海底管道悬跨段振动分析

海底管道悬跨段振动分析

原油管道作为一种高效、经济的运输方式，在今天的海盐工程中得到了广泛应用，是海洋油气开发的重要组成部分。海底管道所处海洋环境情况复杂,工作条件恶劣,在海流的长期冲刷和海底地质灾害频发的工作条件下,管道周围和承载管道的泥沙很容易被掏空,使海底管道产生悬跨段。悬跨段周围由于海流经过产生的周期性的涡旋发放,引发悬跨段周期性振动。这种周期性振动是引发管道疲劳失效的主要因素之一。如果不能尽早对悬跨段进行治理,任由悬空部分不断扩大,很可能使海底管道疲劳断裂,造成巨大的经济损失和海洋污染。近年来,海底管道悬空治理的措施主要有水下支撑固定法、沙袋填充法、挠性软管跨接法等。其中抛填砂袋、水下支撑都属于主动支撑的方法,施工简单快速,但在海流的冲刷下容易形成再次悬空。挠性软管跨接法施工简便,可靠性高,但抵御意外风险能力较弱。基于施工简单、可靠性高的海底管道治理原则,本文根据海底犁式挖沟机的工作原理,提出了使用犁式原理,进行海底沙土的挖掘及转移,进行管道悬跨段填埋的设想,并设计了用于悬跨段填埋的设备模型。1悬跨管道填埋设备由于海流对海底沉积物的冲刷,埋地一定深度的海底管道会产生部分悬空,海流流经悬空段时产生的涡流会加速悬跨段周围海底的冲蚀,造成悬跨段长度和高度不断增加。为了对悬跨管道进行及时治理,最容易的方法就是对悬跨管道进行二次填埋。悬跨海底管道填埋设备的设想来自于海底犁式挖沟机。海底犁式挖沟系统是目前国际上一种较为先进的水下挖沟系统。外国公司研制生产的海底挖沟机械已经能够在较大的作业水深、较恶劣的水下环境中进行作业。我国的水下挖沟设备起步较晚,技术相对落后。海底犁式开沟的设想于1975年首次提出,并在1977年由瑞士RJBA公司和英国SMD公司联合设计制造出了世界上第1台海底犁式挖沟机。这些年来国外公司取得了大量工程设计和研究经验,其研制的犁式设备也越来越先进,作业能力越来越强。犁式挖沟机用于管道铺设时,机器在海底面作业,犁体进行开沟,并将泥土翻于所开沟壑两侧海底面上,然后将管道放于沟内,依靠海流将沟两侧堆积的泥土冲入沟内掩埋管道。根据挖沟机的工作原理,设想对于已埋设的海底管道,在靠近管道悬跨处进行开沟翻土,将翻出的土壤转移至悬跨处便可用于悬跨管道的填埋。由此设想而设计的悬跨管道填埋设备整体结构如图1所示。设备主要工作方式为:1)设备由拖船拖至预定位置,通过专用起吊架将设备放置于管道上方,使设备跨于管道上。此过程可由水下ROV协助定位。2)前端支撑腿带动滑靴发生位移,使设备前倾,滑靴位移高度为犁体开沟深度。3)水面牵引船拖拽设备移动,犁体在自重力作用下切入海床中开始切削并翻转泥土。设备移动过程中,由后端的挡板将犁体翻转出的泥土进行归拢,并随设备的移动转移泥土。当设备到达管道悬跨沟槽处时,泥土掉入沟槽,实现悬跨管道的填埋。4)作业完成后,支撑腿带动滑靴位移至原位,犁体整体脱离海床。2水平直元线法模型犁体是悬跨管道填埋设备的最重要部分之一,犁体的设计决定了其碎土、翻土的性能,从而决定了设备的工作性能及效率。犁体工作面可看作由多个微三面楔组成的曲面。定义x轴正方向为犁体前进方向,每个三面楔包括入土角γ′,翻土角β′,推土角α′,如图2。3个角同时作用,将泥土耕起、切断、翻转。犁体曲面形状是空间任意曲面。目前,水平直元线法是犁体曲面设计中技术最成熟、应用最为广泛的方法。犁体曲面的形成可以看作是由动线在空间按照一定的规律运动而成。动线为水平直元线,始终平行于水平面,在向上运动的过程中始终与铅垂面N内的导曲线相贴靠,且与沟壁的水平夹角θ是随直元线的高度变化的,如图3。导曲线方程可表示为式中:y′2=(y+Acosθ0)2+(x-Asinθ0)2;A为初始直元线OO′的长度。通过导曲线的切线角e,切线夹角Δe,高度h和开度l确定a′,b′,c″,d′。犁体翻土曲面方程为式中:Δθ为最大直元线角与初始直元线角的差值;θi、xi、yi分别为高度为zi的第i条直元线对应的直元线角度及其与导曲线的交点;t为中间变量。按照犁式填埋设备的设计思想,设备跨于管道上,为了不影响已埋的管道,在尽量远离管道的两侧开沟,将翻转出的土壤转移,填于管道的悬空处。由此,所开沟型如图4所示,在靠近管道一侧,开沟坡度应尽量平缓,远离管道一侧的土壤在海流作用下,向所开沟槽内流动,这样就减小了开沟対管道的影响。3滑鞋与支撑力量设备选择滑靴式前进装置,在外力拖动的情况下,由大面积的滑靴底面接触海底,滑动前进。滑靴与海底面接触面积大,减小了设备对海底面的压力,避免设备下陷。支撑腿与液压缸结构便于调节滑靴的高度,并在设备前进时,根据不同海底地貌调节滑靴俯仰角度,起到缓冲减震作用。滑靴与支撑腿的结构如图5所示。支撑腿采用铰接与机架和滑靴连接,方便调整。液压缸1和液压缸2配合调节,通过液压缸1的驱动,可以调节支撑腿的垂直高度;液压缸2调节滑靴,使滑靴保持水平,并增加支撑点,改善支撑腿的单一受力状态。如图6所示,当滑靴位于最大位移处,支撑腿达到上限位置,此时犁体进行最大开沟深度作业;当滑靴位于最小位移处,支撑腿达到下限位置,犁体与海底面刚好分离,不进行开沟作业。4牵引吊耳转向装置由于设备设计中采用滑靴式牵引滑动前进方式,设备转向有一定困难,所以在设备前端设计转向辅助装置。在需要转向时,拖船前进方向改变,设备在转向装置的帮助下,由牵引缆绳的牵引,改变前进方向。图7为与机架相连的转向装置。其中,连杆、液压缸、三角调整架为组成转向装置的主要部件。液压缸两端分别连接牵引吊耳与机架上的三角支架;连杆连接牵引吊耳与三角调整架;三角调整架的一角与机架连接,使之可绕连接点摆动。牵引吊耳如图8,连接拖拽缆绳、机架与转向装置,能够绕其与机架的连接处摆动。当拖船航向发生变化,液压缸调节牵引吊耳,使吊耳的角度随缆绳而变化,同时两端的连杆与三角调整架使两边的吊耳转动角度对称,加强了转向装置的稳定性。5设备改进及应用1)提出了利用犁式开沟技术的海底管道悬空段填埋的设想,并初步设计出进行悬空填埋的设备。对犁体、滑靴和支腿进行了分析和研究,并给出了设计方案