波流共同作用下子母管的側(cè)向穩(wěn)定性分析

付方，王輝，熊海榮，肖花

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

波流共同作用下子母管的側(cè)向穩(wěn)定性分析

付方，王輝，熊海榮，肖花

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

為降低海底管道設(shè)計(jì)和施工成本，可采用子母管平行捆綁于一體的管道結(jié)構(gòu)形式。針對(duì)子母管結(jié)構(gòu)特性，對(duì)其進(jìn)行截面等效處理，并考慮到子母管綁扎結(jié)構(gòu)形式對(duì)水動(dòng)力的影響及管道由于小幅振動(dòng)而產(chǎn)生的管道沉陷對(duì)土壤作用的影響，利用AGALevelII軟件進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)分析，模擬了極限工況條件下管道所受水動(dòng)力作用及管土作用，得出了相應(yīng)的側(cè)向穩(wěn)定性安全系數(shù)。并以某油田項(xiàng)目子母管設(shè)計(jì)為例進(jìn)行計(jì)算，說(shuō)明了該方法的實(shí)用性與簡(jiǎn)便性。

海底管道；子母管；側(cè)向穩(wěn)定性；AGALevelII軟件；水動(dòng)力；管土作用

處于海床上的海底輸油管道由于其工作環(huán)境不同于陸上管道，長(zhǎng)期承受海浪、海流、地震等荷載以及環(huán)境腐蝕，因此在管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各種影響因素，既要考慮投資又要保證海底管道在安裝期和運(yùn)行期內(nèi)極限工況下的穩(wěn)定。為了降低海底管道的設(shè)計(jì)和施工成本，提高海洋油氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，海底管道可采用兩條平行管道捆綁于一體的子母管結(jié)構(gòu)形式。通常，母管用于輸送油氣，子管用于輸送置換介質(zhì)，母管停輸后，可利用周邊油田的置換泵將預(yù)先注入子管內(nèi)的化學(xué)藥劑注入母管中，避免母管堵塞事故的發(fā)生，保障了油田開(kāi)發(fā)的安全[1]。

本文以某油田項(xiàng)目后挖溝埋設(shè)子母管海底管道為研究對(duì)象，對(duì)子母管進(jìn)行截面等效處理，并考慮到子管對(duì)母管水動(dòng)力作用的影響及管道由于小振幅振動(dòng)而產(chǎn)生的管道沉陷對(duì)土壤作用的影響，應(yīng)用AGALevel II軟件對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，計(jì)算了該海底管道安裝期的側(cè)向穩(wěn)定性。

1 參數(shù)分析

海底管道穩(wěn)定性分析涉及的參數(shù)主要包括管材、波流及海床土壤特性參數(shù)等。

1.1 海管管材特性

管內(nèi)徑為2 in（1 in=25.4 mm）的子管和8 in的母管采用管卡進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1～圖3。穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)采用管材等效的方法將子管和母管及其涂層、配重層等效為一根管道進(jìn)行計(jì)算。參照單根海底管道的情況，假定了子母管結(jié)構(gòu)的受力仍然用Morison方程進(jìn)行計(jì)算，子母管結(jié)構(gòu)中水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度可用單根管道中心處相應(yīng)的參量代表。采用管材等效的方法計(jì)算子、母管道的水動(dòng)力荷載，并考慮子、母管道間空隙水質(zhì)點(diǎn)速度流場(chǎng)分離對(duì)子母管結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 管徑8 in母管截面

圖2 管徑2 in子管截面

圖3 子母管綁扎結(jié)構(gòu)形式

子母管的等效質(zhì)量Weq（單位：kg/m）及等效外徑Deq（單位：m）采用式（1）、（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中W1s——母管（碳鋼管和316L不銹鋼內(nèi)襯）質(zhì)量/（kg/m）；

