机动管线水面浮运铺设牵引力计算及分析比较

２０１０焦　管　道　披　木　２０１０　第１期　彳要　各　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｎｏ．１　机动管线水面浮运铺设牵引力计算及分析比较　李涛，张伟明，李毅，李　江　（中国人民解放军后勤工程学院，重庆４０００１６）　摘要：机动管线和固定管线不同，是由一根根的管子用连接器或自身阴阳头连接而成。机动管线　在水面浮运中所受牵引力的大小是铺设过程中的重要参数。用流速函数描述水面流速分布，得出牵引　力的计算公式，并通过Ｍａｄａｂ编程分析了任一参数变化时牵引力的变化情况，根据管线自身强度，得出　了铺设时的临界点，并对各参数的影响进行了比较，对管线铺设有一定的借鉴意义。　关键词：水面浮运；河流宽度；流速函数；矢跨比　中图分类号：ＴＥ８３２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—９６１４（２０１０）０１—０００４—０３　Ｃａｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　Ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　ＬＩ　Ｔａｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ—ｍｉｎｇ，ＬＩ　Ｙｉ，ＬＩ　Ｊｉａｎｇ　（Ｌｏｇｉｓｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｂｉｌｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ａｎｄ　ｆｉｘｅｄ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ａｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｕｂｅｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ　ｏｒ　ａ　ｓｅｌｆ－ｙｉｎ　ａｎｄ　ｙａｎｇ　ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｉｔ　ｂｅａｒｓ　ｗｈｅｎ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐ￣ａｍｅｔｅｒ　ｉｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌａｙｉｎｇ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　ｓｌｌｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｏｗｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，　ＳＯ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｌａｙｉｎｇ　ｉｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｏｆ　ａｌｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｒｅ　ｃｏｍｐ￣ｅｄ．Ｔｏ　ｄｏ　ＳＯ　ｈａｓ　ｓｏｍｅ　ｒｅｆｅｒ－　ｅｎｔｉａｌ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ　ｔｏ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｌａｙｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ；ｒｉｖｅｒ　ｗｉｄｔｈ；ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｓｐａｎ　ｒａｔｉｏ　０　引言　主槽处最大，在靠近两岸处最小。　