海底管道隆起屈曲分析及工程應(yīng)用

劉極莉

摘 要：文章介紹了高溫埋設(shè)海底管道隆起屈曲的分析理論，并以渤海灣實(shí)際工程為例，利用經(jīng)典理論和有限元法分別對(duì)單、雙層埋設(shè)海底管道的隆起屈曲進(jìn)行了判斷和分析，并將結(jié)果加以比較，為高溫埋設(shè)海底管道的抗屈曲設(shè)計(jì)和施工提供了參考。

關(guān)鍵詞：海底管道；隆起屈曲；工程分析

中圖分類號(hào)：P756.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）03-0042-02

屈曲作為海底管道的主要失效形式之一，對(duì)海底管道的安全運(yùn)營產(chǎn)生著重要影響。對(duì)于埋設(shè)的海底管道而言，當(dāng)高溫高壓產(chǎn)生的軸向力不能通過管道的伸長而釋放時(shí)，軸向力將以管道整體失穩(wěn)的形式釋放。在管溝約束和底部海床不平整（隆起）的作用下（相當(dāng)于管道具有向上的初始撓度），海底管道將發(fā)生向上的隆起位移，甚至突破管道自重、埋土等約束，露出海床泥面。大量的研究及工程經(jīng)驗(yàn)證明為避免埋設(shè)海底管道隆起屈曲的發(fā)生，可以從如下幾方面考慮：如提高管道剛度、增加土壤約束、采用雙層管代替單層管、冷卻輸送介質(zhì)、施加管道預(yù)拉應(yīng)力或采用柔性管代替等[1]。

本文介紹了海底管道隆起屈曲的分析理論，并利用經(jīng)典理論和有限元法分別對(duì)單、雙層埋設(shè)海底管道的隆起屈曲進(jìn)行了判斷和分析。

從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，建議在設(shè)計(jì)的前期利用隆起屈曲理論，對(duì)埋設(shè)海底管道在給定條件下能否發(fā)生隆起屈曲作出判斷。而在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，利用有限元法進(jìn)行分析。因?yàn)樵谠敿?xì)設(shè)計(jì)階段，管道的設(shè)計(jì)溫度荷載已經(jīng)明確，管材壁厚和等級(jí)選擇已基本完成，屈曲分析一般用來進(jìn)一步檢驗(yàn)海底管道的安全性，同時(shí)對(duì)海底管道的抗屈曲施工提出要求，以保證管道在壽命期內(nèi)的安全。

1 隆起屈曲理論[2]

海底管道在海床下受到的土壤隆起約束力可以根據(jù)下面公式計(jì)算。

當(dāng)土壤為無粘性的沙土、礫石時(shí)，土壤約束力為：

其中，q為土壤隆起約束力，N/m；？酌soil為土壤單位水下重，kg/m；H為埋土深度（至管頂），m；f為土壤隆起約束因子（密實(shí)的沙質(zhì)土壤取0.5，松散的沙質(zhì)土壤取0.1）；c為粘性土的土壤剪切強(qiáng)度，MPa；D為管道外徑（包含所有涂層），m。

管道所受的隆起穩(wěn)定性荷載w為：

w=q+Wsub（3）

其中，Wsub為管道水下重。

保證管道的穩(wěn)定性需隆起荷載滿足如下條件：

根據(jù)上述分析，可以得到埋設(shè)海底管道在某一埋深下的最大允許海床不平整高度。工程設(shè)計(jì)前期，可以根據(jù)海底管道的實(shí)際工況、路由地質(zhì)條件及埋深進(jìn)行判斷是否會(huì)發(fā)生隆起屈曲。

對(duì)于雙層海底管道，屈曲首先從內(nèi)管開始。內(nèi)管的屈曲變形受到外管及頂部埋土的制約，一般較難發(fā)生整體的屈曲。但在某些特殊情況下，內(nèi)管也會(huì)突破外管的束縛，而發(fā)生整體隆起屈曲。如超高溫運(yùn)行的海底管道、管道埋土被波流沖刷變薄或管道出露、管道具有初始的跨越構(gòu)型等[3]。上述屈曲理論是對(duì)于單層管提出的，而雙層管的屈曲分析方法在國際上至今沒有突破，管道抗屈曲的設(shè)計(jì)成為雙層管應(yīng)用的一大難題[4]。本文建議工程設(shè)計(jì)前期，可以采用保守的判斷方法，即將與管道隆起穩(wěn)定性荷載有關(guān)的管道水下重Wsub考慮為雙層管水下重，在內(nèi)管的有效軸力的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算出最大允許的海底不平整高度，以初步判斷是否會(huì)發(fā)生整體的隆起屈曲。

