海底長輸油氣管道的隆起屈曲分析

余志兵， 孫國民， 王 輝， 高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

海底長輸油氣管道的隆起屈曲分析

余志兵， 孫國民， 王 輝， 高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

該文基于Palmer等研究學者提出的半經(jīng)驗解析公式，探討了海床幾何初始缺陷、溫降及土壤特性等因素對分析結(jié)果的敏感性。結(jié)合工程計算所需的前提假設，通過使用自編程序?qū)σ还こ虒嵗M行分析，結(jié)果表明該方法的計算量小、直觀性強，對工程設計具有一定的指導意義。

長輸海底管道；高溫高壓；初始幾何缺陷；隆起屈曲

0 前言

隨著海上油氣資源不斷地開發(fā)與利用，高溫高壓海底管道的工程應用逐漸增多，同時海底管道在溫度與壓力下的變形問題也逐漸顯現(xiàn)出來。對于埋設在海床以下的管道,受管溝不平整度及海床土壤約束的影響，管線無法自由變形,應力不斷累積,當應力值超過上覆蓋土體抗力時,管線將發(fā)生豎直方向的彎曲大變形,最終發(fā)生失效而破壞[1，2]。

通?？梢圆扇∫恍┕こ谈郊哟胧┮员苊夂５坠艿腊l(fā)生隆起屈曲，例如加大管道埋設深度，增加管道配重厚度，提高鋪設后的殘余張力及改變管道結(jié)構(gòu)形式等[3，4]，特殊情況下還可以采取降低工藝輸送要求的方式，達到減小管道軸向壓力的目的。而對于高溫高壓長輸埋設海底管道，為抑制其隆起屈曲變形，考慮到工程經(jīng)濟性，一般會選取增大管道埋設深度或增加上覆蓋土厚度等方式。但在工程設計階段，若過于保守地考慮一些基礎參數(shù)，同樣會導致較高的工程施工費用。因此，在開展長輸海底管線的隆起屈曲分析時，應著重考慮環(huán)境因素變化的影響。

該文基于Palmer等學者提出的隆起屈曲分析中經(jīng)典的孤立點支撐模型及半經(jīng)驗解析公式[5]，假設了一些必需的工程分析前提條件，結(jié)合工程實例，分析了管道路由的土壤特性、輸送介質(zhì)溫度變化及海床溝槽位置的幾何初始缺陷等因素對抑制管線發(fā)生隆起屈曲所需的最小上覆蓋土厚度的影響，數(shù)值計算得出的結(jié)果可以用于指導工程實踐。

1 上覆土體抗力

對于要求埋設的海底管線，一般會在鋪設完成后執(zhí)行挖溝作業(yè)。當管線沉入溝槽內(nèi)，管溝周邊的土壤受海床表面波流的共同作用而自然回淤到管線上方，直至完全填滿整個溝槽。若該土壤屬性為粘性土，盡管經(jīng)過了擾動，但仍會對管線產(chǎn)生一定的垂向抗力?；赟chaminee分析模型[6]建立的上覆蓋土體抗力計算公式被工程界普遍應用。

對于砂土

q=γsub·H·D·

對于粘土

q=c·D·

式中:q為垂直向上抗力；H為土壤覆蓋高度；D為管道總外徑；c為土壤的剪切強度；γsub為土壤的浮重；f為修正系數(shù)，當為密致材料時取0.5, 當為疏松材料時取0.1。由于挖溝及回填的影響，土壤會受到擾動，所以粘土的剪切強度會有所減小。

2 埋設管線的有效軸力

海底管線內(nèi)部碳水化合物的溫度遠超過周圍環(huán)境海水的溫度，因此，當其流過管線時，管線材料的兩端會產(chǎn)生較大的熱膨脹位移，如圖1所示，水平段管線(假設為直管)受到內(nèi)外壓力引起的作用力FP，溫度效應引起的作用力FT，軸向摩擦力Ff的共同作用[7]。

