤支撑刚度和管道结构刚度形成总刚度矩阵，综合管道自重和安装作用力形成总外力矩阵,对管道位移进行计算：

Y^j+1＝F/K；

式中：Y^j+1—第j+1此迭代管道的位移；

K—总刚度矩阵；

F—总外力矩阵；

D.如果η为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令：Y^j＝Y^j+1，j＝j+1；如果则然后重复B和C的计算；

E.如果则终止计算，得到管道位移和管道嵌入土壤深度。

本发明克服了现有技术的诸多不足，其特点是：

(1)考虑了海底土壤的非线性：

海底土壤异常复杂，在不同的海域不同深度，海底土壤具有不同的性质。海底土壤具有较强的非线性，其受外力作用会发生弹性变形和塑性变形，故海洋管道在安装过程中与海底土壤的相互作用也因此具有了非线性。本发明通过循环迭代的方法对土壤支撑刚度进行多次迭代，最终得到土壤的实际支撑刚度，能够合理的分析海洋管道和海底土壤的相互作用。

(2)考虑了管沟形状和管道结构表面粗糙度：

海底管沟和海洋管道结构表面是海底土壤和海洋管道的接触面，管沟形状不同，管道结构表面粗糙度不同，海底土壤和海洋管道的相互作用势必不同。本发明在计算土壤支撑刚度时考虑到了管沟形状和管道表面粗糙度(其相应数值可以通过试验得到)，使得管土相互作用分析结果更可信。

(3)解决了海洋管道和海底土壤相互作用问题：

海底管道、悬链线立管等海洋管道，由于在安装过程中受到海底土壤的作用而产生较大的变形并出现较大的弯曲应力，容易对管道的结构造成破坏。解决海洋管道和海底土壤相互作用的问题，必须考虑多种因素的影响。本发明综合考虑了海底泥面土壤不排水抗剪强度、土壤不排水抗剪强度垂向增量、管沟形状、管道结构表面粗糙度、管道自重以及安装作用力等影响因素，采用循环迭代的方法对海洋管道和海底土壤相互作用的非线性进行计算，使得计算结果更符合管土相互作用的本质特征。

以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各个技术特征均可能发生某些变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的细节变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种管土相互作用分析方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

(1)建立管土相互作用模型：

KY＝F

式中：K—总刚度矩阵；

Y—管道各结点位移矩阵，Y＝[y₁ … y_i …]^T，采用有限元法或者有限差分法用各连接结点的位移表示整个连续管道的位移；

F—管道受到的总外力矩阵，包括管道自重和安装作用力；

k_i—在i结点处土壤对管道的支撑刚度；

y_i—在i结点处管道嵌入土壤深度；

a—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到；

b—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数，可由试验得到；

S_u0—海底泥面土壤的不排水抗剪强度；

S_ug—海底土壤不排水抗剪强度垂向增量；

(2)采用循环迭代的方法计算管道的位移和管道嵌入土壤深度，具体的计算步骤如下：

A.给海洋管道各结点嵌入土壤深度设定微小的初值：

B.计算各结点海底土壤对管道的支撑刚度：

式中：i—管道第i个结点，i＝1,2,…；

j—第j次迭代，j＝0,1,2…；

C.综合土壤支撑刚度和管道结构刚度形成总刚度矩阵，综合管道自重和安装作用力形成总外力矩阵,对管道位移进行计算：

Y^j+1＝F/K；

式中：Y^j+1—第j+1次迭代管道的位移；

K—总刚度矩阵；

F—总外力矩阵；

D.如果η为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令：Y^j＝Y^j+1，j＝j+1；如果则然后重复B和C的计算；

E.如果则终止计算，得到管道位移和管道嵌入土壤深度。