海底管道穩(wěn)定性分析

趙 黨，郝雙戶，何 寧

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津300451)

0 引言

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，不斷出現(xiàn)的新技術(shù)推動(dòng)著深水以及超深水石油工程的發(fā)展。世界范圍的深海石油勘探開(kāi)發(fā)熱潮興起于20世紀(jì)70年代末［1］，至今已有30多年的歷史。海洋石油的開(kāi)發(fā)主要由平臺(tái)、水下設(shè)備、連接管線等組成。海底管道是重要的組成部分。結(jié)合現(xiàn)行海底管道穩(wěn)定性分析主流規(guī)范，研究海底管道穩(wěn)定性分析涉及的參數(shù)和設(shè)計(jì)研究方法具有重要的深遠(yuǎn)意義。

1 海管穩(wěn)定性參數(shù)分析

海底管道分析涉及參數(shù)主要包括波流特性參數(shù)，海床地質(zhì)特性及海管管材特性參數(shù)等。

1.1 波流特性

波流屬于環(huán)境作用參數(shù)，用于設(shè)計(jì)的數(shù)值來(lái)自長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)數(shù)值。其中定義波的參數(shù)有波高 (有益波高，最大波高)和波周期 (有益波周期，最大波周期和譜峰周期等);定義流的參數(shù)有不同水層深度流速和流向等;海洋中流的組成包括潮汐流、風(fēng)誘導(dǎo)流、風(fēng)暴潮誘導(dǎo)流及介質(zhì)密度差異引起的內(nèi)波流等。

實(shí)際工程應(yīng)用中［2］，對(duì)于操作期工況 (工況時(shí)間大于12個(gè)月):一般選取10-year波+100-year流和100-year波 +10-year流作為環(huán)境工況;對(duì)于臨時(shí)工況 (工況時(shí)間小于12個(gè)月):一般選取1-year波+10-year流和10-year波+1-year流作為環(huán)境工況。

海底管道位于海床上，固有時(shí)需要根據(jù)所給的海水流速折算到海底管道所處位置的海水流速，一般采用如下公式計(jì)算:

式中:V(zr)為zr處流速;zr為參考高度(相對(duì)于海床面);z0為海床粗糙度;θc為流速和管線夾角。

對(duì)于波的研究主要依據(jù)經(jīng)典的線性波 (見(jiàn)圖1)理論［3］。由線性波理論可知水平向質(zhì)點(diǎn)速度為

垂向質(zhì)點(diǎn)速度為

圖1 線性波理論特征參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic of parameters of linear wave theory

實(shí)際工程涉及到的都是不規(guī)則波 (見(jiàn)圖2)，不規(guī)則波可以簡(jiǎn)化分解為多個(gè)規(guī)則波的組合，定義不規(guī)則波的描述方法有JONSWAP，TMA，Twopeak等［4］。波數(shù)據(jù) (長(zhǎng)期分析)參數(shù)有波高、周期及相位角等。

參數(shù)KC值定性描述波的大小，圍繞海管的水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)呈橢圓形狀，KC值清楚地描述了其值的大小和管體外徑的關(guān)系。KC取值范圍為(0，+∞)，對(duì)于較大的KC值，環(huán)境作用中流起主導(dǎo)作用;對(duì)于較小的KC值，環(huán)境作用中波流作用相當(dāng)。

圖2 不規(guī)則波示意圖Fig.2 Schematic of irregular wave

1.2 土壤特性

一般海床土壤由砂質(zhì)、粘土、石塊等組成，其主要特征參數(shù)為:砂質(zhì)摩擦系數(shù)一般取0.6，管土作用時(shí)支撐力相對(duì)不依賴土壤密度;粘土摩擦系數(shù)一般取0.2，管土作用支撐需考慮其剪切力作用影響;石塊摩擦系數(shù)一般取0.6，海管作用在這樣的海床上基本沒(méi)有沉降。實(shí)際工程中，需根據(jù)地質(zhì)報(bào)告細(xì)化的土壤特性分別分析。

