海底管道穩(wěn)定性分析計算

蔣嵐嵐　王領(lǐng)

摘 要：本文基于DNV2010年海底管道穩(wěn)定性設(shè)計規(guī)范DNV-RP-F109，使用Plusone軟件對某海底管道進行了設(shè)計分析，通過對計算結(jié)果的分析選取合理的混凝土厚度。

關(guān)鍵詞：海底管道；穩(wěn)定性 ；混凝土厚度

中圖分類號：TE832 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： Based on DNV-RP-F109 “On-Bottom Stability of Submarine Pipeline” in 2010， on-bottom stability of a submarine pipeline is calculated and analyzed by using the Plusone software and the concrete thickness is determined according to the analysis.

Key words： Submarine pipeline； On-bottom stability； Thickness of concrete

1 引言

海底管道穩(wěn)定性設(shè)計是海底管道設(shè)計的重要部分，對海底管道穩(wěn)定性分析的合理性直接影響著管道在整個運營周期內(nèi)的安全和經(jīng)濟效益。若管道在海流、波浪和浮力作用下不能保持在海床上的穩(wěn)定性，可以采取提高管道的水下重量、給管道錨固或壓塊等固定或者在海床上開設(shè)溝槽進行埋設(shè)等措施。管道水下重量的提高可通過增加壁厚或施加混凝土配重涂層來實現(xiàn)，而后一種方法是最常用的方法。

本文基于DNV最新規(guī)范[1]進行海底管道穩(wěn)定性分析，選取合理的混凝土厚度。

2 穩(wěn)定性分析方法

海底管道穩(wěn)定性分析方法，從發(fā)展過程上看，大致可分為兩個階段： 1988年以前為靜態(tài)分析階段1988年以后為動態(tài)分析和半動態(tài)分析階段。

1）靜態(tài)分析方法是傳統(tǒng)的分析方法，即對管道在自身重力（Wsub）、波浪和海流產(chǎn)生的升力（FL）、阻力（FD）、慣性力（FI）以及土的摩擦力作用下的靜態(tài)平衡進行分析的方法。用這種方法計算出的管道配重較大， 大大增加了工程投資，因此已基本上被淘汰。

2）動態(tài)分析方法是時域解法，其基本原理是：波浪作為周期性動力荷載作用在管道上，管道在波浪荷載的作用下，在海床上發(fā)生往復(fù)運動。管道的這種運動對海床土壤產(chǎn)生擾動，使海床土壤的抗力大大降低，管道就在這種海床上逐步下沉。當(dāng)管道下沉到一定程度后，波浪—管道—土壤的相互作用達到一種新的平衡。在動態(tài)分析方法中，水動力、管道下沉和土壤側(cè)向阻力是時間的函數(shù)。方法要求以完整的海況過程為條件，計算需較長時間，且由于沿管道路取得足夠精確的環(huán)境和工程地質(zhì)數(shù)據(jù)極為困難，有時甚至是不可能的因此動態(tài)分析方法不太常用。

3）半動態(tài)分析方法是建立在對動力分析結(jié)果歸納基礎(chǔ)上的分析方法。它將動態(tài)分析中次要的因素忽略，采用準(zhǔn)靜態(tài)分析的公式進行計算，能用較短的計算時間得到較為精確的結(jié)果，是一種工程界較為實用的方法。

DNV海底管道穩(wěn)定性設(shè)計規(guī)范是國際上流行的半動態(tài)分析方法，主要有1980年出版的DNV-RP-E305[2-3]以及2007年推出的DNV-RP-F109。規(guī)范規(guī)定了半動態(tài)分析方法允許的側(cè)向位移范圍從0.5倍管徑到10倍管徑。

3 計算基本數(shù)據(jù)

本文分析計算的海底管道屬于30萬t級單點系泊輸油終端。單點位于離岸約22.5 km、水深約為26.3 m的海域。

由于本文研究的海底管道鋪設(shè)后在海床上開設(shè)溝槽進行埋設(shè)，因此僅對空管道狀態(tài)（安裝時）一年一遇風(fēng)暴條件進行穩(wěn)定性校核。校核計算采用DNV-RP-F109半動態(tài)分析方法，使用Plusone軟件進行。

