海底管道懸跨段振動(dòng)分析

海底管道懸跨段振動(dòng)分析

原油管道作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，在今天的海鹽工程中得到了廣泛應(yīng)用，是海洋油氣開發(fā)的重要組成部分。海底管道所處海洋環(huán)境情況復(fù)雜,工作條件惡劣,在海流的長期沖刷和海底地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的工作條件下,管道周圍和承載管道的泥沙很容易被掏空,使海底管道產(chǎn)生懸跨段。懸跨段周圍由于海流經(jīng)過產(chǎn)生的周期性的渦旋發(fā)放,引發(fā)懸跨段周期性振動(dòng)。這種周期性振動(dòng)是引發(fā)管道疲勞失效的主要因素之一。如果不能盡早對(duì)懸跨段進(jìn)行治理,任由懸空部分不斷擴(kuò)大,很可能使海底管道疲勞斷裂,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和海洋污染。近年來,海底管道懸空治理的措施主要有水下支撐固定法、沙袋填充法、撓性軟管跨接法等。其中拋填砂袋、水下支撐都屬于主動(dòng)支撐的方法,施工簡單快速,但在海流的沖刷下容易形成再次懸空。撓性軟管跨接法施工簡便,可靠性高,但抵御意外風(fēng)險(xiǎn)能力較弱?；谑┕ず唵?、可靠性高的海底管道治理原則,本文根據(jù)海底犁式挖溝機(jī)的工作原理,提出了使用犁式原理,進(jìn)行海底沙土的挖掘及轉(zhuǎn)移,進(jìn)行管道懸跨段填埋的設(shè)想,并設(shè)計(jì)了用于懸跨段填埋的設(shè)備模型。1懸跨管道填埋設(shè)備由于海流對(duì)海底沉積物的沖刷,埋地一定深度的海底管道會(huì)產(chǎn)生部分懸空,海流流經(jīng)懸空段時(shí)產(chǎn)生的渦流會(huì)加速懸跨段周圍海底的沖蝕,造成懸跨段長度和高度不斷增加。為了對(duì)懸跨管道進(jìn)行及時(shí)治理,最容易的方法就是對(duì)懸跨管道進(jìn)行二次填埋。懸跨海底管道填埋設(shè)備的設(shè)想來自于海底犁式挖溝機(jī)。海底犁式挖溝系統(tǒng)是目前國際上一種較為先進(jìn)的水下挖溝系統(tǒng)。外國公司研制生產(chǎn)的海底挖溝機(jī)械已經(jīng)能夠在較大的作業(yè)水深、較惡劣的水下環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。我國的水下挖溝設(shè)備起步較晚,技術(shù)相對(duì)落后。海底犁式開溝的設(shè)想于1975年首次提出,并在1977年由瑞士RJBA公司和英國SMD公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造出了世界上第1臺(tái)海底犁式挖溝機(jī)。這些年來國外公司取得了大量工程設(shè)計(jì)和研究經(jīng)驗(yàn),其研制的犁式設(shè)備也越來越先進(jìn),作業(yè)能力越來越強(qiáng)。犁式挖溝機(jī)用于管道鋪設(shè)時(shí),機(jī)器在海底面作業(yè),犁體進(jìn)行開溝,并將泥土翻于所開溝壑兩側(cè)海底面上,然后將管道放于溝內(nèi),依靠海流將溝兩側(cè)堆積的泥土沖入溝內(nèi)掩埋管道。根據(jù)挖溝機(jī)的工作原理,設(shè)想對(duì)于已埋設(shè)的海底管道,在靠近管道懸跨處進(jìn)行開溝翻土,將翻出的土壤轉(zhuǎn)移至懸跨處便可用于懸跨管道的填埋。由此設(shè)想而設(shè)計(jì)的懸跨管道填埋設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備主要工作方式為:1)設(shè)備由拖船拖至預(yù)定位置,通過專用起吊架將設(shè)備放置于管道上方,使設(shè)備跨于管道上。此過程可由水下ROV協(xié)助定位。2)前端支撐腿帶動(dòng)滑靴發(fā)生位移,使設(shè)備前傾,滑靴位移高度為犁體開溝深度。3)水面牽引船拖拽設(shè)備移動(dòng),犁體在自重力作用下切入海床中開始切削并翻轉(zhuǎn)泥土。設(shè)備移動(dòng)過程中,由后端的擋板將犁體翻轉(zhuǎn)出的泥土進(jìn)行歸攏,并隨設(shè)備的移動(dòng)轉(zhuǎn)移泥土。當(dāng)設(shè)備到達(dá)管道懸跨溝槽處時(shí),泥土掉入溝槽,實(shí)現(xiàn)懸跨管道的填埋。4)作業(yè)完成后,支撐腿帶動(dòng)滑靴位移至原位,犁體整體脫離海床。2水平直元線法模型犁體是懸跨管道填埋設(shè)備的最重要部分之一,犁體的設(shè)計(jì)決定了其碎土、翻土的性能,從而決定了設(shè)備的工作性能及效率。