王博雅，康 莊，宋儒鑫，曹先凡，劉振紋

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院深海工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451)

大坡度海底管道強(qiáng)度分析

王博雅1，康 莊1，宋儒鑫1，曹先凡2，劉振紋2

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院深海工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451)

大坡度海底管道是油氣開(kāi)發(fā)經(jīng)常使用的類(lèi)型。針對(duì)中國(guó)南海海底地形，研究大坡度海底管道的強(qiáng)度，提出工程優(yōu)化方法。通過(guò)分析管道結(jié)構(gòu)的受力控制方程，得到管道受力分析的主要影響參數(shù)。使用非線性時(shí)域軟件分析得到斜坡頂端和底端的管道易發(fā)生強(qiáng)度破壞。提出工程優(yōu)化方案，頂端使用托管架和挖溝措施進(jìn)行優(yōu)化，底端使用懸鏈線理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，應(yīng)用優(yōu)化措施后，大坡度海底管道強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

海底管道；大坡度；強(qiáng)度分析；工程優(yōu)化方法

0 引 言

海底管道是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的生命線，對(duì)海底石油和天然氣的生產(chǎn)和外輸起著關(guān)鍵性的作用[1]。大坡度海底管道是鋪設(shè)在有較大斜坡角存在的海底斜坡上的管道。目前已有的海底管道在位穩(wěn)定性設(shè)計(jì)規(guī)范(如挪威船級(jí)社DNV-RP-F109)考慮的都是平坦海底的情況。但是由于斜坡角的存在，斜坡的地質(zhì)不穩(wěn)定性均使得大斜坡上鋪設(shè)的海底管道更容易發(fā)生屈曲、壓潰、失穩(wěn)等現(xiàn)象，較之鋪設(shè)在平坦海底的管道在強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面存在著更為復(fù)雜的問(wèn)題[2]。

有限元軟件如ANSYS可以對(duì)大坡度海底管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但其計(jì)算動(dòng)態(tài)性能差，效率低。本文對(duì)實(shí)際海洋工況中的大坡度海底管道采用非線性動(dòng)力分析軟件OrcaFlex進(jìn)行分析，考慮流-管相互作用對(duì)大斜坡管道強(qiáng)度的影響，評(píng)估計(jì)算大斜坡的地質(zhì)不穩(wěn)定性對(duì)管道強(qiáng)度和在位穩(wěn)定性的影響[3]，通過(guò)校核管道強(qiáng)度來(lái)調(diào)整管道參數(shù)的設(shè)計(jì)，為選擇最安全、經(jīng)濟(jì)的工程施工方案提供參考[4]。

1 管道力學(xué)分析

選取大地坐標(biāo)系，海平面為z軸參考零點(diǎn)，基于小變形梁控制方程，得出管道受力方程。其中，水平運(yùn)動(dòng)控制方程為[5]

(1)

式中：EI為管道抗彎剛度；Teff為管道軸向張力；fr為單位長(zhǎng)度管道重量；fzs為作用于單位長(zhǎng)度管道的垂向載荷；mr+mc+ma-r+ma-c為單位長(zhǎng)度管道質(zhì)量、液體質(zhì)量、管道和內(nèi)液附加質(zhì)量的總和；fxs來(lái)自波浪流載荷的莫里森方程[6]，

垂向運(yùn)動(dòng)控制方程為[5]

(2)

式中：V為管道所受剪力[5]，

(3)

管道計(jì)算時(shí)采用的非線性軟件基于集中質(zhì)量法，在分析過(guò)程中，其求解精度隨管道參數(shù)接近運(yùn)動(dòng)控制方程式(1)和式(2)中參數(shù)的程度而增加[7]。

2 強(qiáng)度計(jì)算及結(jié)果分析

大坡度管道的總體強(qiáng)度分析主要內(nèi)容包括：確保管道的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，所有工況(包括運(yùn)營(yíng)工況、水壓測(cè)試)滿足載荷的強(qiáng)度要求。

2.1規(guī)范要求

由于建立模型所設(shè)定的管道所用材料為X65鋼，根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)規(guī)范，在作業(yè)條件下的許用應(yīng)力系數(shù)是0.8，則在整個(gè)模型的受力模擬分析過(guò)程中，管線可承受的應(yīng)力最大值為358.54MPa。

2.2參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)海底管線總長(zhǎng)9.36km，管道結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：材料為X65鋼，密度為7850kg/m3，彈性楊氏模量為207GPa，泊松比為0.30，線性膨脹系數(shù)為11.6×10-6K-1，導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m·K)，最小屈服強(qiáng)度為450MPa，最小拉伸強(qiáng)度為535MPa。根據(jù)不同水深，設(shè)計(jì)海底管道分為四部分，具體參數(shù)如表1所示。其外涂層為三層聚丙烯防腐涂層。