1.3 管材特性

管材特征主要指管徑、水下重及海管表面粗糙度等參數(shù)。

管材外徑范圍為:0.1～1.5m(48”+ 100concrete)不等。一般隨管徑增加，海管浮力增加，水動(dòng)力作用增大，減少侵入泥深度等使海底管道相對(duì)穩(wěn)定性減弱。描述海管穩(wěn)定性一個(gè)重要參數(shù)為海管水下重和浮力的比值，比值越大，海管相對(duì)穩(wěn)定性越強(qiáng)，其關(guān)系如圖3所示。

圖3 管材特征參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic of parameter of pipeline

2 海管穩(wěn)定性分析方法

2.1 海管側(cè)向穩(wěn)定性分析方法

海管側(cè)向穩(wěn)定性分析方法主要分為動(dòng)態(tài)分析法、歸納法及靜態(tài)分析法等［2，5］。動(dòng)態(tài)分析法使用動(dòng)力學(xué)方程求解海床上的管道側(cè)向位移問(wèn)題。該方法涉及的力學(xué)模型包括水動(dòng)力模型、管-土作用模型、邊界條件和動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)設(shè)定等。該方法的力學(xué)模型通過(guò)時(shí)域控制方法求解;歸納法根據(jù)工程及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，使用一系列無(wú)量綱參數(shù)的設(shè)計(jì)曲線來(lái)計(jì)算穩(wěn)定條件下的管道重量。該設(shè)計(jì)曲線是通過(guò)動(dòng)態(tài)分析實(shí)驗(yàn)獲得的。涉及的無(wú)量綱參數(shù)主要包括KC參數(shù)、海床土質(zhì)強(qiáng)度參數(shù)、流速波速比值、加速度參數(shù)及管道重量控制參數(shù)等;靜態(tài)分析方法基于靜態(tài)力學(xué)平衡方程，計(jì)算海底管道穩(wěn)定條件下的管道最小重量。

動(dòng)態(tài)分析方法相對(duì)其他方法耗時(shí)較長(zhǎng)，準(zhǔn)確性高，采用該方法的商業(yè)程序有PONDUS(Marintek，Trondheim)和AGA LevelⅢ (PRCI，USA)等。該方法主要基于試驗(yàn)，通過(guò)波流概率分布譜作用在海底管道上，考慮管土相互作用的非線性模型及沉降和側(cè)向位移影響，最終得到海管側(cè)向位移距離、浸入海床深度和海管相應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值等。圖4為波流作用情況，圖5為分析結(jié)果。

圖4 波流作用示意圖Fig.4 Schematic of impact of wave and current

圖5 海管側(cè)向位移示意圖Fig.5 Schematic of lateral displacement of submariner pipeline

歸納法描述由一些無(wú)量綱參數(shù)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到海管側(cè)向位移。

其中:

式中:ws為海管單位長(zhǎng)度水下重;ρw為海水密度; D為海管外徑;Us為頻譜誘導(dǎo)流速;Tu為頻譜周期;Uc為垂直作用海管上海水流速;τ為波數(shù)T/Tu; γs為土壤干重;γ's為土壤(沙土)水下重。

由上式計(jì)算可得到KC，M，N的取值范圍，再根據(jù)由動(dòng)態(tài)分析歸納總結(jié)得出的表格、圖像插值得到對(duì)應(yīng)滿足條件的最小的管重等信息，以判斷其是否滿足要求。(經(jīng)驗(yàn)表格、圖像可參考文獻(xiàn)［2］)。

靜態(tài)分析方法基于靜態(tài)力學(xué)平衡方程，計(jì)算海底管道穩(wěn)定條件下的管道最小重量。

靜態(tài)分析方法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為

其中γsc為安全系數(shù)，根據(jù)不同海況及工況，其取值不同［2］。和均根據(jù)Morison公式獲得。

式中:μ為海床介質(zhì)摩擦系數(shù);ws為海管水下重; FR為海床介質(zhì)被動(dòng)摩擦力。，均與KC和M相關(guān)［2］，可插值得到。