3.1 管道的基本數(shù)據(jù)

3.2 計算工況及環(huán)境數(shù)據(jù)

見表2。進行安裝期的管道穩(wěn)定性分析，考慮相應(yīng)環(huán)境荷載，并考慮管道在此期間是充滿氣體的。為了減少對混凝土涂層的要求，采用了下列假設(shè)：管道安裝在10月～6月的非臺風(fēng)季節(jié)安裝；如果鋪管時遭遇臺風(fēng)，管道將被棄管，待臺風(fēng)過后再行拾管，繼續(xù)鋪設(shè)。

3.3 土壤資料

見表3。本文研究的海底管道走廊帶的土質(zhì)類型主要有3種：瘦粘土或含砂瘦粘土、肥粘土或含砂肥粘土、粘土質(zhì)砂或粉土質(zhì)砂。本文選取7個海底管道走廊帶上的典型點對其穩(wěn)定性進行了分析計算。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 計算方法

本文采用Plusone軟件，對海底管道所處的走廊帶不同水深進行了分析。

考慮到該地區(qū)的環(huán)境條件及其他情況，該海底管道鋪設(shè)后進行埋設(shè)，埋管深度為海管頂部距海床表面下2 m，因此本文僅對安裝期間裸露在海床情況下時的穩(wěn)定性進行分析。安裝期間環(huán)境數(shù)據(jù)取與安裝相關(guān)的1年一遇的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括流速、波高和周期以及水深。為保證海底管道的安全，根據(jù)海底管道路以及相關(guān)的環(huán)境資料，在計算中海流幾乎與管道垂直，波浪與管道呈50°夾角。

4.2 計算結(jié)果

本文使用Plusone軟件計算出不同水深處滿足DNV-RP-F109規(guī)范穩(wěn)定性要求所需的混凝土厚度Lstable和L10，具體結(jié)果見表4。

4.3 結(jié)果分析

從表4可知，滿足規(guī)范要求的Lstable最小混凝土厚度為167 mm，實際施工中該厚度過大不便于施工，且在安裝過程中海底管道的側(cè)向位移不需要小于0.5D，因此綜合考慮經(jīng)濟性以及可行性，選取的混凝土厚度為110 mm。從表4可知，在P1～P4處實取的混凝土厚度大于Lstable；P5～P7處實取的混凝土厚度小于Lstable。但是P5～P7點根據(jù)Plusone輸出的Lstable和L10結(jié)果并根據(jù)公式（1），推算出在采用110 mm混凝土?xí)r可能產(chǎn)生的最大側(cè)向位移。從表4可知，在水深7 m側(cè)向位移最大為2.48D（即3 m）在工程實際中滿足要求。故選取混凝土厚度為110 mm是合理的。

5 結(jié)論

通過本文的計算分析，可以得到如下結(jié)論：

1）所需的混凝土層厚度隨著計算水深的增加而減小。

2）海管壁厚和混凝土層的厚度要結(jié)合經(jīng)濟性以及可行性等綜合考慮選取。壁厚太厚造價高；不經(jīng)濟；混凝土層太厚對鋪管設(shè)施和方法提出更高的要求，增加了施工難度。

3）管道鋪設(shè)區(qū)域的環(huán)境條件對混凝土涂層選取影響很大，可選擇在10月～6月的非臺風(fēng)季節(jié)進行鋪管工作，以減小混凝土涂層要求。

本文的穩(wěn)定性處理方法對其相關(guān)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻

1. DNV. On-Bottom Stability of Submarine Pipeline. DNV-RP-F109， 2010.

2.鐘仕榮. 海底輸油管道的穩(wěn)定性分析[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2004，3.

3.陳思，趙冬巖. 新規(guī)范中海底管道穩(wěn)定性半動態(tài)分析方法的比較研究[J].

中國造船，2009，11.endprint