机动管线与固定管线不同，是由一根根的管子用　在牵引力计算中，若取水面最大流速，计算所得　连接器或自身阴阳头连接而成，建成一段时间需撤　的牵拉力会大于管线实际的牵引力，以此结果进行设　除，因此管线铺设设备必须具有轻便、机动性强、安全　备选型，虽然牵引会比较方便，但会造成材料和设备　可靠等特点，以适应管线铺设、撤收方便快捷的要求。　的浪费，与管线设备机动性强的要求不相符；若以水　水域穿越中，常采用水面浮运的方式牵引到对岸，即　面平均流速（最大流速与最小流速和的一半）取值，计　将管线密闭，利用管线自身的正浮力漂浮在水面上被　算所得值较小，以此结果进行设备选型，可能会造成　拉到对岸…，如图１所示。　牵引装置动力不足或钢缆被拉断现象，是不可取的。　这两种取值方式对问题进行了简化，使得与水面接触　的管段受到的载荷为均布载荷，求解比较容易，但所　得结果与实际情况有一定误差。管线牵拉力　见式　（１）：　图１水面浮运　ｒ厂———　ｒ一　管线所受牵引力是铺设过程中的重要参数之一，　：芋√１＋（　）　（１）　是管线能否安全施工及设备选型的重要依据。其与　式中：ｑ为水平均布载荷；　为河流宽度；ｋ为矢跨比，　水面流速对每个管段产生的水平推力有直接关系，但　＝水面流速在每个位置上的大小有差异，一般来说，在　Ｓ／Ｌ；５为管线的水平矢度。　用流速函数描述水面流速分布情况，则每个管段　所受到的水平推力是变化的，但接近实际情况，计算　收稿日期：２００９—０９—０２　收修改稿日期：２００９—０９—２０　第１期　李涛等：机动管线水面浮运铺设牵引力计算及分析比较　５　结果有较高的可信度。文中用流速函数对流速取值，　计算管线所受牵拉力。　１管线牵引力计算比较　１．１牵引力计算　～以ＤＮ１５０管线为例，Ｄ＝１５２　ｍｍ，ｋ一般处在１／＇２５　１／１５（０．０４～０．０６７）之间；　一处在１—３　ｍ／ｓ之间。　分别对ｋ取值１／１５、１／２５，对　取值１　ｍ／ｓ、３　ｍ／ｓ，　＇￣／ｎｔｌｎ都取０．１　ｍ／ｓ，进行排列组合，计算４种定矢跨比、　定水面流速、河流宽度变化范围５０～３５０　ｍ（步长为１　ｍ）时牵引力的变化情况。　管子在被拖运过程中，竖直方向上重力与浮力平　衡，水平方向上管线承受水流推力和钢缆的拉力，管　子在刚被拉到对岸时，水平方向上受推力的面积最　大，所受牵引力最大。　在水平方向上建立图２所示坐标系，　轴垂直于水　通过Ｍａｔｌａｂ编程，采用数值积分法进行计算。计　算流程图如图３所示。　流方向，　（　）为水面流速函数，牵拉力Ｆ　可分解为沿两　坐标方向的拉力ｔ　和ｔ　，抑制力Ｆ　可分解为沿两坐标　方向的拉力　和Ｆｙ，ｔ　为（　，Ｊｓ）点管线所受拉力。　ｒ　Ｆ　‘品＇ｏ）　』ｖ∽　ｔ　。／　ｒ　＼　＝＝Ｉ—　ｔｊ　　．图２管线水平方向形状图　若水面流速函数是以河中心Ｌ／２处为中心点的对　称函数，则管线的最大矢度出现在　＝Ｌ／２处，此时：　Ｌ　１　．　“＝＝＝去　水ＤＪ“　ｔｘ　Ｆｘ　水Ｄ　（ｌ一（Ｖｚ　　）　ｄ　（２）　＝　：ｙ　瓦　水　水ＤＪ　』ｃ。　（　）　）　ｄ　　（３ｊ。）　Ｆ　＝Ｆ，＝￣／　＋ｔ　（４）　＝÷　水Ｄ√　［　（　）　］　＋　［ｆ　（　）　ｄ　】　（５）　式中：ｃ为阻力系数，可取０．８；Ｄ为管子外径；ｐ水为水　的密度，Ｐ永＝１　０００　ｋｇ／ｍ　．　由式（５）可知，管线的牵引力与河流宽度、矢跨比　和水面流速都有关系，可观察任一参数变化时牵引力　的变化情况。　１．２牵引力变化比较　１．２．１相同矢跨比、相同水面流速、不同宽度　相同矢跨比即ｋ为定值，Ｓ＝砚，因此矢度是随着　河流宽度变化的。相同流速即河流的中心最大流速　和靠近两岸处最小流速分别相同，假定水面流速都以　河流中心Ｌ／２为中心呈抛物线分布，水面流速函数表　示为　ｖ（ｘ）＝　一（　—Ｌ／２）　／ｍ　（６）　式中：　…为水面最大流速；ｍ为设定的系数，在给定的　水面最大流速、最小流速和河流宽度下，可以求出其值。　图３计算程序框图　结果如图４、表ｉ所示。　河流宽度Ｕｍ　河流宽度　，ｍ　（ａ）ｋ＝１／２５　（ｂ）ｋ＝１／１５　图４　Ｌ变化时　变化情况　由图４和表１可知，定矢跨比、定水面流速下，　增大，Ｆ　基本都是线性增长，但　＝３　ｍ／ｓ时Ｆ　的增　长幅度明显大于／３　＝１　ｒｎ／ｓ时的增长幅度。且在图　４（ａ）中，当河流宽度达到３２０　ｍ时，Ｆ　达到管线能承　受的最大允许拉力４１０　ｋＮ　，３２０　ＩＴＩ为临界河流宽度，　宽度继续增大将会给施工带来安全隐患。　１．２．