海底管道穩定性分析

趙 黨，郝雙戶，何 寧

(海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津300451)

0 引言

海洋中蘊藏著豐富的油氣資源，不斷出現的新技術推動著深水以及超深水石油工程的發展。世界范圍的深海石油勘探開發熱潮興起于20世紀70年代末［1］，至今已有30多年的歷史。海洋石油的開發主要由平臺、水下設備、連接管線等組成。海底管道是重要的組成部分。結合現行海底管道穩定性分析主流規范，研究海底管道穩定性分析涉及的參數和設計研究方法具有重要的深遠意義。

1 海管穩定性參數分析

海底管道分析涉及參數主要包括波流特性參數，海床地質特性及海管管材特性參數等。

1.1 波流特性

波流屬于環境作用參數，用于設計的數值來自長期的統計數值。其中定義波的參數有波高 (有益波高，最大波高)和波周期 (有益波周期，最大波周期和譜峰周期等);定義流的參數有不同水層深度流速和流向等;海洋中流的組成包括潮汐流、風誘導流、風暴潮誘導流及介質密度差異引起的內波流等。

實際工程應用中［2］，對于操作期工況 (工況時間大于12個月):一般選取10-year波+100-year流和100-year波 +10-year流作為環境工況;對于臨時工況 (工況時間小于12個月):一般選取1-year波+10-year流和10-year波+1-year流作為環境工況。

海底管道位于海床上，固有時需要根據所給的海水流速折算到海底管道所處位置的海水流速，一般采用如下公式計算:

式中:V(zr)為zr處流速;zr為參考高度(相對于海床面);z0為海床粗糙度;θc為流速和管線夾角。

對于波的研究主要依據經典的線性波 (見圖1)理論［3］。由線性波理論可知水平向質點速度為

垂向質點速度為

圖1 線性波理論特征參數示意圖Fig.1 Schematic of parameters of linear wave theory

實際工程涉及到的都是不規則波 (見圖2)，不規則波可以簡化分解為多個規則波的組合，定義不規則波的描述方法有JONSWAP，TMA，Twopeak等［4］。波數據 (長期分析)參數有波高、周期及相位角等。

參數KC值定性描述波的大小，圍繞海管的水質點的運動呈橢圓形狀，KC值清楚地描述了其值的大小和管體外徑的關系。KC取值范圍為(0，+∞)，對于較大的KC值，環境作用中流起主導作用;對于較小的KC值，環境作用中波流作用相當。

圖2 不規則波示意圖Fig.2 Schematic of irregular wave

1.2 土壤特性

一般海床土壤由砂質、粘土、石塊等組成，其主要特征參數為:砂質摩擦系數一般取0.6，管土作用時支撐力相對不依賴土壤密度;粘土摩擦系數一般取0.2，管土作用支撐需考慮其剪切力作用影響;石塊摩擦系數一般取0.6，海管作用在這樣的海床上基本沒有沉降。實際工程中，需根據地質報告細化的土壤特性分別分析。

1.3 管材特性

管材特征主要指管徑、水下重及海管表面粗糙度等參數。

管材外徑范圍為:0.1～1.5m(48”+ 100concrete)不等。一般隨管徑增加，海管浮力增加，水動力作用增大，減少侵入泥深度等使海底管道相對穩定性減弱。描述海管穩定性一個重要參數為海管水下重和浮力的比值，比值越大，海管相對穩定性越強，其關系如圖3所示。

圖3 管材特征參數示意圖Fig.3 Schematic of parameter of pipeline

2 海管穩定性分析方法

2.1 海管側向穩定性分析方法

海管側向穩定性分析方法主要分為動態分析法、歸納法及靜態分析法等［2，5］。動態分析法使用動力學方程求解海床上的管道側向位移問題。該方法涉及的力學模型包括水動力模型、管-土作用模型、邊界條件和動態響應參數設定等。該方法的力學模型通過時域控制方法求解;歸納法根據工程及實驗經驗，使用一系列無量綱參數的設計曲線來計算穩定條件下的管道重量。該設計曲線是通過動態分析實驗獲得的。涉及的無量綱參數主要包括KC參數、海床土質強度參數、流速波速比值、加速度參數及管道重量控制參數等;靜態分析方法基于靜態力學平衡方程，計算海底管道穩定條件下的管道最小重量。

動態分析方法相對其他方法耗時較長，準確性高，采用該方法的商業程序有PONDUS(Marintek，Trondheim)和AGA LevelⅢ (PRCI，USA)等。該方法主要基于試驗，通過波流概率分布譜作用在海底管道上，考慮管土相互作用的非線性模型及沉降和側向位移影響，最終得到海管側向位移距離、浸入海床深度和海管相應應力和應變數值等。圖4為波流作用情況，圖5為分析結果。

