海底管道在砂土海床中贯入和拔出的CEL数值模拟探讨

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论文字数:42555 论文编号:sb2022061011502548248 日期:2022-06-20 来源:硕博论文网

本文是一篇土木工程论文,本文利用有限元软件 ABAQUS 下的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法分别建立了海底管道贯入砂土海床和埋置的海底管道在砂土海床中上拔的模型,并且分析了海底管道贯入和上拔的过程中,海床土体的流动机制,分析了海底管道与土体相互作用机制及土体抗力相应规律,分析了影响砂土海床、海底管道相互作用的因素及影响规律。
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景和选题意义
海底管道是海洋油气工程的生命线,我国南海广泛分布砂土海床,在深水区域,通常直接利用铺管船将海底管道铺设在海床表面,其中 S 型铺管法最为常用,在铺管过程中,铺管船可以使管子按照事先确定好的路线铺设并组装,从而成为完整的海底管道。铺管船铺管过程顺序为:将“单节管”或“双节管”逐根进行焊接并确保焊接质量,对接口处做好防腐保温处理;通过下水滑道(即托管架)将其慢慢放置到海床上,铺设完一段距离之后移动一次锚缆,继续进行下一段的铺设。图 1-1是 S 型铺管法的示意图[1~3]。

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当海底管道直接铺设在砂土海床上后,在外部水动力、动态铺管以及自重等荷载作用下,触底段会贯入到海床土体中[4],同时管道也会受到砂土海床提供的阻力,并且随着管道贯入深度的增加,砂土海床提供的阻力也会不断增大,当土体提供的阻力与管道所遭受的贯入力平衡之后,管道才停止下沉。在这个过程中,如果管道达到平衡时,管道贯入的深度过大,管道将会产生较大变形,导致结构破损,引起管内油气泄漏,不但浪费人力财力,还会严重污染海洋生态环境。因此本文通过有限元软件模拟海底管道贯入砂土海床的过程,得到管道贯入位移和海床土体阻力曲线,就可以预测贯入过程中管道达到平衡点时管道的位移,从而及时采取相应措施避免管道产生过大变形。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 管道竖向贯入研究
国内外研究学者通过数值模拟(霍知亮[8],Aubeny[9],Lee[10],Merifield[11],Wang[12],Dutta[13],吴瑞[14],等),模型试验(Lyons[15],Karel[16],Wagner[17],Palmer[18],Verley[19],Bruton[20],Dingle[21],White[22],Randolph[23],Cheuk[24])等方法已经对海底管道竖向贯入海床的过程进行了很多研究,并取得了一系列研究结果。
(1) 数值模拟霍知亮等采用 CEL 法分析了海底管道贯入黏土海床中的竖向贯入阻力。得到了海底管道贯入有重土和无重土时的位移-阻力曲线。Aubeny 等在研究海底管道贯入问题上第一次采用了有限元软件模拟的方式,并且考虑了非均质土对贯入阻力的影响。并且在贯入深度达到 0.5D 后继续贯入,考虑到了更大的贯入深度[25],在其有限元模拟结果的基础上,提出了海底管道位移-阻力的计算公式,研究结果表明,土体强度的变化对贯入阻力影响不大,远远低于管土界面摩擦系数产生的影响。
Lee 在 Verley 和 Aubeny 的研究基础上,拟合了在一个不变的竖向力下管道最终的贯入深度,但其研究结果与 Aubeny 等的结果并不十分相符。主要是因为没有考虑土体软化或固结对土体强度的影响。Merifield 等采用 ABAQUS 中的 ALE 法模拟了裸置海底管道贯入过程中的阻力变化,并研究了土体隆起部分提供的承载力。
Wang 等用 RITSS 法对浅埋管道的贯入阻力进行了研究,并且考虑了土体应变软化和应变率效应对海底管道贯入阻力的影响。当贯入深度为 0.45D 时,RITSS 法计算结果与离心机试验结果十分吻合。随后,Chatterjee[26]等在其基础上进行了进一步研究,使管道贯入深度到达 1D,并且提出了管道贯入位移-阻力公式。
Dutta 等采用 CEL 方法模拟了管道的竖向贯入,并使用子程序实现了土体应变软化和应变效率对土体强度的影响。Hawlader[27]等在 Dutta 等的研究基础上,使管道贯入更深的位移,研究管道贯入过程中的管土相互作用。
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第 2 章 海底管道贯入砂土海床的数值模拟
2.1 耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法
当前,比较常见的数值模拟方法包括离散元法、有限元法和有限差分法。SIMULIA 公司开发的有限元分析软件 ABAQUS,已经用于相对简单或者相对复杂的非线性问题的解决。而且,在复杂结构的静态和动态分析方面 ABAQUS 软件也得到了广泛应用。在高度非线性问题的解决中 ABAQUS 软件也具有其独特优势。ABAQUS 软件中自带 DP 模型、修正剑桥模型、摩尔库伦模型等描述土体本构关系的模型[38],在本文的研究中,ABAQUS 软件中的 CEL 方法就可以很好的模拟海底管道的贯入和上拔过程[39~40]。
