海底管道不平整度分析

趙 黨，李秀鋒，馮現(xiàn)洪，黃 鈺，何 寧

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

0 引 言

海底管道是海洋油氣田開發(fā)的重要組成部分，隨著我國南海深水開發(fā)戰(zhàn)略的深入開展，我國將逐漸發(fā)展類似巴西或者西非海域的開發(fā)模式——水下設(shè)備+海底管線。深水或者超深水海底管道的鋪設(shè)成本巨大，尤其在海床不平整區(qū)、砂波區(qū)、硬質(zhì)海床區(qū)等路由上鋪設(shè)海底管道，海底管道的不平整度分析尤為重要，對于不滿足要求的路由區(qū)域預(yù)處理，將極大減少設(shè)計(jì)成本和縮短工期。本文就海底管道不平整度分析設(shè)計(jì)參數(shù)、分析方法等方面進(jìn)行闡述，并結(jié)合海管不平整度分析工程實(shí)例，提出對海底管道不平整度分析的合理化建議。

1 參 數(shù)

海底管道不平整度分析涉及路由參數(shù)、環(huán)境參數(shù)，海管設(shè)計(jì)參數(shù)及操作工況參數(shù)等(見圖1)。

1.1 路由參數(shù)

海底管道路由選擇是海管設(shè)計(jì)的第一步，尤其對于海床不平整區(qū)[1]。進(jìn)行海底管道路由選擇時(shí)，應(yīng)考慮管道遭受破壞的可能性和由此產(chǎn)生的后果。可能會影響海底管道系統(tǒng)的各種因素：不穩(wěn)定海床、不平坦海床、牡蠣海床、沉積物、障礙物、環(huán)境腐蝕性、海上建筑物、現(xiàn)有的管道和電纜、不穩(wěn)定流、地震活動、廢棄物和廢棄軍需品等堆放區(qū)，風(fēng)、波流、海流、潮汐、冰情、地震、海底的地形地質(zhì)與土壤特性，海床沉積及其活動，海底和海水及大氣溫度、海水水質(zhì)與腐蝕性等[2]。除此之外，還需要滿足如下條件：

1)路由長度要盡可能的短；

2)路由要盡量避免經(jīng)過砂波區(qū)、硬質(zhì)海床區(qū)、天然氣滲漏區(qū)、天然氣氣柱分布區(qū)、珊瑚分布密集區(qū)、不穩(wěn)定海床區(qū)、泥丘海床區(qū)等；

3)遇到海管路由彎曲的預(yù)建海管，需要評估彎曲區(qū)海管的彎曲應(yīng)力小于10%管材允許彎曲應(yīng)力；

4)距離法蘭連接點(diǎn)附近至少500 m的范圍內(nèi)，要保持直線路由；

5)選擇需要調(diào)整不滿足懸跨要求的最小位置數(shù)的路由；

6)盡可能避免預(yù)建管線和已經(jīng)存在管線的路由的交叉，如無法避免，要保證交叉處最小的角度不小于30°；

7)如管線路由靠近已建海洋結(jié)構(gòu)物，路由與海洋結(jié)構(gòu)物之間的最小距離需大于5 m；

8)海管路由如果起點(diǎn)或終點(diǎn)位于平臺附近，其路由與平臺間夾角需不小于30°。

路由最小彎曲半徑確定公式為：

式中：E為材料楊氏彈性模量；D為擬建管線外徑；SMYS為管材最小屈服強(qiáng)度。

在海底管道不平整度分析中涉及的管道路由處的海床數(shù)據(jù)主要由專業(yè)的地質(zhì)勘探服務(wù)公司提供海管路由帶的水深數(shù)據(jù)、海床土壤特性參數(shù)等(見圖2)。

(2)

圖2 路由水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格示意圖Fig.2 Grid data of pipeline route water depth

圖3 路由水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 Sketch of transform for pipeline water depth

最終形成海管路由KP點(diǎn)數(shù)據(jù)組：

其中xi與yi為海管路由i節(jié)點(diǎn)水平值和垂向值。

1.2 環(huán)境參數(shù)