計(jì)算水深范圍為12～1000m，海底坡度均勻變化，最大坡度25°。海流特殊系數(shù)γ為1.9，海水密度為1.025×103kg/m3，海水溫度10℃。計(jì)算表2所示兩種工況下的管線強(qiáng)度。由于水深較大，因此不考慮表面波浪對(duì)管道的影響，只考慮海底海流對(duì)海底管道的影響。海底流速隨水深的變化而變化，具體值如表3所示。海床及管線鋪設(shè)位置如圖1所示。

圖1 大坡度海床及管線鋪設(shè)位置Fig.1 Large slope seabed and pipeline

管段海水深度/m管道長(zhǎng)度/m管道直徑/英寸管道壁厚/mm11220001822．2212～3006861822．23300～5005731823．84500～8006101825．45800～10004911827．06>100050001827．0

注：1英寸=2.54 cm。

表2 大坡度海底管道兩種計(jì)算工況

表3 不同水深的海底流速

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)管道基本數(shù)據(jù)，使用OrcaFlex軟件建立大坡度海底管道模型。由于管道距海平面較遠(yuǎn)，不考慮風(fēng)浪影響，只考慮海流影響。海底海流速度穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化而變化。在用OrcaFlex動(dòng)態(tài)分析管道受力時(shí)，設(shè)置100 s為動(dòng)態(tài)分析總時(shí)長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，用以模擬海流的動(dòng)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，此動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)管道強(qiáng)度會(huì)有一定影響。具體計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3和表4所示，其中，管長(zhǎng)為0表示管線頂端。

圖2 最大等效應(yīng)力曲線Fig.2 Maximum equivalent stress

圖3 最大彎曲應(yīng)力曲線Fig.3 Maximum bending stress

應(yīng)力數(shù)值/MPa出現(xiàn)位置/m最大等效應(yīng)力631．172002．3773．834324．1最大彎曲應(yīng)力626．32002．3752．54324．1

由表4可知，等效應(yīng)力最大值為773.83 MPa，大于358.54 MPa，不符合規(guī)范要求。管線長(zhǎng)度2 002.3 m和4 324.1 m分別位于斜坡頂端和底端。兩處由于坡角存在，曲率較大，導(dǎo)致最大彎曲應(yīng)力和最大等效應(yīng)力不符合規(guī)范要求。

為使管道強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)分別對(duì)斜坡頂端和底端采取相應(yīng)的工程優(yōu)化措施。

3 斜坡頂端優(yōu)化措施

針對(duì)斜坡頂端，為有效減小斜坡頂端曲率，可采用建立托管架和挖溝兩種形式進(jìn)行優(yōu)化。

3.1托管架

托管架可以避免海底管道與海崖不平處的直接接觸，有效減小斜坡頂端曲率[8]，同時(shí)也可以達(dá)到防止大坡度海底管道受到破壞的目的。

托管架本身的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等需要另行設(shè)計(jì)分析，不屬于本文研究?jī)?nèi)容。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是托管架的尺寸不能太大，否則安裝難度及費(fèi)用會(huì)變得很大[9]。托管架的支撐靠托輥實(shí)現(xiàn)，屬于離散接觸支撐，管線有可能脫離托管架，同時(shí)在支撐處會(huì)導(dǎo)致局部彎矩的出現(xiàn)；另外，由于管線自重很大，托管架結(jié)構(gòu)可能因管線的接觸壓力導(dǎo)致自身破壞。因此，在托管架設(shè)計(jì)中，應(yīng)加入以下兩個(gè)因素：托管架的長(zhǎng)度以及托管架自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)選擇[10]。

設(shè)計(jì)托管架結(jié)構(gòu)選擇分段桁架式。各段之間通過(guò)鉸接連接，通過(guò)調(diào)整各段之間的相對(duì)角度可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的半徑變化。

使用OrcaFlex設(shè)置托管架。本文中托管架設(shè)計(jì)成三個(gè)部分，托管架一端與斜坡頂部相切，另一端切線延長(zhǎng)線與斜坡平行，保證管線在托管架與海床之間平穩(wěn)過(guò)渡。在OrcaFlex中，通過(guò)斜坡角度及托管架位置計(jì)算托管架的長(zhǎng)度及曲率。通過(guò)計(jì)算得到，托管架總長(zhǎng)度為3.27m，寬6m，高8m，曲率約為0.0036m-1。托管架具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。托管架效果如圖4所示。