圖1 埋設管線軸向受力分析

長輸管線的沿線溫降是由于輸送介質(zhì)與周圍分質(zhì)之間溫差的熱交換引起的,一般呈曲線變化, 其溫降計算的表達式為[8]：

式中：t1為管道入口端溫度；t2為管道出口端溫度；t0為周圍介質(zhì)溫度；L為管線長度；β為溫降指數(shù)。

對于埋設管線，土壤的摩擦阻力可按公式(4)進行計算[9]：

式中：μ為土壤的摩擦系數(shù)；ρ為土壤的密度；g為重力加速度；h為管道埋設深度(海床面至管中心)；D為管道的總外徑；無量綱參數(shù)k0=1-sinφ，φ為土壤的內(nèi)摩擦角。

對于完全約束的管線和部分約束的管線，有效軸力可按式(5)和式(6)計算[10]：

式中：P為管道的有效軸力；N為鋪設后的殘余張力；Δpi為內(nèi)外壓差；E為楊氏摸量；α熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫差；Di為內(nèi)管管徑；p為內(nèi)壓；As為鋼管的截面積；t為鋼管的壁厚；ν為泊松比。

3 隆起屈曲分析

Palmer等學者在20世紀90年代提出了一種半經(jīng)驗分析方法，以評估高溫海底管線的隆起屈曲行為[3]。該方法將海床的初始缺陷簡化成孤立的點支撐模型，并假定該模型為對稱結(jié)構(gòu)，基礎為剛體，管線材料為線彈性。一些研究認為，當從埋設管道的管溝位置處無法獲得準確及可利用的缺陷高度調(diào)查數(shù)據(jù)時，可以通過Palmer經(jīng)驗公式的解析解，快速判斷管線是否發(fā)生隆起屈曲，該方法典型的管線幾何及受力模型如圖2所示。其中：δ為管溝初始缺陷高度；L0為波長；P為有效軸力；w(x)為管道的垂直向下載荷。對于埋設海底管道，受到的載荷包括溫度及壓力效應產(chǎn)生的軸向力、自身重力、初始缺陷引起的垂向位移及上覆蓋土對管道產(chǎn)生向下的抗力。

圖2 獨立支撐模式的管線幾何模型

3.1Palmer半經(jīng)驗解析法

Palmer將管線等效成基本的梁單元，根據(jù)靜態(tài)平衡方程，得出如下的微分方程：

式中：w(x)為單位長度管道所需的向下載荷；E為楊氏摸量；I為慣性矩；x為水平軸；y為垂直軸；P為有效軸力。

通過上述公式的解析解，得到半波長L與缺陷高度δ之間的關(guān)系如式(8)所示:

式中：δ為海床平面幾何缺陷高度；E為楊氏摸量；I為慣性矩；Wsub為管道的水下重置。

該解析法的求解過程引入了兩個無量綱參數(shù)ΦL及ΦW，其中：ΦL為表征缺陷長度；ΦW為表征最大垂向向下載荷，相應的計算公式如式(9)所示：

ΦL=L×

式中：P為管道的設計有效軸力；L為半波長。

根據(jù)萬有設計曲線，ΦW與ΦL之間的關(guān)系如式(10)所示：

因此，根據(jù)式(7)～式(10)，可以求解抑制管道隆起屈曲所需的向下載荷w:

3.2 敏感性分析

許多工程實際表明埋設管線的形狀是彎曲的，具有一定的初始缺陷，這種缺陷主要是由于海床或海底地貌特征的不規(guī)則性造成的。當海底地貌不平整時，如不規(guī)則的巖石、跨越管線，就形成了初始變形。在高溫高壓狀態(tài)下，海床或管溝底面呈現(xiàn)的缺陷高度嚴重影響海底管道的整體屈曲響應。若在設計過程中，缺乏管道路由段海床的水深調(diào)查數(shù)據(jù)或者存在大量不可靠的基礎數(shù)據(jù)時，有必要針對缺陷高度進行敏感性分析。通常，缺陷高度范圍根據(jù)經(jīng)驗值選取，管線路由挖溝深度位置的初始缺陷從0.1 m～0.5 m變化[11]。

4 工程算例

4.1 項目描述

以中國東海某油氣田采用的單層配重管道為例進行隆起屈曲分析。該管道由鋼制內(nèi)管外帶混凝土配重層組成，外防腐涂層為3層PE，厚度為3.1 mm，密度為940 kg/m3；配重厚度為40 mm，密度為2 950 kg/m3；管道總長度為162 km，管道輸送介質(zhì)為油和水，密度為960 kg/m3；內(nèi)腐蝕裕量為3 mm。管道結(jié)構(gòu)相關(guān)設計參數(shù)見表1。