2.2 海管垂向穩(wěn)定性分析方法

海底管道垂向穩(wěn)定性主要研究海底管道在垂直于海床方向是否能保持穩(wěn)定狀態(tài)不上浮和有條件的下沉等。需根據(jù)路由區(qū)海床不同土壤特性，判斷海底管道在垂向的穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)于砂質(zhì)海床，因?yàn)樾☆w粒沙土高的浸透性，海底管道能穩(wěn)定地存在于這樣的海床上，只需要校核在砂質(zhì)海床上的海管水下重是否大于海管浮力即可。

對(duì)于粘土質(zhì)海床，需要校核海管在這樣海床地質(zhì)情況下海底管道是否穩(wěn)定，主要包括海管是否上浮及粘土質(zhì)海床是否能支撐海管使其沉降數(shù)值滿足要求。

粘性質(zhì)土壤剪切力計(jì)算公式如下［6］:

式中:C為不擾動(dòng)土壤參數(shù);Nc為粘性土參數(shù)［7］; Nq為粘性土參數(shù)為土壤內(nèi)摩擦角;Nγ為土壤參數(shù);粘性土取0，砂質(zhì)土壤取1.50·(Nq-1)tanφ［7］;γs為海管水下重; d為海管沉降深度;B為海管沉降海床接觸寬度。

圖6 海管垂向沉降示意圖Fig.6 Schematic of vertical displacement of submariner pipeline

校核:

式中:ws為海管水下重;Dc為海管外徑 (包含防腐涂層及混凝土涂層);d為海管沉降深度;B為海管沉降海床接觸寬度。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面對(duì)海底管道穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參數(shù)和分析方法的研究，可從以下幾方面進(jìn)行海底管道穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的優(yōu)化:

1)增加管體相對(duì)重量，可通過(guò)增加海管壁厚或增加混凝土配重層等實(shí)現(xiàn);

2)海底管道部分埋設(shè)或者全部埋設(shè)處理;

3)挖溝鋪設(shè)海管，自然回填;

4)使用壓塊或者樁基固定鋪設(shè)在海床上的海底管道。

海底管道設(shè)計(jì)是海管設(shè)計(jì)中復(fù)雜分析工況，除應(yīng)用上述分析方法和優(yōu)化方法外，還要根據(jù)具體情況做附加分析，如對(duì)于埋設(shè)和非埋設(shè)海管的穩(wěn)定性分析［8］，對(duì)于高溫高壓海底管道及側(cè)向位移偏大的海底管道要進(jìn)行屈曲分析［9］，對(duì)于路由海床不平整的海底管道要進(jìn)行海底管道不平整度分析［10］;對(duì)于深水海底管道要考慮鋪設(shè)殘留張力對(duì)海底管道穩(wěn)定性的影響等。

［1］ 李志剛.深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.1-5. LI Zhi-gang.Laying technology of deepwater submarine pipeline［M］.BeiJing:China Machine Press，2012.1-5.

［2］ DNV-RP-F109，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines［S］.2011.

［3］ NATH J H，YAMAMOTO T.Wave forces on pipes near the ocean bottom［J］.Offshore Technology Conference，1976.

［4］ DNV-RP-C205，Environmental Conditions and Environmental Loads［S］.2010.

［5］ DNV-RP0-E305，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines［S］.1988.

［6］ GHAZZALY O I，MCClelland Engineers，Inc.Experimental investigation of pipeline stability in very soft clay［J］. Offshore Technology Conference，1975.

［7］ DNV-RP-F105，F(xiàn)ree Spanning Pipelines［S］，2006.

［8］ Rafael Familiar Solano，F(xiàn)abio Braga de Azevedo.Design and installation of buried heated pipelines at the capixaba north terminal offshore brazil［J］.International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2004.

［9］ NES H，ETTERDAL B.Condition management of HP/HT pipelines:A new approach［J］.International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2008.

［10］ VITALI L，TORSELLETTI E.Bending capacity of pipes subject to point loads［J］.International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2003.