W1a——母管外防腐涂層質(zhì)量/（kg/m）；

W1c——母管外混凝土配重層質(zhì)量/（kg/m）；

W2s——子管質(zhì)量/（kg/m）；

W2a——子管外防腐涂層質(zhì)量/（kg/m）；

D1s——母管外徑/m；

D1a——母管外防腐涂層厚度/m；

D1c——母管外混凝土配重層厚度/m；

D2s——子管外徑/m；

D2a——子管外防腐涂層厚度/m。

1.2 波流特性

（1）海流作用在海底管道所處位置的平均流速Uc（單位：m/s）用式（3）計(jì)算[2]：

式中Uc（zr）——高度zr處的參考穩(wěn)態(tài)速度/（m/s）；

zr——參考高度（相對(duì)于海床面）/m；

z0——海床粗糙度/m；

D——管道外徑（包括混凝土配重層）/m；

θc——流向與管道夾角/（°）。

（2）波浪作用下振蕩流速的推導(dǎo)計(jì)算[2]：

其一，JONSWAP譜密度方程：

式中α——廣義Phillips常數(shù)；

g——重力加速度/（m/s2）；

ω——波浪角頻率/（s-1）；

ωp——譜峰角頻率/（s-1）；

γ——峰度參數(shù)；

σ——譜寬參數(shù)；

Hs——有效波高/m；

φ——JONSWAP峰度參數(shù)；

Tp——譜峰周期/s。

其二，海底管道所處位置的振蕩流速譜方程：

其三，頻率轉(zhuǎn)換方程：

式中h——水深/m；

k——波數(shù)。

其四，譜矩方程：

式中n——階數(shù)。

其五，海底管道所處位置的有效流速：

其六，海底管道所處位置的修正振蕩流速：

式中RD——修正系數(shù)；

θrel——波向與海底管道的夾角/（°）；

β——遮蔽變量。

其七，波浪能量加寬方程：

式中?！猤amma方程；

s——加寬參數(shù)，在2～8之間取值；

kw——波浪能量傳播方程。

（3）波浪及海流作用在海底管道所處位置的平均流速用下式計(jì)算：

（4）波浪及海流作用在海底管道上的水平力用下式計(jì)算：

式中FD——拖曳力/（N/m）；

FI——慣性力/（N/m）；

ρ——海水密度/（kg/m3）；

CD——拖曳力系數(shù)；

CI——慣性力系數(shù)；

a（t）——作用在管道上的有效加速度/（m/s2）；

TU——平均上跨零線周期/s。

（5）波浪及海流作用在海底管道上的垂向力用下式計(jì)算：

式中CL——升力系數(shù)。

由于子管與母管綁定連接，二者之間相互作用會(huì)增大作用在海底管道上的流速和加速度[3]，因此增加了作用在海底管道上的水平力。

修正后的流速和加速度分別用下列公式計(jì)算：

式中R——子管的半徑（包括涂層）/m；

Zm——子管與母管的中心距離/m。

1.3 土壤特性

海床上的海底管道受到的土壤側(cè)向作用力由3部分組成[4]，見(jiàn)圖4、圖5。第一部分是土壤對(duì)海底管道的摩擦力；第二部分是海底管道因受自身重力作用而產(chǎn)生瞬時(shí)沉降，土壤由此對(duì)其產(chǎn)生的側(cè)向阻力；第三部分是海底管道因受波浪作用而產(chǎn)生小幅振動(dòng)，土壤由此增加了對(duì)其產(chǎn)生的側(cè)向阻力。海床土壤一般由砂質(zhì)、黏土、石塊等組成，對(duì)于砂質(zhì)，其摩擦系數(shù)一般取0.6；黏土，其摩擦系數(shù)一般取0.2；石塊，其摩擦系數(shù)一般取0.6[4]。土壤對(duì)海底管道的側(cè)向阻力一般由管道水下重力、管道外徑、管道振幅、土壤密實(shí)度等參數(shù)決定[5]。

砂土對(duì)海底管道的側(cè)向阻力用下列公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算[6]：

圖4 管土摩擦力作用模型

圖5 管土側(cè)向阻力作用模型

式（16）中相關(guān)參數(shù)可按下列公式推導(dǎo)計(jì)算：

式中的DMAX取1，DMIN取0.5。

當(dāng)0≤d≤1.4時(shí)：

C1=0.14 d，fd=0.024

當(dāng)-1≤d＜0時(shí)

C1=0.5 d，fd=0.031

式中E——管土相互作用功/（N·m）；

A——管道在波浪作用下的振幅（半周期）/m；

γW——海水重度/（N/m3）；

DR——土壤相對(duì)密度；

FLAVG——海流作用下的平均升力（半周期）/（N/m）；

Z——管道沉降量/m；

d——相對(duì)密實(shí)度。

2 工況組合及判別標(biāo)準(zhǔn)