依據(jù)DNV CN E30.5[3]和Morison公式，考慮環(huán)境參數(shù)波、流垂直作用在海管路由上。

圖4 海管所受環(huán)境力示意圖Fig.4 Sketch of enviromnetal force for pipeline

拖曳力為：

(4)

慣性力為：

(5)

豎直方向提升力為：

(6)

式中：ρw為海水密度；Det為海管外徑(包含防腐圖層)；Cd為拖曳力系數(shù)；Us為波速；Uc為流速；βi為波流作用相位角；Cm為慣性力系數(shù)；TU為波周期；Cl為升力系數(shù)。

1.3 其他外力參數(shù)

1.3.1 海管鋪設(shè)殘余張力

海管在鋪設(shè)過程中，鋪管船上張力一部分用于承擔(dān)海管水下重，令一部分用于平衡鋪設(shè)過程中在海床上產(chǎn)生的鋪設(shè)殘余張力。在海管不平整度分析過程中需要考慮鋪設(shè)殘余張力的影響。殘余張力計(jì)算過程為：

TBottom=T-(WSub·dmin+WDry·fe)。

(7)

式中：TBottom為海管鋪設(shè)殘余張力；T為鋪管船張力；WSub為海管水下重；dmin為最小水深(相對于MSL)；WDry為海管空氣中重；fe為船甲板高度。

圖5 海管鋪設(shè)殘余張力示意圖Fig.5 Residual laying tension of pipeline

1.3.2 埋設(shè)管道土壤作用力

對于埋設(shè)管線所受外部土壤作用，如圖6所示。

圖6 埋設(shè)管道示意圖Fig.6 Sketch of buried pipeline

由式(8)或式(9)[4-5]的作用在海管上的埋設(shè)土壤抵抗力為：

依據(jù)不同管徑，選擇不同公式。其中，γ′為土壤單位體積重量；f為回填土壤升力系數(shù)。

1.3.3 溫降對海管的影響

管材輸送介質(zhì)溫度變化引起的熱應(yīng)力：

Ft=-E·A·αth·ΔT。

(10)

式中，A為海管管材截面面積；αth為管材熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化數(shù)值。

圖7 海管不平整度分析受力示意圖Fig.7 Sketch of subsea pipeline bottom roughness

2 工程實(shí)例

2.1 模型參數(shù)

工程中一般借助商業(yè)軟件如SAGE Profile[6]， Simla以及基于大型有限元軟件Ansys開發(fā)的程序SPAN-CALC[7]等進(jìn)行海管不平整度分析，本文采用SAGE Prifile6.4為工具，以南海某高溫高壓海底管道工程項(xiàng)目為例，研究該海底管道安裝期不平整度分析情況。該預(yù)建海底管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。環(huán)境數(shù)值見表2。

表1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 極限環(huán)境數(shù)據(jù)

圖8 海管路由水深示意圖Fig.8 Profile of water depth along pipeline route

2.2 計(jì)算結(jié)論

通過懸跨計(jì)算分析，得到該海底管道在安裝期

圖9 最大懸跨長度Fig.9 The max length of free span

圖10 最大懸跨高度Fig.10 The max. height of free span

允許懸跨長度為54 m，以此作為標(biāo)準(zhǔn)評定海底管道不平整度是否滿足懸跨要求。

經(jīng)SAGE Profile6.4有限元分析，得分析結(jié)論如圖11所示。

圖11 海床不平整度分析結(jié)果Fig.11 Results of bottom roughness analysis

通過分析得到不滿足懸跨要求的分析結(jié)果如表3所示。

表3不平整度分析結(jié)果(安裝工況)

Tab.3 Bottom roughness analysis results (installation condition)

序號起點(diǎn)/m終點(diǎn)/m懸跨長度/m允許懸跨長度/m懸跨高度/m海床地質(zhì)特點(diǎn)16112059540914砂質(zhì)23454351157540575裸露硬質(zhì)海床3538354577454041145578563355541629砂質(zhì)

2.3 懸跨處理方法討論

懸跨處理措施主要分為修整原始路由海床和在懸跨位置加載支撐兩類。

2.3.1 海床處理法

該方法即清理產(chǎn)生不滿足懸跨的海管兩端與海床相接觸的海床高度，使得海床路由變化相對平緩，該方法操作簡單，主要使用于軟質(zhì)海床(砂質(zhì)等)，對于深水或硬質(zhì)海床區(qū)不適應(yīng)。

