0 引 言

随着海洋石油工业的发展，海底管线在近海石油及天然气的开采运营中得到了广泛应用，具有快捷、连续、经济和输送量大等优点。但由于海底管道运行环境的特殊性及人类海洋作业活动的激增，其面临船锚、平台或船舶坠落物及渔网等第三方海上活动造成的撞击拖挂危险，容易发生断裂、局部撞击凹痕或局部破损开裂等损伤失效事故^{[1 , 2]}。

混凝土配重层作为海底管道系统的重要组成部分，为了满足设计负浮力而配置，能够防止施工过程中对防腐绝缘层的机械损伤^[3]。混凝土配重层对于撞击能量的吸收有利于保护海底管道，准确预测其对管道撞击损伤的影响规律，才能更为真实地提出增强海底管道抵抗外部因素造成破坏的保护措施，进而延长海底管道的使用寿命。

目前，挪威船级社(DNV)规范^[4]虽然归纳总结了海底管道的损伤类型，给出了管道外径、壁厚、屈服强度及允许的最大永久变形深度的关系式，但忽略了碰撞过程中非线性因素的影响，结果偏于保守。就总体而言，海底管道在第三方冲击载荷作用下的安全性评估方法还未达到应用于工程实际的程度，海底管道受坠落物撞击影响研究刚刚起步，在理论分析上还需进一步深化。

C.P.Ellinas等^[5]于1983年提出冲击载荷与海底管道受撞击点处损伤深度的半经验公式，但该公式未考虑构件之间的相互作用及其间接触的影响。Bai Yong等^[6]于1993年对C.P.Ellinas提出的半经验公式进行了修正和补充，但他们是通过对管道进行挤压作用产生的弹性形变进行总结分析而得出的经验公式。C.P.Ellinas等^[7]于1995年利用ABAQUS分析了渔具坠落对管道的破坏作用。O.H.Bjornoy等^[8]于2000年对不同材料及具有不同尺寸的凹陷、切痕及同时具有凹陷和切痕的海底管道进行试验，获得了大量有价值的试验结果，用于研究受损海底管道的残余强度及发展修正有关的标准等。P.N.Andrew等^{[9 , 10]}于2003及2006年，在CUED实验室进行了海底管道(外径为508 mm且外设混凝土配重层)在冲击载荷作用下的碰撞试验，得到不同冲击能量下管道的凹痕，确定了不同冲击能量的吸收情况对管道碰撞计算分析的影响。Wang Yu等^[11]于 2014年采用试验和数值模拟结合的方法研究了水泥复合管道的横向撞击载荷作用问题，并提出了撞击响应特性预测模型。张海^[12]、赵师平^[13]、黄小光^[14]及白俊磊^[15]等利用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析软件，分析了坠落物质量、管道径厚比、坠落物形状、混凝土厚度及深埋对海底管道受撞击后的凹痕深度的影响。乐丛欢^[16]于2010年利用ABAQUS有限元软件，对LD32-2PSP平台结构由吊机落物引起的海洋结构物损伤进行分析，根据仿真模拟结果回归碰撞过程中最大撞击力与凹痕深度的经验估计式，为评估撞击引起的海底管道损伤提供了依据。

笔者采用有限元方法对考虑混凝土配重层的海底管道撞击损伤进行研究，考虑材料非线性、几何非线性及接触界面非线性等因素对海底管道结构损伤变形的影响，深入分析不同落物形状、落物速度、落物质量和混泥土配重层厚度对管道撞击塑性变形的影响。研究成果对于海底管道的风险评估、工程设计和防灾减灾具有重要参考价值。