表5 托管架設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 托管架示意圖Fig.4 Stinger design sketch

進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，設(shè)置托管架剛度為800 MPa，管線會(huì)自動(dòng)鋪設(shè)在托管架上。由于水深較深，托管架鋪設(shè)難度較大，而且托管架的尺寸較大不利于工程鋪設(shè)，所以工程上建議采用挖溝形式減小斜坡曲率。

3.2 挖溝

挖溝是廣泛應(yīng)用于海底管道的方法，然而土壤越硬挖溝難度越大，在巖石或常有巖石露出的地區(qū)進(jìn)行開(kāi)溝的難度特別大[11-12]。軟件模擬結(jié)果顯示，挖溝后管道可免受部分水動(dòng)力載荷的影響，管道穩(wěn)性得到增強(qiáng)。

進(jìn)行挖溝措施后，頂部圓弧的一端與12 m水深的海床相切，另一端與坡度為25°的海床相切，整個(gè)頂部圓弧曲率約為0.001 7 m-1，保證管道在斜坡頂端的平穩(wěn)過(guò)渡。挖溝效果如圖5所示。

4 斜坡底端優(yōu)化措施

針對(duì)斜坡底端，通過(guò)懸鏈線理論計(jì)算出斜坡底部管線懸鏈線長(zhǎng)度和曲率，據(jù)此設(shè)計(jì)海底管道在斜坡底端的布置形式，并根據(jù)懸鏈線距海底最大垂直距離選擇機(jī)械支撐或填沙袋的工程措施[13-14]。

自然懸鏈線的形態(tài)可以表示為

(4)

式中：x為從觸地點(diǎn)到計(jì)算點(diǎn)的水平距離；z為計(jì)算點(diǎn)到海底的高度；Th為海床上管子內(nèi)部的水平力；ws為單位管長(zhǎng)的水中重量。

曲率為

(5)

式中：θ為計(jì)算點(diǎn)與x軸的水平夾角；s為弧長(zhǎng)。

管道懸跨部分的弧長(zhǎng)可以通過(guò)下式計(jì)算得到：

(6)

根據(jù)懸鏈線理論進(jìn)行計(jì)算，得到斜坡底端懸鏈線懸跨長(zhǎng)度約400m，曲率約為0.005m-1，弧長(zhǎng)距海底最大垂直距離8m。根據(jù)懸鏈線理論優(yōu)化后的管線形態(tài)如圖6所示。

圖5 挖溝效果圖Fig.5 Trenching design sketch

圖6 斜坡末端懸鏈線示意圖Fig.6 Catenary optimization design for the end of the slope

從懸跨管道運(yùn)行的可靠性角度分析，管道懸跨段高度超過(guò)3m時(shí)應(yīng)使用機(jī)械支撐法保證強(qiáng)度要求[15]。在本文中，由于最大垂直距離為8m，大于3m，所以在整個(gè)管線懸鏈線與海床之間建議使用機(jī)械支撐加以支持固定，防止管線出現(xiàn)變形等現(xiàn)象。

5 工程優(yōu)化后強(qiáng)度分析

對(duì)斜坡頂端和斜坡底端進(jìn)行工程措施優(yōu)化后，在運(yùn)營(yíng)工況和水壓測(cè)試兩種工況下再次對(duì)大坡度海底管道進(jìn)行強(qiáng)度模擬計(jì)算。在每個(gè)工況下得到不同工程措施組合(頂部托管架+底部懸鏈線、頂部挖溝+底部懸鏈線)的應(yīng)力結(jié)果，進(jìn)行校核。

5.1運(yùn)營(yíng)工況分析

運(yùn)營(yíng)工況下，計(jì)算結(jié)果如圖7和表6所示。

圖7 運(yùn)營(yíng)工況最大等效應(yīng)力曲線Fig.7 Maximum equivalent stress under operating condition

應(yīng)力頂部托管架+底部懸鏈線優(yōu)化頂部挖溝+底部懸鏈線優(yōu)化取值出現(xiàn)位置/m取值出現(xiàn)位置/m最大等效應(yīng)力338．5MPa0324．9MPa0最大彎曲應(yīng)力59．48MPa203049．93MPa1840有效張力43997kN042470kN0

由圖7可見(jiàn)，最大等效應(yīng)力最大值小于358.54 MPa，符合規(guī)范要求。由表6可知，最大等效應(yīng)力最大值和有效張力最大值出現(xiàn)在管道的最頂端。管道頂端承受著管線自身的重量，導(dǎo)致管線有效張力在管線頂端達(dá)到最大，并使得最大等效應(yīng)力在管線頂端數(shù)值最大。