表1 管線設計參數(shù)

管線的設計壓力為8 MPa、入口溫度115℃，出口溫度60℃；安裝溫度為15.4℃，海水密度為1 025 kg/m3。管道路由水深范圍100 m～120 m。該算例列出路由區(qū)域內(nèi)的11個主要鉆孔點，管線路由土壤數(shù)據(jù)見表2，管道的設計埋深為至管頂1.0 m。

表2 管線路由土壤數(shù)據(jù)

4.2 工程分析假設

為了便于數(shù)值程序的編寫及運行，基于管道在運營期間的實際情況，該文的分析計算提出如下前提假設[12]：

(1) 保守考慮，管線鋪設后的殘余張力為0；

(2) 沿著管線方向內(nèi)壓恒定，介質(zhì)溫度呈曲線變化；

(3) 回填覆蓋土的浮重取值為原狀土浮重的75%[13]；

(4) 同一屬性的土壤鉆孔之間的土壤特性呈線性變化；

(5) 為應對可能出現(xiàn)操作期間存在的變化，有效軸向力的大小保守考慮1.5倍系數(shù)；

(6) 假設管線在鋪設期間為空管，回填前充滿水；

(7) 僅考慮不發(fā)生內(nèi)腐蝕的操作工況。

4.3 計算結(jié)果

工程算例僅考慮管道的操作期工況，通過自編計算程序，得出管道的有效軸力分布，如圖3所示。由于海底路由存在砂土和粘土兩種土壤屬性，因此該算例分別考慮了路由全為砂土及全為粘土兩種分析工況，之間求得的覆蓋土厚度的最大值將作為工程參考值。不同缺陷高度下對應的計算結(jié)果見表3，砂土回填高度如圖4所示，粘土回填高度如圖5所示，管道全長回填高度如圖6所示。

圖5 粘性土對應的回填高度 圖6 管道全長對應的回填高度

表3結(jié)果表明，管線全長在0.5 m缺陷高度下所需最大回填厚度為0.503 m，小于設計埋設深度1.0 m，因此認為該管線在操作期間不會發(fā)生隆起屈曲。

5 結(jié)論

該文介紹了Palmer等學者提出的埋設海底管道隆起屈曲分析中經(jīng)典的孤立點支撐模型及常用的半經(jīng)驗解析公式，結(jié)合工程實例對長輸海底管道的隆起屈曲問題展開了研究，文中還著重研究了不同土壤屬性和海床初始幾何缺陷對上覆蓋土抗力的影響，結(jié)果表明：

(1) 對于長輸管道，考慮其全程的溫降，不僅能夠反映管道的真實受力情況，而且為判斷隆起屈曲的發(fā)生提供更為優(yōu)化的設計依據(jù)。

(2) 不同土壤屬性范圍內(nèi)的管段所要求的最小埋設深度存在明顯差異。相對砂土而言，擾動后的粘土剪切強度有所下降，豎向抗壓也相應減弱，則所需的最小覆蓋厚度要大。

(3) 在單一模型下，有效軸力及海床的不平整度成為觸動管道發(fā)生隆起屈曲的主要因素。在工程實際操作中，可以通過采取一些措施，如保留鋪設后的殘余張力、在管道兩端設置合適的膨脹彎或在路由局部位置選擇性拋石保護，以防止管道在未來運營期間發(fā)生隆起屈曲。

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Upheaval Buckling Analysis of Long Offshore Multiphase Pipeline

YU Zhi-bing, SUN Guo-min, WANG Hui, GAO Song

(Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300452，China)

Based on the semi-analytical formulation proposed by Palmer et al, the sensitivity of analysis results influenced by geometry imperfection, temperature decreasing and soil parameter were investigated. Combined with the assumption required in the practical project, an example will be analysed by in-house program, which can direct the engineering application.

long offshore pipeline; high temperature and pressure; initial geometry imperfection; upheaval buckling

2013-11-22

工信部高技術(shù)船舶科研項目“3 000米水深大型起重鋪管船自主研發(fā)”資助。

余志兵(1979-)，男，工程師。

1001-4500(2015)02-0064-06

P

A