洪志强

摘 要：随着海底管线使用年限的增加及环境或人为的因素，管线不可避免的出现裂纹等破坏情况。本文通过典型算例得到地震作用下裂纹管线的响应时程。同时采用三维有限元分析方法模拟裂纹管线的地震响应。通过对比，发现二者分析结果吻合较好，验证了本文方法的有效性，说明该方法不但可以较为准确地模拟裂纹管线的地震响应，而且与传统有限元分析方法相比具有较高的计算效率，可实现管线在地震作用下的快速结构分析，为裂纹管线的地震安全评估提供了一种有效方法。

关键词：复合材料；海洋管线裂纹；修复效果

1.引言

在海洋石油天然气开发工作中，海底管线是极为重要的一部分，因此也被叫做“海洋油气田生命线”（Mattos H S D C et al.2016）[1]。信息化时代的到来，让海洋石油勘察开发效率不断提升，海底复杂曲折的尤其管线则慢慢变成能源运输的关键。由于海水深度高，海洋环境复杂，海洋油气管线必须依照海洋环境不断延伸，容易导致油气管线发生爆裂，从而导致油气混入海洋当中，污染海洋环境，这样的事故在近年来频频发生（Manalo A et al.2016）[2]。回顾近二十年来的海底管线安全事故，在1998年和2000年，我国东海平湖油田的输气管线分别遭到了两次破坏；2000年，位于渤海湾渤西的一条海底天然气输送管线严重渗漏，严重破坏了海洋环境；2001年，我国最大的海上油田——绥中36-1油田的油气向外泄露，导致发生油气泄漏事故；2011年，中海油珠海海底天然气管线发生泄漏，且此次泄露导致天然气净产量为每天160百万立方英尺。以上种种海洋油气泄露事件，不仅浪费了大量的海洋天然气石油资源，还对海洋环境造成了一定程度的破坏且在数十年内难以恢复，其所造成的影响是不可估量的（Choi J et al.2016）[3]。然而，海底管线的使用不同于一般的环境，当海底管线即将到使用年限时，再加上人为因素，很容易导致海底管线爆裂，从而导致油气资源泄露（Zhang Y M et al.2016）[4]。因此，必须要进行定期勘察，及时更换即将达到使用年限的海底管线，并做好预防工作，掌握裂纹管线的抗震效果。对海洋管线事故的预防和修复的研究是当前刻不容缓的事（Beek F A V et al.2017）[5]。

2.文献综述

海底管线埋设在海底当中，会受到波浪、地震等影响以及寿面的减短而逐渐产生裂纹，导致整体构架遭到损坏，可能产生泄露的严重后果。因此，依据海底管线的埋设特点，模拟出一种与海底管线裂纹相同的裂纹模型，从结构力学的角度对裂纹模型加以分析，能够有利于了解海底管线裂纹的承载能力。一般情况下采用的裂纹模型有几种，如以局部柔度为研究重点的裂纹模型、基于一致裂纹梁原理的裂纹模型、以等效降截面为核心的裂纹模型等（Valiulin I R et al.2017）[6]。对此，有学者从等效降截面的角度出发，利用局部弯矩或降截面来研究局部不连续梁柔度对裂纹模型的影响程度。通过实验证明，等效降截面虽然能够准确地分析切口，却不能准确分析真实的裂纹，不适用于本次研究。其中的主要原因在于切口与裂纹的特征不相同，无法以切口来对裂纹下定论，所以该项方法可行度不高。另外，有的学者提出了一致Euler裂纹梁理论，更有后者基于有限元计对该理论进行验证。还有的学者对一致Euler裂纹梁理论进行创新，通过实验对理论进行验证（Orga A C et al.2017）[7]。

3.实证分析

为验证计算结果的有效性，木文使用大型有限元软件ANSYS建立了贯穿裂纹管模型。并模拟El-Centro地震波，得到裂纹管线有限元模型在地震作用下的时程曲线。考虑到裂纹尖端的应力奇异性，在使用大型有限元软件ANSYS建立裂纹管的有限元模型时，将模型分为裂纹区域和非裂纹区域两部分。裂纹区域采用等参退化的Solid95奇异单元，非裂纹区域使用非退化的Solid95单元。Solid95是三维八节点实体单元高阶形式，能够容许不规则形状，有20个节点定义，每个节点有三个自由度，即X，Y，Z方向，没有转动自由度。将ANSYS建立的固支裂纹管有限元模型沿跨长（用L表示）划分为237个单元，取表I中基准模型参数，裂纹位置在距管线左端0.2L、0.3L、0.4L、0.5L处，裂纹深度0.05m、0.08m、0.11m、0.14m。首先针对两端固支裂纹管有限元模型进行模态分析，得到不同裂纹位置、不同裂纹深度的前两阶固有频率，与本文编写的MATLAB程序计算结果对比见表1。