犁體工作面可看作由多個(gè)微三面楔組成的曲面。定義x軸正方向?yàn)槔珞w前進(jìn)方向,每個(gè)三面楔包括入土角γ′,翻土角β′,推土角α′,如圖2。3個(gè)角同時(shí)作用,將泥土耕起、切斷、翻轉(zhuǎn)。犁體曲面形狀是空間任意曲面。目前,水平直元線法是犁體曲面設(shè)計(jì)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的方法。犁體曲面的形成可以看作是由動(dòng)線在空間按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)而成。動(dòng)線為水平直元線,始終平行于水平面,在向上運(yùn)動(dòng)的過程中始終與鉛垂面N內(nèi)的導(dǎo)曲線相貼靠,且與溝壁的水平夾角θ是隨直元線的高度變化的,如圖3。導(dǎo)曲線方程可表示為式中:y′2=(y+Acosθ0)2+(x-Asinθ0)2;A為初始直元線OO′的長度。通過導(dǎo)曲線的切線角e,切線夾角Δe,高度h和開度l確定a′,b′,c″,d′。犁體翻土曲面方程為式中:Δθ為最大直元線角與初始直元線角的差值;θi、xi、yi分別為高度為zi的第i條直元線對(duì)應(yīng)的直元線角度及其與導(dǎo)曲線的交點(diǎn);t為中間變量。按照犁式填埋設(shè)備的設(shè)計(jì)思想,設(shè)備跨于管道上,為了不影響已埋的管道,在盡量遠(yuǎn)離管道的兩側(cè)開溝,將翻轉(zhuǎn)出的土壤轉(zhuǎn)移,填于管道的懸空處。由此,所開溝型如圖4所示,在靠近管道一側(cè),開溝坡度應(yīng)盡量平緩,遠(yuǎn)離管道一側(cè)的土壤在海流作用下,向所開溝槽內(nèi)流動(dòng),這樣就減小了開溝対管道的影響。3滑鞋與支撐力量設(shè)備選擇滑靴式前進(jìn)裝置,在外力拖動(dòng)的情況下,由大面積的滑靴底面接觸海底,滑動(dòng)前進(jìn)?；ヅc海底面接觸面積大,減小了設(shè)備對(duì)海底面的壓力,避免設(shè)備下陷。支撐腿與液壓缸結(jié)構(gòu)便于調(diào)節(jié)滑靴的高度,并在設(shè)備前進(jìn)時(shí),根據(jù)不同海底地貌調(diào)節(jié)滑靴俯仰角度,起到緩沖減震作用?；ヅc支撐腿的結(jié)構(gòu)如圖5所示。支撐腿采用鉸接與機(jī)架和滑靴連接,方便調(diào)整。液壓缸1和液壓缸2配合調(diào)節(jié),通過液壓缸1的驅(qū)動(dòng),可以調(diào)節(jié)支撐腿的垂直高度;液壓缸2調(diào)節(jié)滑靴,使滑靴保持水平,并增加支撐點(diǎn),改善支撐腿的單一受力狀態(tài)。如圖6所示,當(dāng)滑靴位于最大位移處,支撐腿達(dá)到上限位置,此時(shí)犁體進(jìn)行最大開溝深度作業(yè);當(dāng)滑靴位于最小位移處,支撐腿達(dá)到下限位置,犁體與海底面剛好分離,不進(jìn)行開溝作業(yè)。4牽引吊耳轉(zhuǎn)向裝置由于設(shè)備設(shè)計(jì)中采用滑靴式牽引滑動(dòng)前進(jìn)方式,設(shè)備轉(zhuǎn)向有一定困難,所以在設(shè)備前端設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向輔助裝置。在需要轉(zhuǎn)向時(shí),拖船前進(jìn)方向改變,設(shè)備在轉(zhuǎn)向裝置的幫助下,由牽引纜繩的牽引,改變前進(jìn)方向。圖7為與機(jī)架相連的轉(zhuǎn)向裝置。其中,連桿、液壓缸、三角調(diào)整架為組成轉(zhuǎn)向裝置的主要部件。液壓缸兩端分別連接牽引吊耳與機(jī)架上的三角支架;連桿連接牽引吊耳與三角調(diào)整架;三角調(diào)整架的一角與機(jī)架連接,使之可繞連接點(diǎn)擺動(dòng)。牽引吊耳如圖8,連接拖拽纜繩、機(jī)架與轉(zhuǎn)向裝置,能夠繞其與機(jī)架的連接處擺動(dòng)。當(dāng)拖船航向發(fā)生變化,液壓缸調(diào)節(jié)牽引吊耳,使吊耳的角度隨纜繩而變化,同時(shí)兩端的連桿與三角調(diào)整架使兩邊的吊耳轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)稱,加強(qiáng)了轉(zhuǎn)向裝置的穩(wěn)定性。5設(shè)備改進(jìn)及應(yīng)用1)提出了利用犁式開溝技術(shù)的海底管道懸空段填埋的設(shè)想,并初步設(shè)計(jì)出進(jìn)行懸空填埋的設(shè)備。對(duì)犁體、滑靴和支腿進(jìn)行了分析和研究,并給出了設(shè)計(jì)方案