传统的拉格朗日分析中,材料与节点绑定在一起,如果单元变形,材料也会随之变形。换句话说,对于网格而言,其始终被某种单一材料完全填充,材料边界即为单元边界。从根本上说,传统的拉格朗日是依赖于网格变形进行计算的,通过求解单元节点位移得到力学结果,但是对于大变形问题,比如本文的海底管道贯入和上拔模拟,在模拟过程中会出现单元奇异变形,导致无法收敛,因此并不适用。而单纯的欧拉分析是在空间中固定网格节点,材料在其中自由流动,因此欧拉网格中的材料是可以不完全充满的,也就是说,其中可能只有部分材料或者只是空网格。所以,在欧拉网格中,材料处于网格之中,网格通常由正六面体单元组成的,然后材料可以在欧拉网格中自由的流动。不过欧拉网格的缺点是,一旦单元流出,其就会消失于整体分析之中。单纯的欧拉分析获得整个分析场的流态是通过速度场的求解,但是最终的结构应力应变响应并不能确保准确,因此也不能用于本文的海底管道贯入和上拔过程研究中。
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2.2 海底管道贯入砂土海床的有限元模型
本章采用 ABAQUS 中的 CEL 方法模拟海底管道竖向贯入砂土海床的过程,CEL在模拟大变形方面具有独特的优势,由于在本分析中不用考虑海底管道本身的变形与内力,因此在建模过程中将管道绑定为刚体,使用八节点线性六面体单元(C3D8R)进行模拟;海床土体被视为可以自由流动的液体,使用八节点线性欧拉六面体单元(EC3D8R)进行模拟[59~61]。在海底管道贯入砂土的过程中,海底管道不断向下挤压砂土海床,管道两侧的土体不断隆起。欧拉单元的特殊之处在于当材料流动到网格之外时,材料会直接消散,正是由于欧拉网格的这种特殊性质,在建模过程中需要在砂土海床表面上建立一层空网格,不填充材料,使土体可以自由的隆起,从而可以真实的模拟海底管道贯入砂土海床的过程,为进一步的分析海底管道和海床土体之间的相互作用机理提供可能,图 2-2 是本章海底管道竖向贯入土体的建模以及分析流程图。建模中关于 Lagrange 分析的计算原理以及几何建模及参数赋值方面所要计算的微分方程模型具体参考冯凌云[42]的论文,在此不在详细描述。
因为海底管道的直径与其铺设长度相比来说几乎是可以忽略的,并且在铺设长度方向管道的受力可以近似看做相同的,因此可以直接将砂土海床视为半无限空间体,海底管道的贯入问题就可以简化为平面应变问题,但是 CEL 方法要求所创建的模型必须是三维的[62~64]。所以本文在建立管道和土体模型的时候,在海底管道和海床土体的长度方向只取 0.1m,这样不但可以取得理想的模拟效果,还能加快有限元模型的计算速度。运用笛卡尔坐标系建立数值计算模型,该有限元模型有两个部件,分别是海底管道和砂土海床,其中 X 轴方向是土体的宽度方向,Y 轴方向是土体的长度方向,Z 轴方向是重力方向也是土体高度方向。
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第 3 章 海底管道在砂土海床中上拔的数值模拟................................37
3.1 海底管道上拔有限元模型......................................37
3.1.1 海底管道模型.................................................38
3.1.2 海床土体模型...................................39
第 4 章 结论与展望.......................................65
4.1 结论.................................................65
4.2 展望...................................66
第 3 章 海底管道在砂土海床中上拔的数值模拟
3.1 海底管道上拔有限元模型
本章采用 ABAQUS 软件中的 CEL 法模拟砂土海床中埋置海底管道的竖向屈曲,使用管道竖向上拔模型近似管道竖向屈曲过程中管道和土体之间的相互作用,与上一章管道贯入相同,因为海底管道本身的变形与内力不是本次分析的重点,因此将管道绑定为刚体,采用 C3D8R 单元进行模拟,土体模拟为拉格朗日体,在土体表面上建立无材料单元网格来描述土体的流动变形,能较好地反映了土体的隆起剖面,以此来分析研究埋置管道上拔过程中土抗力的发展规律。
埋置在砂土海床中管道上拔模型的建立过程与海底管道竖向贯入砂土海床的模型相似,只是海底管道在装配过程中需要移动到指定的埋置深度处。在本章节的模拟计算中,所取的管道最大埋置深度为 15 倍管道直径,因此上一章中建立的海底土体模型尺寸对于管道的上拔模型来说并不适用,上拔过程有限元计算模型中的海床土体尺寸需要进行适当地扩大。接下来用管道埋置深度 H 等于 5 倍管道直径的上拔模型为例进行有限元模型建立过程的介绍。海底管道在砂土海床中的埋置深度 H 指的是从埋置管道中心位置到海床土体表面的垂直距离,D 为管道直径。本章所建立的有限元模型如图 3-1 所示。