通过对地震作用下六种工况的管线裂纹单元的剪力、弯矩、位移的计算，从图中可以看出，裂纹存在时裂纹单元剪力、弯矩、位移与无裂纹时同一单元剪力、弯矩、位移相差不大。裂纹在管线同一位置时，裂纹深度的变化对剪力、弯矩、位移的影响较小。这是由于裂纹的存在使管线结构局部刚度减小，但对整体刚度影响不大，因此对剪力、弯矩、位移的整体反应的影响较小。在地震响应整个过程中，管线各参数相同时，同一位置裂纹单元的剪力峰值在两端固支约束情况下比在两端简支约束情况下要大很多，裂纹单元的弯矩和位移峰值在两端固支约束情况下比在两端简支约束情况下小很多。裂纹管线由于大挠度、大变形更易发生弯曲破坏，造成断裂等危险情况，因此处于近似简支约束下的裂纹管线结构更加危险。

4.研究结论

随着海洋油气资源的不断勘察开采，需要不断扩大海底管线的规模以满足资源开发的需要。尤其是地震，由于剧烈震动更是加剧了管线产生裂纹导致泄露的可能性。基于此，对海底线管的抗震研究具有非常重要的现实意义。对此，本文针对海底管线产生裂纹的情况，选择能够简单、高效、准确计算出其动力响应的方式，以便对海底管线抗震情况进行深入分析，具体过程如下：以局部柔度理论为基础，设计出海底悬跨裂纹管线的有限元计算模型，充分考虑地震引起的各种影响，列出裂纹管线的动力分析方程。在MATLAB中对程序进行编辑，对外界条件不同的工况的裂纹管线自振频率和地震响应进行计算。用传统的有限元软件ANSYS构造裂纹管线模型进行模拟。经过对比，在地震环境中裂纹管线的位移时程曲线和改进后的结果相吻合。由此可见，使用MATLAB程序具有更高的可行性，适用于计算海底裂紋管线的自振特性及动力响应。使用MATLAB程序还能大大提升计算效率，提高结果的准确性，可见本文的方式是可行的。

参考文献

[1]Mattos H S D C，Reis J M L，Paim L M，et al.Failure analysis of corroded pipelines reinforced with composite repair systems[J].Engineering Failure Analysis，2016，59（223）：223-236.

[2]Manalo A，Djukic L P，Islam M M，et al.Effect of hygrothermal conditioning on the mechanical and thermal properties of epoxy grouts for offshore pipeline rehabilitation[J].Aims Materials Science，2016，3（3）：832-850.

[3]Choi J，Kim H，Cho S，et al.Structural Analysis and Safety Assessment of KS D 3631 Gas Pipeline Repaired by Carbon Fiber Composite Material Sleeve[J].Journal of the Korean Institute of Gas，2016，20（5）：96-103.

[4]Zhang Y M，Tan T K，Xiao Z M，et al.Failure assessment on offshore girth welded pipelines due to corrosion defects[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2016，39（4）：453-466.

[5]Beek F A V，Wind H G.Numerical modelling of erosion and sedimentation around offshore pipelines[J].Coastal Engineering，2017，14（2）：107-128.

[6]Valiulin I R，Solovmev E A，Fik A S，et al.Effect of welding technology on the mechanical properties of welded joints in pipes for deep water offshore gas pipelines[J].Welding International，2017，31（5）：363-368.

[7]Orga A C，Obibuenyi J I，Nwozuzu S.An Offshore Natural Gas Transmission Pipeline Model and Analysis for the Prediction and Detection of Condensate/Hydrate Formation Conditions[J].Iosr Journal of Applied Chemistry，2017，10（4）：37-43.

[8]Rouse S，Hayes P，Davies I M，et al.Offshore pipeline decommissioning：Scale and context[J].Marine Pollution Bulletin，2018，129（1）：241-244.

作者简介：

洪志強，湖南人文科技学院，能源与机电工程学院。