渤海地區(qū)高溫埋設(shè)海底管道豎向屈曲數(shù)值模擬分析*

梁 鵬，李少芳，朱夢(mèng)影，郭奕杉，龐洪林

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

埋設(shè)海底管道在高溫、高壓、初始缺陷、土壤作用力等條件共同作用下，會(huì)由于熱膨脹產(chǎn)生軸向作用力，使管道產(chǎn)生豎向屈曲，也稱作“隆起屈曲”[1-2]。研究表明[3]，豎向隆起破壞是埋地管道的主要破壞形式。渤海地區(qū)水深大部分都在30 m以下，屬于淺水段，水深隨海床地形的變化較深水段更為明顯，且人類活動(dòng)較為頻繁，誘發(fā)海底管道豎向屈曲的因素更多，因此豎向屈曲的研究對(duì)于埋設(shè)海底管道的安全運(yùn)營(yíng)有較大意義，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。劉潤(rùn)、夏秋玲等[4-8]針對(duì)高溫埋設(shè)管線的隆起屈曲開展過(guò)相關(guān)研究。本文針對(duì)渤海地區(qū)高溫埋設(shè)油氣管道發(fā)生豎向屈曲的問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，以某海底管道為研究對(duì)象，應(yīng)用工程軟件及有限元軟件分別進(jìn)行豎向屈曲分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并討論了兩種方法的區(qū)別。

1 海底管道豎向屈曲影響分析

DNV-RP-F110規(guī)范[1]指出外力和初始幾何缺陷是觸發(fā)管道熱屈曲的兩個(gè)基本原因，圖1為海底埋設(shè)管道豎向隆起屈曲的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 海底埋設(shè)管道豎向隆起屈曲示意圖

1.1 外力影響

海底管道在高溫高壓的作用下，由于熱膨脹的作用力使管線處于受壓狀態(tài)，存在發(fā)生豎向屈曲的風(fēng)險(xiǎn)。埋設(shè)的海底管道在水平方向上受到的土壤約束力較大，就不會(huì)發(fā)生水平側(cè)向移動(dòng)，但在垂直方向上會(huì)有總體屈曲的風(fēng)險(xiǎn)。

此外海底管道的豎向屈曲還受到安裝作業(yè)的力學(xué)影響。通常海底管道采用拖拉法或者鋪管船法進(jìn)行安裝，兩種方法都會(huì)使海管受到張緊器和管道自重的影響處于受拉的狀態(tài)，當(dāng)其鋪設(shè)在海床上時(shí)，因受到土壤阻力的作用，管道內(nèi)部存在殘余張力。此外海床的平整度和管道路由布置的彎曲情況都會(huì)造成殘余張力的存在。

1.2 初始缺陷的影響

工程實(shí)踐表明掩埋管道的實(shí)際形狀是彎曲的，具有初始缺陷的。初始缺陷使得管道具有初始變形，因此，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，管道比較容易發(fā)生垂向屈曲。管道上覆土體對(duì)管道具有約束作用，土體性質(zhì)不同，受力也不同，粘性土體使用公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：γ′為土體容重，N/mm3；D為管道的直徑，mm；H為管道的埋置深度，mm；cu為土體的不排水剪切強(qiáng)度，kPa。

2 埋地管道豎向屈曲的校核準(zhǔn)則

DNV RP F110操作規(guī)程中提供了裸置于平坦海床上、裸置于不平坦海床上和埋地管道三種設(shè)計(jì)方案的程序和標(biāo)準(zhǔn)。

埋地管道的總體屈曲行為與管土相互作用模型密切相關(guān)，然而管土相互作用的不確定性通常很難量化，需要通過(guò)大量的工程判斷來(lái)確定。通常，埋地管道豎向屈曲涉及的管土相互作用分量為土壤抬升抗力、土壤向下及軸向抗力。

埋地管道的土壤抬升抗力包含兩部分，一部分源于管道上部的覆土層重力，另一部分源于土壤摩擦力。對(duì)埋地管道進(jìn)行覆土回填，沉降開始時(shí)土壤向下剛度受管道沉降抗力的控制，管道沉降抗力隨接觸面積增加而增加。當(dāng)管道埋入約一半時(shí)，土壤承載能力的增加不明顯，土壤向下剛度隨沉降深度增加而增加。管道發(fā)生任何屈曲模式時(shí)都會(huì)引起軸向的管土作用，它影響著管道的后屈曲形態(tài)。軸向管土作用對(duì)于管道載荷的建立十分重要，尤其是在屈曲發(fā)生后管道端部受力計(jì)算中。

管線采用挖溝自然回填埋設(shè)，操作工況下的管線上方會(huì)有1.5 m的蓋土，因此需要校核海管垂向下沉和上浮的穩(wěn)定性。

下沉校核中，假設(shè)海管內(nèi)部充滿海水；上浮校核中，假設(shè)海管內(nèi)部介質(zhì)為空氣。

DNV中規(guī)定，當(dāng)埋設(shè)管道由溫度產(chǎn)生的膨脹力大于管道土壤抬升抗力時(shí)，管道發(fā)生屈曲。在本文的研究中，管道受到土壤摩擦力及重力的作用，當(dāng)其產(chǎn)生向上的位移時(shí)，管道即發(fā)生屈曲，此時(shí)的溫度即臨界屈曲溫度。

3 海底管道豎向屈曲數(shù)值模擬

3.1 管道基本參數(shù)