5.2 水壓測(cè)試工況分析

水壓測(cè)試時(shí)，對(duì)管內(nèi)進(jìn)行沖水加壓。模擬計(jì)算結(jié)果如圖8和表7所示。

圖8 水壓測(cè)試最大等效應(yīng)力曲線圖Fig.8 Maximum equivalent stress under water pressure condition

應(yīng)力頂部托管架+底部懸鏈線優(yōu)化頂部挖溝+底部懸鏈線優(yōu)化取值出現(xiàn)位置/m取值出現(xiàn)位置/m最大等效應(yīng)力344．5MPa0331．4MPa0最大彎曲應(yīng)力59．48MPa203049．93MPa1840有效張力44249kN043326kN0

比較表6和表7所示結(jié)果，在水壓測(cè)試工況下，最大等效應(yīng)力最大值有所增加，最大彎曲應(yīng)力的數(shù)值和位置沒(méi)有變化，有效張力最大值仍出現(xiàn)在管線頂端。圖8與圖7最大等效應(yīng)力趨勢(shì)相同，頂端應(yīng)力最大。在兩種工況下，最大等效應(yīng)力最大值均小于358.54 MPa，符合規(guī)范要求。因此，文中所選擇的工程措施可以實(shí)施。

實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)水深、海底海況、海床的承受能力以及經(jīng)濟(jì)等因素選擇最合適的工程處理措施。本文中，由于12 m水深處托管架鋪設(shè)難度較大，而且托管架的尺寸較大不利于工程鋪設(shè)，故建議選擇挖溝措施進(jìn)行優(yōu)化。

6 結(jié) 語(yǔ)

大坡度海底管道鋪設(shè)地形復(fù)雜。進(jìn)行在位強(qiáng)度分析，包括對(duì)鋼管壁厚的校核和載荷組合控制分析，能夠通過(guò)校核管道強(qiáng)度來(lái)調(diào)整管道參數(shù)的設(shè)計(jì)，為選擇最安全、經(jīng)濟(jì)的工程施工方案提供參考。本文模擬南海海底的大坡度管道，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。強(qiáng)度分析中，確定了應(yīng)力不符合規(guī)范的管線位置并提出了相應(yīng)的工程優(yōu)化措施。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在兩種工況下大坡度海底管線強(qiáng)度均符合規(guī)范要求。通過(guò)研究分析得出如下結(jié)論：

(1) 大坡度海底管線在斜坡頂端和底端位置所受的應(yīng)力變化較大，容易發(fā)生強(qiáng)度破壞。

(2) 在斜坡頂端可選用兩種工程措施進(jìn)行優(yōu)化，即建立托管架和挖溝。這兩種工程措施都可以有效減小斜坡頂端的曲率進(jìn)而減小管道所受應(yīng)力。具體方法的選擇應(yīng)根據(jù)海底海況等因素而定。

(3) 斜坡末端使用自然懸鏈線法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)懸鏈線理論計(jì)算出斜坡底部管線懸鏈線長(zhǎng)度、曲率等，采取相應(yīng)措施，可以有效減小管線底端所受應(yīng)力。

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StrengthAnalysisofSubmarinePipelineonLargeSlope

WANG Bo-ya1, KANG Zhuang1, SONG Ru-xin1, CAO Xian-fan2, LIU Zhen-wen2

(1.DeepwaterEngineeringResearchCenter,CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang150001,China2.CNPCResearchInstituteofEngineeringTechnology,KeyLaboratoryofOffshoreEngineeringofCNPC,Tianjin300451,China)

Large slope pipeline is an essential type of submarine pipeline in the development of oil and gas. Based on the landform of the South China Sea, the structural strength of the large slope pipeline is studied and engineering optimization methods are proposed. By analyzing the governing equations of pipeline structure, the key parameters influencing the force analysis are obtained. The structural strength of the pipeline is calculated by the nonlinear time domain software. It turns out that pipelines at the top and bottom of the slope are easily damaged. For engineering optimization, establishing a stinger and trenching are suggested for the top pipeline, and catenary theory optimization design is adopted for the bottom pipeline. Through further analysis, it is concluded that the strength of large slope pipeline after optimization design can meet the standard.

submarine pipeline; large slope; strength calculation; engineering optimization method

TE973.92

A

2095-7297(2015)04-0264-06

2015-07-12

王博雅(1991—)，碩士研究生，主要從事海底管道和渦激振動(dòng)方面的研究。