深水管道安裝期的沉降分析方法

黃會(huì)娣， 程寒生， 趙 娜

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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深水管道安裝期的沉降分析方法

黃會(huì)娣， 程寒生， 趙 娜

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

深水海底管道安裝時(shí)管道沉降直接影響其豎向、軸向和側(cè)向力，管道沉降的分析方法是深水海底管道設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。介紹了深水管道安裝時(shí)沉降的作用原理，采用引入載荷放大系數(shù)和敏感系數(shù)的方法來分析管土的相互作用，重點(diǎn)研究了深水海底管道安裝時(shí)的沉降計(jì)算方法，該方法被應(yīng)用于西非某實(shí)際深水項(xiàng)目海底管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。結(jié)合國(guó)外深水海底管道設(shè)計(jì)研究安裝時(shí)管道的沉降，可以為我國(guó)南海類似深水項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

深水； 管道安裝； 沉降； 放大系數(shù)

0 引言

深水海底管道一般不埋設(shè)，海底管道沉降量與管道所受的海洋環(huán)境載荷以及海床土體所能提供側(cè)向阻力的大小相關(guān)，并將最終影響管道在位穩(wěn)定性。海底管道的布置、設(shè)計(jì)、側(cè)向屈曲、安裝方法及船舶的選擇，甚至影響整個(gè)項(xiàng)目的投資成本[1]。波浪和海流引起的環(huán)境流體動(dòng)力載荷會(huì)導(dǎo)致管道的附加沉降，在管道產(chǎn)生微量側(cè)向位移的同時(shí)，管道下方的土體會(huì)發(fā)生側(cè)向隆起[2]。如何合理地分析和預(yù)測(cè)海底管道的沉降特性是海底管道安裝、設(shè)計(jì)和施工所面臨的關(guān)鍵問題之一。在西非深水油氣開發(fā)中，國(guó)外大的石油公司采用引入載荷放大系數(shù)和敏感系數(shù)的方法來分析管道沉降。結(jié)合實(shí)際國(guó)外深水海底管道的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)討論深水海底管道安裝時(shí)的沉降分析，為安裝方法、安裝能力、側(cè)向穩(wěn)定性和側(cè)向屈曲的評(píng)估提供依據(jù)，以期為國(guó)內(nèi)南海深水海底管道的安裝設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 沉降理論概述

圖1 主要參數(shù)

管道沉降直接影響其軸向和側(cè)向力，在管土作用分析中至關(guān)重要。通常根據(jù)土力學(xué)的基本原理和已有文獻(xiàn)記載的軸向、側(cè)向和豎向力的計(jì)算方法分析管土的相互作用。影響管道沉降的主要因素包括安裝時(shí)的管道自重、動(dòng)態(tài)效應(yīng)和集中載荷。動(dòng)態(tài)效應(yīng)引起的管道水平和豎向運(yùn)動(dòng)會(huì)增加沉降， 在著泥點(diǎn)處的集中載荷也會(huì)增加管道沉降，且動(dòng)態(tài)效應(yīng)和集中載荷引起的管道沉降比自重引起的沉降要大[3]。管道周期性水平運(yùn)動(dòng)，對(duì)于有限的循環(huán)次數(shù)(10次以內(nèi))，也可能產(chǎn)生管徑深度20%～30%的額外沉降。在安裝時(shí)空管或者充水狀態(tài)下，國(guó)外學(xué)者通常用承載力計(jì)算公式分析管道沉降。該文介紹的方法都假定土壤處于未排水的狀態(tài)，分析管土相互作用的主要參數(shù)如圖1所示[4]。

圖1中： D為鋼管外徑；z為管道沉降深度，泥面到管底的高度；b為與土壤接觸的管道寬度；θ為管道沉降的角度。

2 沉降的計(jì)算方法

由于部分土壤擾動(dòng)，考慮空管靜重的放大系數(shù)，分析安裝期管道的沉降。另外，考慮淺層地質(zhì)巖土參數(shù)的不確定性和管道安裝的影響，管道沉降需按照最大、最小土壤強(qiáng)度分析。安裝期管道在自重條件下，考慮放大系數(shù)，用最大、最小擾動(dòng)剪切強(qiáng)度計(jì)算承載力，如式1所示[5]。

(1)

(2)

由于著泥點(diǎn)處載荷集中，必須將放大系數(shù)應(yīng)用于管道水下重量。因此，需要選擇一個(gè)合適的放大系數(shù)進(jìn)行著泥點(diǎn)處的分析，可以采用式3來計(jì)算管道在著泥點(diǎn)處的放大系數(shù)[3,6]。

(3)

式中：Klay為放大系數(shù)； W′為安裝時(shí)管道的水下重量；EI為管道的彎曲剛度；k為海床垂直剛度；T0為管道的殘余鋪設(shè)張力。

由式3可以看出：安裝時(shí)在著泥點(diǎn)處，放大系數(shù)的變化與管道、土壤的剛度有關(guān)，而與管道的重量無關(guān)。放大系數(shù)隨著管道彎曲剛度和土壤剛度的增加而增加，隨著鋪設(shè)張力的增加而減少，隨管道水下重與管道外徑比值的增加而減少。 在設(shè)計(jì)階段，很難估算出管道的殘余鋪設(shè)張力。因此用管重W′，管道半徑和彎曲應(yīng)變(取0.2%)的函數(shù)代替。圖2中的曲線給出了放大系數(shù)與歸一化參數(shù)EIK/(W′R)2的關(guān)系。

圖2 管道土壤剛度與放大系數(shù)的關(guān)系

在充滿水(水壓試驗(yàn))情況下，僅考慮靜態(tài)情況，算出管道重量最大時(shí)的沉降，如果管道的沉降值比自重和集中載荷引起的沉降值之和大，在以后的操作工況分析時(shí)，考慮這一情況。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