選取渤海某油田高溫油氣管道作為算例，該管線為雙層保溫管，內(nèi)管尺寸為168.3 mm×14.3 mm，外管尺寸為273.1 mm×14.3 mm，內(nèi)管設(shè)計(jì)溫度為96 ℃，設(shè)計(jì)壓力為9.5 MPa，外管設(shè)計(jì)溫度為33 ℃，設(shè)計(jì)壓力為0 MPa，輸送介質(zhì)密度為900 kg/m3，安裝溫度為10.2 ℃。

3.2 基于工程軟件的計(jì)算

在工程設(shè)計(jì)中，管道豎向屈曲通常應(yīng)用JPKPipecalc軟件進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)管道、土壤及管道不直度等工程參數(shù)的計(jì)算，對(duì)海底管道豎向屈曲進(jìn)行工程分析。但對(duì)于雙層保溫管道，該軟件應(yīng)用等效計(jì)算的方法，通過(guò)等效單管數(shù)據(jù)對(duì)雙層管道進(jìn)行計(jì)算。

由于算例為雙層海底管道，故根據(jù)等效原理計(jì)算得出單層管數(shù)據(jù)如表1所示。等效的原理為剛度等效，等效單層管的外徑與雙層管外管外徑相等，壁厚根據(jù)剛度等效原則計(jì)算得出，即雙層鋼管內(nèi)外鋼管的的抗彎剛度之和與等效單層管的抗彎剛度相等。與此同時(shí)鋼材密度和介質(zhì)的密度也進(jìn)行了等效。

表1 雙層管道等效數(shù)據(jù)Table 1 Equivalent data for double layer pipelines

根據(jù)管道的相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用JPKPipecalc軟件對(duì)該管線進(jìn)行豎向屈曲計(jì)算，該油田雙層海底管線在1.5 m覆土層高度的條件下，考慮3 mm腐蝕裕量，當(dāng)管道初始不直度為0.3 m時(shí)，臨界豎向屈曲溫度為95.6 ℃，反算計(jì)算得出該雙層保溫管的臨界溫度為143.93 ℃，即在96 ℃的設(shè)計(jì)溫度下，該管道不會(huì)發(fā)生豎向屈曲。

3.3 基于有限元軟件的計(jì)算

在本文的有限元模型中，采用的缺陷類型為管道與海床接觸的均勻缺陷，一段200 m的直管道鋪設(shè)在有初始缺陷的剛性海床上，并形成和剛性海床一樣的形狀。其中管道用管單元模擬，模型中的管道劃分為200個(gè)PIPE21單元，內(nèi)外管相互作用中用管中管單元模擬(本文采用ITT21)；海床固定，且用離散剛性單元模擬，模型中的海床被劃分為200個(gè)R2D2單元。海床和管道作用使用管土作用單元PSI24。溫度載荷是具有初始缺陷的雙層管道豎向屈曲的最大原因。本文中對(duì)溫度載荷作如下分析：管道鋪設(shè)在海床上，定義管道和海床之間有摩擦的相互接觸，管道兩端軸向固定，內(nèi)管受溫度載荷作用，計(jì)算其應(yīng)力狀態(tài)。

表2 不同計(jì)算模型臨界屈服溫度計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of critical yield temperature for different calculation models

圖2 內(nèi)管屈曲前后應(yīng)力分布對(duì)比圖Fig.2 Comparison of stress distribution before and after buckling of the inner pipe

有限元分析模型計(jì)算分為兩個(gè)分析步，第一步在內(nèi)外管道上施加均布的自重和覆土載荷，第二步通過(guò)定義溫度場(chǎng)變量來(lái)逐步增加內(nèi)管的溫度載荷。在分析過(guò)程中逐漸升高管道內(nèi)的溫度，當(dāng)管道垂向移動(dòng)發(fā)生跳躍式增長(zhǎng)(即發(fā)生了豎向屈曲)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的溫度即為管道豎向屈曲臨界溫度載荷，相對(duì)應(yīng)的軸向力即為臨界軸力。雙層海底管道內(nèi)管屈曲前后應(yīng)力分布對(duì)比圖如圖2所示。

利用3.2節(jié)參數(shù)分別建立雙層管和單層管兩個(gè)計(jì)算模型，分析管道在0.3 m初始缺陷條件下臨界豎向屈服溫度，如表2所示。

由表2所示，由于JPKPipecalc只能對(duì)單層管進(jìn)行分析，對(duì)比JPKPipecalc與ABAQUS等效單層管模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果非常接近，證明了ABAQUS建立模型的準(zhǔn)確性。而對(duì)比ABAQUS雙層管模型與JPKPipecalc和ABAQUS等效單層管模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雙層管模型臨界溫度較低，說(shuō)明ABAQUS雙層管模型計(jì)算結(jié)果更為保守。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)渤海地區(qū)高溫埋設(shè)油氣管道發(fā)生豎向屈曲的問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，以某海底管道為研究對(duì)象，應(yīng)用工程軟件及有限元軟件分別進(jìn)行豎向屈曲分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并討論了兩種方法的區(qū)別，得到以下結(jié)論：(1)應(yīng)用工程軟件對(duì)雙層保溫海底管線計(jì)算的結(jié)果表明，即在該管道的實(shí)際設(shè)計(jì)溫度下，不會(huì)發(fā)生豎向屈曲。(2)應(yīng)用有限元分析的方法模擬了雙層保溫海底管道和等效單層海底管道在溫度載荷下內(nèi)、外管各自的屈曲過(guò)程。對(duì)比工程軟件與有限元等效單層管模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果非常接近。而對(duì)比有限元雙層管模型與等效單層管模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雙層管模型臨界溫度較低，說(shuō)明有限元雙層管模型計(jì)算結(jié)果更為保守。