2.3.2 拋物法

這種方法即在海管發(fā)生懸跨處，由纜繩或者ROV投放石塊、沙包或加載混凝土墊塊，這種方法操作簡便，適用于淺水海域，對于較深海域和海管路由陡斜海床不太適用。

2.3.3 機(jī)械支撐法

這種方法即在海管發(fā)生懸跨處，加載機(jī)械裝置，支撐海管，減少其懸跨。該種處理方式能收到預(yù)期的效果，機(jī)械裝置由ROV安置，或通過打樁將機(jī)械裝置打入海床固定，或?qū)C(jī)械裝置直接放置海床上，依靠其自身穩(wěn)定性支撐海管。

2.3.4 VIV 抑制裝置

懸跨的發(fā)生有一部分是由于小懸跨處的波流沖刷，導(dǎo)致該處懸跨逐漸擴(kuò)大，以致其發(fā)生不滿足懸跨要求的懸跨。在海管鋪設(shè)至海床上，如在容易發(fā)生沖刷誘導(dǎo)渦激振動的地方添加VIV抑制裝置，能收到預(yù)期效果。

對于本工程，采取在發(fā)生懸跨處添加沙包支撐，對應(yīng)支撐高度如表4所示。典型修正示意圖如圖12

表4 懸跨支撐高度(安裝工況

圖12 典型修正示意圖Fig.12 Sketch of typical rectified data

圖13 修正后的海床不平整度分析結(jié)果Fig.13 Results of bottom roughness analysis for rectified profile

所示，修正后計(jì)算均滿足要求，結(jié)果如圖13所示。

3 結(jié) 語

通過對海底管道不平整分析，得出以下結(jié)論：

1)充分考慮多種因素，合理選擇海底管道路由；深水海底管道安裝前，需做不平整度分析，對不滿足懸跨要求的海床進(jìn)行預(yù)處理，降低后期不平整度修正的風(fēng)險(xiǎn)；

2)海底管道安裝后，需進(jìn)行后調(diào)查和定期觀測，查看海底管道在海床上的存在狀態(tài)，保證海管在運(yùn)營期的安全；

3)由不平整度分析結(jié)論，可得易發(fā)生不滿足懸跨要求的路由區(qū)域，針對該區(qū)域的地質(zhì)特點(diǎn)、地形特征，及時(shí)采取預(yù)防措施。

針對我國南海油氣資源特點(diǎn)，海底油氣管道均處高溫高壓環(huán)境中，并且我國南海油氣資源處于陸地海洋交接區(qū)域，海床起伏變化劇烈，易由海管不平整特性誘發(fā)海管側(cè)向屈曲及管線沿路由方向的移動，最終導(dǎo)致海管破壞，故在設(shè)計(jì)伊始，針對給定的海底管道路由和海管工藝參數(shù)，對海底管道不平整性給出合理的評價(jià)和對不滿足要求的海底管道懸跨提前采取修正措施，保證海底管道運(yùn)營安全。

[1] FYRILEIV O,et al.Updated design procedure for free spanning pipelines DNV-RP-F105:multi-mode response[J].2006:ASME.

[2] 周守為,曾恒一,安維杰，等.海洋石油工程設(shè)計(jì)指南 第五冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

ZHOU Shou-wei,ZENG Heng-yi,AN Wei-jie，et al.Handbook of offshore oil engineering-fifth volumes[M].Beijing:Petrol-eum Industry Press,2007.

[3] DNV CN 30.5,Environmental conditions and environmental loads[S].Det Norske Veritas,2000.03.

[4] SCHAMINéE P,ZORN N,SCHOTMAN G.Soil response for pipeline upheaval buckling analyses:full-scale laboratory tests and modelling[J].In Offshore Technology Confere-nce,1990.

[5] PEDERSEN P T,MICHELSEN J.Large deflection upheaval buckling of marine pipelines[J].Proc. Behaviour of Offshore Structures(BOSS),1988.

[6] SAGE Profile 3D User Manual version 2.4.2013.www.sage-profile.com.

[7] PEREIRA A,et al.In-place free span assessment using finite element analysis[J].2008:ASME.