2.1 工況組合

在實(shí)際工程應(yīng)用中[2]，對(duì)于操作期工況（操作時(shí)間大于12個(gè)月）一般選取10年波+100年流和100年波+10年流作為環(huán)境工況；對(duì)于臨時(shí)工況（操作時(shí)間小于12個(gè)月）一般選取1年波+10年流和10年波+1年流作為環(huán)境工況。由于本項(xiàng)目為后挖溝埋設(shè)海底管道，因此只需考慮安裝期臨時(shí)工況組合。

2.2 判別標(biāo)準(zhǔn)

海底管道準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)向穩(wěn)定性分析安全系數(shù)按下式計(jì)算[6]：

在4 h風(fēng)暴潮及額外3 h風(fēng)暴潮條件下得到的側(cè)向穩(wěn)定性安全系數(shù)（分別用SF1和SF2表示）如果大于1，則認(rèn)為管道是安全的，可滿足側(cè)向穩(wěn)定性要求[7]。

3 計(jì)算過(guò)程及結(jié)論

3.1 設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1～表3。

表1 子母管設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 環(huán)境參數(shù)

表3 土壤參數(shù)

分析結(jié)果見(jiàn)表4和圖6。

表4 側(cè)向穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.2 分析結(jié)果

圖6 水動(dòng)力峰值

4 結(jié)論

綜上計(jì)算結(jié)果，可得本項(xiàng)目海底子母管結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定性分析安全系數(shù)均大于1，滿足設(shè)計(jì)要求。本文將子母管進(jìn)行截面等效處理，并且考慮了子管對(duì)母管水動(dòng)力作用的影響及管道由于小振幅而產(chǎn)生的管道沉陷對(duì)土壤作用的影響，物理機(jī)理清晰，分析過(guò)程簡(jiǎn)捷。在實(shí)際工程中應(yīng)用該方法合理選用混凝土配重厚度、平衡材料費(fèi)用及施工難度，可保證海底管道在極限工況時(shí)的穩(wěn)定。

[1]楊琥，倪浩，朱曉環(huán).一種新型的置換海底子母管道技術(shù)[J].中國(guó)造船，2007，48（S）：563-570.

[2]DNV-RP-F109-2011，On-BottomStabilityDesignofSubmarine Pipelines[S].

[3]DNV-RP-F101-2005，Submarine Pipeline Systems[S].

[4]LAMBRAKOS K.Submarine Pipeline Soil Friction Coeffcients from In Situ Testing[J].Ocean Engineering，1985，12（2）：131 -150.

[5]LIENGJ T，BRENNODDENH.Energybasedpipe-soilinteraction models[R].SINTEF，Report for PRCI Project PR-194-719，June 1988.

[6]Submarine Pipeline On-Bottom[R].Report for PRCI Project PR -178-04405，2008.

[7]焦冬梅，余志兵，杜永軍，等.海底管道充水鋪設(shè)技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2013，39（2）：4-7.

L ateralStabilityAnalysis ofPiggyback Pipeline in Wave-Current Coexisting Field

FU Fang，WANG Hui，XIONG Hairong，XIAO Hua
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

In order to reduce costs of subsea pipeline design and construction，piggyback pipeline may be used.According to the structural characteristics of the piggyback pipeline，the two cross-sections of the piggyback pipeline will be re-calculated as one equivalent cross-section.The pipeline is subjected to oscillatory motions from wave action.Its additional embedment effect on soil is considered.A quasi-static analysis is carried out by applying AGA Level II software to simulate hydrodynamic force and pipe/soil interaction in ultimate limit state and obtain the lateralstability coefficient.As an example，the calculation of a practicalpiggyback pipeline is designed and calculated.The proposed method is proved to be practicable.

subsea pipeline；piggyback pipeline；lateral stability；AGA Level II software；hydrodynamic force；pipe/soil interaction

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.002

付方（1981-），男，山東昌邑人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)工程熱物理專業(yè)，碩士，主要從事海底管道設(shè)計(jì)。

2015-06-17