2 工程分析實(shí)例

以渤海中部某油田的一條單層注水海底管道和一條雙層混輸海底管道為例，兩條海底管道均為全程挖溝埋設(shè)，且設(shè)計(jì)溫度較高，因此需進(jìn)行隆起屈曲分析。管道的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

選定的土壤參數(shù)為：松散的粉質(zhì)細(xì)砂，深度0～4.2 m，水下重9.1 kN/m3，含水率31%，內(nèi)摩擦角Φ=15 ？觷，橫向摩擦系數(shù)0.37，縱向摩擦系數(shù)0.32，相對(duì)密實(shí)度28%。

根據(jù)本文第二章描述的理論分析方法，對(duì)海管操作期初始和整個(gè)操作期兩個(gè)工況進(jìn)行分析，得到結(jié)果見表2。

假設(shè)海床的不平整高度為0.3 m，則注水管道在投產(chǎn)之前，須至少達(dá)到1 m的埋深，在整個(gè)操作期保證1.5 m的埋深；混輸管道在投產(chǎn)之前達(dá)到0.8 m的埋深，操作期保證1.5 m的埋深，海底管道將不會(huì)發(fā)生隆起屈曲。

使用有限元軟件ABAQUS 6.11建立分析模型，采用非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。每個(gè)模型只設(shè)定一處初始缺陷0.3 m，為避免邊界效應(yīng)，缺陷位置應(yīng)遠(yuǎn)離管道的端點(diǎn)。同樣對(duì)操作期初始和整個(gè)操作期兩個(gè)工況進(jìn)行分析，得到海底管道在不同埋深和腐蝕條件下，發(fā)生隆起屈曲的臨界操作溫度，結(jié)果見表3。

分析結(jié)果表明，在上述選定土壤條件下，當(dāng)設(shè)定海床的不平整高度為0.3 m時(shí)，兩條海底管道在投產(chǎn)之前達(dá)到0.45 m的埋深，操作期保證1.5 m的埋深，管道的設(shè)計(jì)溫度均小于發(fā)生隆起屈曲的臨界操作溫度，因此隆起屈曲不會(huì)發(fā)生。

3 結(jié) 語

①從隆起屈曲理論和有限元分析的結(jié)果可以看出，根據(jù)經(jīng)典理論進(jìn)行屈曲的判斷會(huì)相對(duì)保守。

②為檢驗(yàn)埋設(shè)海底管道在高溫下的隆起屈曲程度并判斷可能出現(xiàn)的屈服，基于有限元算法的幾何非線性大變形分析才能夠彌補(bǔ)經(jīng)典理論的不足。

③從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，建議在設(shè)計(jì)的前期利用經(jīng)典理論，對(duì)埋設(shè)海底管道在給定條件下能否發(fā)生隆起屈曲作出判斷。而在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，利用有限元法進(jìn)一步檢驗(yàn)海底管道的安全性。

④在安裝海底管道過程中應(yīng)嚴(yán)格按照抗屈曲設(shè)計(jì)的要求，控制挖溝不平整高度，保證海底管道的埋土深度，并在油田投產(chǎn)后定期作后期調(diào)查，使高溫埋設(shè)海底管道的安全運(yùn)營得到最終的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙天奉.海底管道溫度應(yīng)力抗屈曲設(shè)計(jì)數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[2] OTC Paper 6335，Design of Submarine Pipelines Against Upheaval Buckling （A.Palmer，C.P.Ellinas and D.M.Richards）[J].1990，（5）.

[3] Global buckling of submarine pipelines[R].DNV-RP-F110，OCTOB-

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[4] Submarine Pipeline Systems[R].DNV-OS-F101，JANUARY 2000（am-

ended and corrected in 2005）.