海底悬跨管道疲劳寿命计算方法

何张峰，魏塬，刘树林

(上海大学机电工程与自动化学院，上海200444)

基金项目：(国家自然科学基金青年项目(11802168)；国家自然科学基金面上项目(51575331); 中国博士后科学基金资助项目（2019M661458）)

作者简介：何张峰（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为人工智能与故障诊断，596389865@qq.com.

通讯作者：魏塬，男，讲师，weiyuan0315@sina.com.

摘要：结合真实海况数据，分别采用Pierson-Moskowitz 波浪谱法和三参数威布尔分布对波浪、海流数据进行处理。将处理后的数据代入DNVGL-RP-F105 规范提供的响应模型，计算不同组合海况下悬跨管道的涡激振动（VIV ）响应应力以及响应频率。然后根据响应应力和响应频率，按照Palmgren-Miner 线性疲劳损伤累积理论对悬跨管道的疲劳寿命进行校核。最后以某输气管道为算例进行计算，给出了海底管道疲劳寿命的计算方法和计算流程。

关键词：悬跨管道；疲劳寿命；涡激振动；疲劳损伤累积理论

中图分类号：TE38   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)01-0007-05

随着陆地油气资源的日益匮乏，世界各国越来越重视海上油气资源开发，使得大量的海底油气管道被投入使用。由于海床凹凸不平以及海流的冲刷作用，海底管道不可避免地会出现悬跨，在波流联合作用下，极易产生涡激振动（VIV），从而诱发管道疲劳破坏，因此正确地评估海底管道的疲劳寿命，精确指导、实施海底管道维护措施，对保证管道系统的安全运行具有重要的意义。

金学文［1］通过对海底管道在不同波流组合下的疲劳寿命进行评估，分析了环境因素、悬跨长度对疲劳寿命的影响规律；胡瑾秋等［2］应用断裂力学方法分析了海洋管道焊接接头疲劳失效规律；余建星等［3］运用谱分析理论和疲劳分析理论建立了海底管线疲劳寿命预测方法；高喜峰等［4］运用土体弹簧模拟悬跨管道跨肩处的管土作用，分析了非对称边界条件下的悬跨管道疲劳特性；吕骁翼等［5］提出一套ABAQUS有限元分析方法，将仿真结果与疲劳评估准则相结合计算悬跨管道的疲劳寿命；董文乙［6］基于DNV（Det Norske Veritas）规范，对海底管道疲劳寿命的影响因素（工作内压、海流流速、沟槽深度）进行了分析；Yttervik等［7］研究了海流的流速和方向对海底悬跨段疲劳失效的影响；Sollund等［8］针对悬跨管道疲劳寿命，提出了一种改进的多模态响应预测方法。由上述文献可知，悬跨管道的疲劳寿命与海况密切相关。目前大部分的研究将海流速度假设为定值，仅计算悬跨管道在单一海况下的疲劳寿命。然而真实海况十分复杂，海流速度并不是一成不变的。本文结合真实海况记录数据，根据DNV规范［9］以及疲劳损伤累积理论，以某在役海底管道为例，给出了悬跨管道疲劳寿命的计算方法，可应用于工程中海底管道的疲劳寿命预测以及安全评估。