在坠落物冲击载荷作用下海底管道损伤研究的方法主要有试验法、经验公式法、简化解析法以及数值分析法。 其中试验法最精确，海底管道的碰撞试验属于破坏性试验，其结果最真实可靠，但其成本昂贵。经验公式法是基于研究者对海底管道的大量研究所产生，能够以公式表达冲击载荷与管道塑形凹陷之间的关系，其数据在某些情况(比如大变形时)可能会产生较大的误差。目前，常用的表达落物冲击载荷与管道凹陷关系的经验公式主要有Bai Yong公式、Ellinas-Wallker公式与Furnes-Amdahl公式，这些公式都基于圆管在侧向载荷作用下的凹陷值与冲击载荷间关系建立。简化解析法的适用范围较严格，大部分情况下直接忽略实体间的相互作用，对于实际的构件来说，其间的接触作用很明显，故将导致简化解析法所得结果与实际结果间存在偏差。采用有限元软件进行数值分析可以精确地模拟碰撞的动态过程，对能量耗散、碰撞冲量、单元位移和变形等目标数据结果的历程变化进行全面的分析，由计算结果可提取碰撞接触区域的变形、应力应变以及接触力，还可通过后处理观察整个碰撞过程。因此采用有限元法分析碰撞问题可在一定程度上代替碰撞试验。笔者将采用有限元软件ABAQUS对考虑混凝土配重层的海底管道受落物撞击问题进行数值模拟分析。

海底管道根据运输介质的不同可分为输油管道、输气管道以及油气混合管道，除此之外，还有专门输送水介质的海底输水管道。从海底管道的结构上可以划分为单层管、双层保温管以及3层保温管，如图1所示。

图1 海底管道结构图 Fig.1 Structure diagram of subsea pipeline

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笔者以海洋工程中常用的单层管为研究对象。海底管道模型按表1中给出的X65型钢的参数进行建模，其塑性相关数据参考文献^[17]中X65型钢的真实应力-应变数据进行模拟。

单层管形式的海底管道由钢管、防腐涂层、混凝土配重层及其内嵌配筋组成，研究时不考虑防腐涂层的影响。在海底管道受坠落物撞击时，混凝土配重层处于抗压状态，虽然配重层中的内嵌钢筋笼中的纵直型钢筋的抵抗冲击作用很小，但其中的环形箍筋能有效地抵抗冲击作用。因此，笔者采用分离式模型将混凝土及其内嵌配筋用不同的网格单元建模，见图2。环形箍筋沿轴向等间距间隔分布且撞击位置在2个环形箍筋之间，以反映更为真实的碰撞情况。选取混凝土损伤塑性模型作为混凝土本构模型，该模型的材料参数见表2。选取HRB235级钢筋作为混凝土结构中的钢筋本构模型。HRB级钢筋对应钢制材料为Q235钢。

图2 整体模型及局部模型细节示意图 Fig.2 Schematic diagram for details of integrated model and partial model

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将坠落物分别简化成球体、立方体、圆锥角度为30°、60°、90°的圆锥体及半球体上部拉伸圆柱体(见图3)，用以研究不规则坠落物体与海底管道发生碰撞时管道的动态响应规律及损伤规律。其中圆锥体的尖端处以半径为4.0 cm的内切球面进行圆滑，避免模型尖端处网格划分过于尖锐而造成作业运行中断，同时也避免了应力过于集中的问题。

图3 坠落物模型示意图 Fig.3 Schematic diagram for model of falling object

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笔者从最大撞击凹痕深度分析混凝土配重层对海底管道受坠落物撞击损伤的影响。选取管道与坠落物最先接触的点为集SET-1，对应管道最底部的点为集SET-2，分别建立SET-1和SET-2的位移时间历程输出δ₁和δ₂，两者之差即为最大管道的最大撞击凹痕深度δ_max。图4给出了海底管道受球体形状坠落物撞击的各个时间段的变形情况。

图4 管道受撞击区域不同时刻的变形云图 Fig.4 Aberration nephogram for impact area of pipelines at different times

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海底管道撞击损伤的影响因素众多，笔者主要以海底管道外部覆盖的混凝土配重层为研究重点，从以下几方面通过有限元数值模拟进行分析：①不同厚度混凝土配重层对海底管道受坠落物撞击损伤影响；②不同形状的坠落物在有无混凝土配重层情况下对海底管道撞击损伤影响；③不同质量的坠落物在有无混凝土配重层情况下对海底管道撞击损伤影响；④不同撞击速度在有无混凝土配重层情况下对海底管道撞击损伤影响。