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第 4 章 结论与展望
4.1 结论
本文利用有限元软件 ABAQUS 下的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法分别建立了海底管道贯入砂土海床和埋置的海底管道在砂土海床中上拔的模型,并且分析了海底管道贯入和上拔的过程中,海床土体的流动机制,分析了海底管道与土体相互作用机制及土体抗力相应规律,分析了影响砂土海床、海底管道相互作用的因素及影响规律。最终得到以下结论:
(1) 海底管道竖向贯入
1) 砂土海床的承载力系数随着管土界面摩擦系数的增大而增大,当 D=0.5 时,与完全光滑时的管土界面相比, =0.25、0.5、0.75 和 1 时土体承载力系数分别增加了 52.67%、93.21%、115.50%和 130.86%。
2) 砂土海床的承载力系数随着砂土内摩擦角的增大而增大,当 w/D=0.5 时,与内摩擦角φ=31°计算结果相比,φ=33°、35°、37°和 39°时土体承载力系数分别增加了 25.74%、56.33%、86.78%和 133.41%。
3) 砂土海床的承载力系数随着砂土剪胀角的增大而增大,当 w/D=0.5 时,与内摩擦角ψ=9°计算结果相比,ψ=11°、13°、15°和 17°时土体承载力系数分别增加了4.77%、15.2%、23.14%和 37.39%。
4) 砂土弹性模量对砂土海床的承载力没有影响。
5) 提出了考虑管土界面摩擦系数、砂土内摩擦角、剪胀角因素的贯入阻力计算公式 2-11。
本文通过有限元软件模拟海底管道贯入砂土海床的过程,得到管道贯入位移和海床土体阻力计算公式,从而可以预测管道贯入过程中达到平衡点时管道的位移,从而及时采取相应措施避免管道产生过大变形,导致工程灾害。
参考文献(略)


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