２相同宽度、相同水面流速、不同矢跨比　是定值，故不同矢跨比即是不同矢度，选取两个　河流宽度１００　ＩＴＩ和３５０　ｍ，对Ｕｍａｘ取值１　ｍ／ｓ、３　ｍ／ｓ，　６　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊａｎ．２０１０　Ｆ　“　ｍ　ｍ　ｍ　旺　口　ｕ　ｍ　表１定矢跨比、定水面流速、不同河流　Ｉｌ　＝　ｌｌ　＝　１　３　１　３　宽度时牵引力变化情况　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　ｌＩ　ＩＩ　ｌＩ　ｌ１　｝１　／１　１　２　２　／／／　５　５　５　５　４．３５　８．７３　１３．】１　２Ｉ＿Ｏ０　２６．２５　３０．６３　３８．４６　７７．１２　ｌ１５．７７　１８５．３６　２３１．７５　２７０．４１　７．１７　１４．３８　２１．５９　３４．５７　４３．２１　５Ｏ．４２　６３．３３　１２７．００　１９０．６７　３０５．２７　３８１．６７　４４５．３４　￣）ｍｉｌａ都取０．１　ｍ／ｓ，计算４种定河流宽度、定水面流速、　矢跨比变化范围１／２５～１／１５（步长为０．００１）时牵引　力的变化情况。计算程序框图与图３类似。结果如图　５、表２所示。　（ａ），Ｊ＝３５０　ｍ　（ｂ）Ｌ＝ｔＯ０　ｍ　图５　ｋ变化时Ｆ　变化情况　由图５和表２可知，定河流宽度、定水面流速时，ｋ　增大，Ｆ　呈下降的趋势。图５（ａ）中，Ｌ：３５０　ｎｌ、　＝３　ｍ／ｓ时，０．０４２为临界矢跨比，　不能继续减小。　表２定河流宽度、定水面流速、不同　矢跨比时牵引力变化情况　１．２．３　相同宽度、相同矢跨比、不同水面流速　文中采用抛物线函数来描述水面流速分布，可认　为河流中心处最大流速不同，靠近两岸处最小流速相　同，流速函数也发生了变化。选取两个河流宽度１００　ｍ和３５０　ｍ，对ｋ取值１／１５、１／２５，计算４种定河流宽　度、定矢跨比、水面最大流速变化范围１～３　ｍ／ｓ（步长　为０．１　ｍ／ｓ）时牵引力的变化情况，计算程序框图与图　３类似。结果如图６、表３所示。　由图６和表３可知，定河流宽度、定矢跨比时，　增大，　增大，但增长速度明显大于　变大时的线性　增长速度，可见其受流速变化的影响更为明显。图６　（ａ）中，ｋ＝１／２５，Ｌ＝３５０　Ｉｌｌ时，ｔ７　为２．８　ｍ／ｓ为临界　流速，流速不能继续增大。　；；　旺　驭　％　娃　ｌＩ　ｌＩ　一一　Ｉｌ　３．０　１　１　３　３　２　５　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　２．０　Ｌ　ｌＪ　＝　＝　＝　ｌ　５　ｌ　３　１　３　ｌ＿Ｏ　∞如∞卯　ｍ　ｍ　ｍ　ｍ　Ｏ　５　０　４　Ｏ　５　７　５　舛　１　∞　２　４　３　６　４¨　（ａ）　＝１／２５　（ｂ）ｋ＝１／１５　叭∞∞＂　图６　ｖ　变化时Ｆ　变化情况　１　０　１　７　４　ｍ　表３定河流宽度、定矢跨比、不同水面　∞　∞　流速时牵引力变化情况　Ｏ　６　３　９　３　５　∞　３　８　９　３　５　９　勰∞　３　７　８　Ｏ　６　９　诣　¨　２结束语　用流速函数对水面流速取值，得出了管线牵拉力　的计算公式，并运用Ｍａｔｌａｂ编程分析比较了任一影响　因素变化时牵拉力的变化情况。河流宽度、水面流速　变大时，牵引力都变大，但其受流速变化的影响更为　明显；矢跨比增大，牵拉力减小。施工时，可以根据具　体参数的变化情况作施工调整，如在穿越一条河流　时，可根据上面得出的结论，选择最佳的河流宽度和　水面流速处进行铺设，调整矢跨比，使牵拉力处在较　小值，保证施工的安全。　在计算公式的推导和比较分析中，忽略了管线与　水相互运动产生的摩擦力，也没有考虑水面流速分布　不对称的情况，因此管线在一些特殊的河流（水面最　大流速不是在河流中心处，流速分布很不均匀等）铺　设时，文中导出的公式有待修正。　参考文献：　［１］　张伟明，戴卫国．钢质机动管线穿越水域铺设．管道技术　与设备，２００３（６）：１７—１９．　［２］　蒲家宁．军用输油管线．北京：解放军出版社，２００２．　［３］　戴卫国．野战输油管线水域穿越可靠性研究：［学位论　文］．重庆：后勤工程学院，２００４．　［４］　陈雁，张伟明．软管水面穿越河流的力学分析探讨．后勤　工程学院学报，２００５（２）：７７—７９．　［５］　陈怀琛．ＭＡＴＬＡＢ及其在理工课程中的应用指南．西安：　西安电子科技大学出版社，２０００．　作者简介：李涛（１９８６一），在读研究生，主要研究方向为输油管　道设计与管理。