郭力, 袁昱超, 唐文勇

上海交通大学学报 2025, 59 (12): 1815-1823. DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2024.007

摘要（1733）

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海洋管线在海洋工程装备中应用广泛,在黑暗未知的海底极易受到船锚、深潜器等水下结构物的意外破坏,开展海洋管线平衡位形状态监测研究可有效保障管线的安全.本文基于逆有限元法开发了海洋管线在三维背景洋流作用下的位移场反演模型,包含输入参数模块、坐标转换模块和位移重构函数模块,考虑了悬链线型海洋管线曲率大、三向耦合大位移、局部翻转等特征,解决了三维背景洋流作用下悬链线型管线位移场低模态、不规则给位移场反演带来的技术难题,研究了监测点数量和监测点布置位置对位移场反演精度的影响.测点间距100 m、30° 布置的方式可满足工程精度要求,研究结果可为海洋管线健康监测系统设计提供一定的思路和方法.

采用悬链线管线位移场反演模型对3 000 m长的悬链线立管在v_f=2 m/s的背景洋流下位形进行反演重构,验证本文提出的模型准确性,立管参数参考文献[13],如表1所示.采用OrcaFlex求得悬链线立管的位形和应变分布,其中应变是管线位移场反演模型的输入参数,位移是管线位移场反演模型的验证参数.测点的布置位置如图3所示,以悬链线立管在无海流作用状态的初始形状为基础,在触地点建立坐标系,原点设置在触地点,XO₁Z 平面与触地点和悬挂点在同一平面内, Z方向垂直向上,Y方向垂直于XO₁Z平面,分别在管线横截面的0°、90°、180° 和270° 共4个位置布置测点,测点1和测点2用于测量XO₁Z平面的应变,测点3和测点4用于测量YO₁Z平面的应变,对于二维悬链线海洋管线位移场反演研究,仅用到XO₁Z平面数据及相关自由度.

钢制悬链线立管在三维背景洋流作用下会发生翻转,导致初始位形下的顺流向和横流向测点偏离初始位置,忽略翻转效应对管线的影响将带来巨大的预报误差.图6展示45° 背景洋流下悬链线立管翻转角度分布,从悬挂点开始到触地点,立管的翻转角度从40° 逐渐增加至70°,图中距离顶端800 m处的位置,缆线的翻转角度达到了60°,倘若仍然采用图3中的测点进行反演计算,由于缆线横截面上的各点的应变并不是线性分布的,得到的局部位移和转角很难映射到全局坐标系下,这导致在位移反演过程中产生数值误差,所以立管位移反演要着重考虑翻转效应的影响,对翻转后的应变数据进行精确识别是关键.