圖4 波流作用示意圖Fig.4 Schematic of impact of wave and current

圖5 海管側向位移示意圖Fig.5 Schematic of lateral displacement of submariner pipeline

歸納法描述由一些無量綱參數經經驗公式計算得到海管側向位移。

其中:

式中:ws為海管單位長度水下重;ρw為海水密度; D為海管外徑;Us為頻譜誘導流速;Tu為頻譜周期;Uc為垂直作用海管上海水流速;τ為波數T/Tu; γs為土壤干重;γ's為土壤(沙土)水下重。

由上式計算可得到KC，M，N的取值范圍，再根據由動態分析歸納總結得出的表格、圖像插值得到對應滿足條件的最小的管重等信息，以判斷其是否滿足要求。(經驗表格、圖像可參考文獻［2］)。

靜態分析方法基于靜態力學平衡方程，計算海底管道穩定條件下的管道最小重量。

靜態分析方法設計標準為

其中γsc為安全系數，根據不同海況及工況，其取值不同［2］。和均根據Morison公式獲得。

式中:μ為海床介質摩擦系數;ws為海管水下重; FR為海床介質被動摩擦力。，均與KC和M相關［2］，可插值得到。

2.2 海管垂向穩定性分析方法

海底管道垂向穩定性主要研究海底管道在垂直于海床方向是否能保持穩定狀態不上浮和有條件的下沉等。需根據路由區海床不同土壤特性，判斷海底管道在垂向的穩定狀態。

對于砂質海床，因為小顆粒沙土高的浸透性，海底管道能穩定地存在于這樣的海床上，只需要校核在砂質海床上的海管水下重是否大于海管浮力即可。

對于粘土質海床，需要校核海管在這樣海床地質情況下海底管道是否穩定，主要包括海管是否上浮及粘土質海床是否能支撐海管使其沉降數值滿足要求。

粘性質土壤剪切力計算公式如下［6］:

式中:C為不擾動土壤參數;Nc為粘性土參數［7］; Nq為粘性土參數為土壤內摩擦角;Nγ為土壤參數;粘性土取0，砂質土壤取1.50·(Nq-1)tanφ［7］;γs為海管水下重; d為海管沉降深度;B為海管沉降海床接觸寬度。

圖6 海管垂向沉降示意圖Fig.6 Schematic of vertical displacement of submariner pipeline

校核:

式中:ws為海管水下重;Dc為海管外徑 (包含防腐涂層及混凝土涂層);d為海管沉降深度;B為海管沉降海床接觸寬度。

3 結語

通過上面對海底管道穩定性設計參數和分析方法的研究，可從以下幾方面進行海底管道穩定性設計的優化:

1)增加管體相對重量，可通過增加海管壁厚或增加混凝土配重層等實現;

2)海底管道部分埋設或者全部埋設處理;

3)挖溝鋪設海管，自然回填;

4)使用壓塊或者樁基固定鋪設在海床上的海底管道。

海底管道設計是海管設計中復雜分析工況，除應用上述分析方法和優化方法外，還要根據具體情況做附加分析，如對于埋設和非埋設海管的穩定性分析［8］，對于高溫高壓海底管道及側向位移偏大的海底管道要進行屈曲分析［9］，對于路由海床不平整的海底管道要進行海底管道不平整度分析［10］;對于深水海底管道要考慮鋪設殘留張力對海底管道穩定性的影響等。

［1］ 李志剛.深水海底管道鋪設技術［M］.北京:機械工業出版社，2012.1-5. LI Zhi-gang.Laying technology of deepwater submarine pipeline［M］.BeiJing:China Machine Press，2012.1-5.

［2］ DNV-RP-F109，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines［S］.2011.

［3］ NATH J H，YAMAMOTO T.Wave forces on pipes near the ocean bottom［J］.Offshore Technology Conference，1976.

［4］ DNV-RP-C205，Environmental Conditions and Environmental Loads［S］.2010.

［5］ DNV-RP0-E305，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines［S］.1988.

［6］ GHAZZALY O I，MCClelland Engineers，Inc.Experimental investigation of pipeline stability in very soft clay［J］. Offshore Technology Conference，1975.

［7］ DNV-RP-F105，Free Spanning Pipelines［S］，2006.

［8］ Rafael Familiar Solano，Fabio Braga de Azevedo.Design and installation of buried heated pipelines at the capixaba north terminal offshore brazil［J］.International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2004.

［9］ NES H，ETTERDAL B.Condition management of HP/HT pipelines:A new approach［J］.International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2008.

［10］ VITALI L，TORSELLETTI E.Bending capacity of pipes subject to point loads［J］.International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2003.