某西非項(xiàng)目設(shè)計(jì)水深1 750 m，滿足工藝流動(dòng)保障要求，設(shè)計(jì)選取12″(0.30 m)生產(chǎn)管道，外徑OD×壁厚WT為355.6 mm×20.7 mm，防腐保溫層厚100 mm，空管水下單重655.6 kN/m，充水管水下單重1 373.9 kN/m。為了計(jì)算評(píng)估管道安裝時(shí)的穩(wěn)定性，為選取鋪管設(shè)備提供依據(jù)，必須計(jì)算管道安裝時(shí)的沉降量和承載力。分析時(shí)，土壤參數(shù)見表1。

表1 土壤剪切強(qiáng)度Su

采用最大、最小土壤強(qiáng)度方法分析管道的沉降量，得到的結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)土壤強(qiáng)度上限值、平均值、下限值分析，得到相應(yīng)沉降量的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)沉降量小于0.1倍管道外徑時(shí)，其隨著土壤剪切強(qiáng)度的增加而增加；當(dāng)沉降大于0.1倍的管道外徑而小于0.25倍的管道外徑時(shí)，其隨著土壤剪切強(qiáng)度的增加而減少；當(dāng)沉降到大于0.25倍的管道外徑時(shí)，其隨著土壤剪切強(qiáng)度的增加而增加，但較第一個(gè)階段的變化幅度減小。

安裝期管道在自重條件下考慮放大系數(shù)，采用最大、最小擾動(dòng)剪切強(qiáng)度計(jì)算承載力(見表2)，得到相應(yīng)承載力的變化趨勢(shì)一致，均隨著沉降量的增加而增加，但增加幅度減少。保守考慮，應(yīng)將沉降量下限值應(yīng)用到其他相關(guān)分析計(jì)算中。

圖3 土壤剪切強(qiáng)度與沉降量的關(guān)系

表2 承載力和沉降量

4 結(jié)論

絕對(duì)側(cè)向穩(wěn)定性分析保證了管道對(duì)于運(yùn)動(dòng)的抵抗力，在海況下可以承受最大的流體荷載，受極限單一波流所誘導(dǎo)的周期振動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移。但是，在橫向位移的要求下，需增加管道重量。另外，考慮土壤、安裝等不確定因素，管道沉降量對(duì)管道的穩(wěn)定性分析起著至關(guān)重要的作用，采用沉降量上、下限值方法來分析水平阻力，合理給出管道重量增加的依據(jù)，可為深水海底管道穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

深水情況下，隨著設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力的不斷增加，海底管道的有效軸向力也不斷增大。側(cè)向屈曲變形會(huì)對(duì)海底管道的完整性造成嚴(yán)重后果，包括局部屈曲、疲勞破壞和棘輪效應(yīng)等。但是，隨著設(shè)計(jì)水深的不斷增加，一般淺水工況下所采用的挖溝、埋設(shè)、拋石或設(shè)置膨脹彎等抑制側(cè)向屈曲的措施變得不再現(xiàn)實(shí)，而且存在土壤和其他參數(shù)的不確定性，因此采用沉降量上、下限值方法對(duì)管道側(cè)向屈曲分析有較大的幫助，為有效控制側(cè)向屈曲的發(fā)生和發(fā)展提供一定的依據(jù)。

考慮淺層地質(zhì)巖土參數(shù)的不確定性和管道安裝等因素的影響，該文采用最大、最小土壤剪切強(qiáng)度和放大系數(shù)法來進(jìn)行管道的承載力和沉降分析，為安裝期安裝方法的選擇、安裝穩(wěn)定性分析和安裝能力評(píng)估提供一定依據(jù)，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)和施工的風(fēng)險(xiǎn)及成本。這種方法被應(yīng)用于西非實(shí)際深水項(xiàng)目的海底管道設(shè)計(jì)中，取得了良好的應(yīng)用效果，可以為我國(guó)南海的深水海底管道的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 任艷蓉，劉玉標(biāo).海底管土相互作用研究概述[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2006，21(3):18-22.

[2] 王聯(lián)偉，張雷，董紹華.管土接觸作用下管道沉陷復(fù)雜應(yīng)力分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32(11):1179-1182.

[3] API-RP-2A.Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms[S].2007.

[4] Bruton D, White D, Langford T L，et al. Techniques for the assessment of pipe-soil interaction forces for future deepwater developments[C].OTC paper, Houston,2009.

[5] Dendani H, Jaeck C. Pipe-Soil Interaction in Highly Plastic Clays, Proc[C].SUT Conference on Offshore Site Investigation and Geotechnics, OSIG, London,2007.

[6] DNV-RP-F105.Free Spanning Pipelines[S]. 2002.

Analysis Method for Deepwater Pipeline Penetration during Installation Phase

HUANG Hui-di, CHENG Han-sheng, ZHAO Na

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

During the installation phase of the deepwater pipeline, the pipeline penetration has a direct impact on its vertical force, lateral force and axial force. The analysis method of the pipeline penetration is an important part of the deepwater pipeline design. The principle of the penetration during the deepwater pipeline installation is outlined. The method of introducing the amplification factor and the sensitive factor is utilized to analyze the soil-pipeline interaction. The emphasis is put on the penetration calculation method during the deepwater pipeline installation. The method has been applied to the actual deepwater project in the west of Africa for the pipeline system design. The pipeline penetration study during installation phase based on the deepwater pipeline design of foreign country could provide design guidance for the design of similar deepwater project located in South China Sea.

deepwater; pipeline installation; penetration; amplification factor

2015-11-26

黃會(huì)娣(1980-)，女，工程師。

1001-4500(2016)05-0063-04

P75

A