为考察不同厚度混凝土配重层对海底管道受坠落物撞击损伤的影响，选取坠落物质量为1 t的球体，在碰撞速度为7.5 m/s的条件下，分别建立混凝土配重层厚度从0~70 mm以间隔10 mm变化的模型进行数值分析，其管道最大撞击凹痕深度如图5所示。

图5 不同混凝土厚度下管道最大凹痕深度 Fig.5 Maximum dent depth of pipelines under different concrete thicknesses

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从数值模拟结果可以看出，混凝土配重层的存在一定程度上保护了管道，减小了管道在碰撞过程中的最大凹痕深度。有、无混凝土配重层的最大凹痕深度差异明显，但随着混凝土厚度的增大，其防护作用的显著性有所下降。

为考察不同形状的坠落物在有、无混凝土配重层情况下对海底管道撞击损伤的影响，在坠落物质量均为1 t、碰撞速度均为7.5 m/s、混凝土配重层厚度分别为0和50 mm的条件下，分别选择立方体、球体和圆锥角度为30°、60°、90°的圆锥体的模型进行数值分析，其管道最大撞击凹痕深度如图6所示。从数值模拟结果可以看出，碰撞接触面积越小，则海底管道的形变越大，从而使管道的最大凹痕深度越深，其中圆锥角度为30°的坠落物撞击情况下的最大凹痕深度最深。

图6 不同形状坠落物下管道最大凹痕深度 Fig.6 Maximum dent depth of pipelines under different shapes of falling object

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为了考察不同质量的坠落物在有、无混凝土配重层情况下对海底管道撞击损伤的影响，选取半球体上部拉伸圆柱体坠落物，在碰撞速度为5 m/s、混凝土配重层厚度为0和40 mm的条件下，分别建立坠落物质量250~1 500 kg以间隔250 kg变化的模型进行数值分析，其管道最大撞击凹痕深度如图7所示。从数值模拟结果可以看出，随着坠落物质量的增大，最大撞击凹痕深度将逐渐增大，这主要是由于坠落物下落的撞击动能与坠落物质量成正比。

图7 不同质量坠落物下管道最大凹痕深度 Fig.7 Maximum dent depth of pipelines under different masses of falling object

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为考察坠落物不同撞击速度在有、无混凝土配重层情况下对海底管道撞击损伤的影响，选取质量均为1 t的球形坠落物，在混凝土配重层厚度分别为0和40 mm的条件下，分别建立撞击速度为1、2、4、6、8和10 m/s的模型进行数值分析，其管道最大撞击凹痕深度如图8所示。从数值模拟结果可以看出，随着坠落物速度的增大，坠落物撞击管道的凹痕深度将逐渐增大，且凹痕深度增大的趋势逐渐明显。这主要是由于坠落物的撞击动能与速度的平方成正比。

图8 不同撞击速度下管道最大凹痕深度 Fig.8 Maximum dent depth of pipelines under different impact velocities

图选项

(1)海底管道抗撞击损伤性能的增强趋势随混凝土配重层厚度的增加而有所下降，因此在工程设计中应对混凝土配重层的厚度进行优化设计。

(2)在坠落物为立方体、球体和圆锥体情况下，圆锥体坠落物撞击损伤最严重，因此在工程设计中应该选择底部形状尖锐的坠落物开展极限工况设计。

(3)海底管道撞击损伤与坠落物质量和速度成正比，因此在工程设计中应考虑坠落物质量及水深的影响。

(4)研究结果表明，混凝土配重层对管道抗落物抗撞击损伤有保护作用，但防护性能与混凝土配重层厚度和坠落物形状、质量及速度密切相关。研究成果对于海底管道抗坠落物撞击设计及安全服役具有重要的指导意义。