埕島油田海底管道疲勞壽命評估

金學文

摘 要：目前，工程中對于海底管線自由懸跨的疲勞評估主要集中在求解管線的極限跨長，這種做法僅僅考慮自由懸跨的渦激共振對管線的影響，而沒有考慮自由懸跨在非渦激共振狀態下的疲勞損傷累積問題。本文以埕島油田海底管道在不同浪流組合下的疲勞壽命進行評估，分析不同環境因素，不同懸跨長度對疲勞壽命的影響規律。

關鍵詞：海底管道；疲勞；評估；埕島油田

1 埕島油田現狀

埕島海區位于黃河三角洲前緣、渤海灣中東部南岸的極淺海海域。地面工程建設模式以中心平臺為依托，在其周圍輻射式建設衛星平臺的方式進行開發，中心平臺通過海底電纜為衛星平臺生產提供電力，通過海底注水管線為其衛星平臺提供注水源，衛星平臺產出的油、氣、水混合物則通過海底管線傳輸到中心平臺進行處理后分輸到岸上。經過多年的開發建設，1999年埕島油田實現200萬噸產能規模，成為我國的第一大淺海油田。

2 海底管道懸空原因

在海底地形的變化、波流的沖刷和淘刷，管道的殘余應力等海洋因素作用下，海底管道可能形成懸空段。根據海底管道形成懸空段的成因和類型的不同，管道懸空段有以下三種類型：

2.1 海底管道由于受到波流作用形成的懸空段

埋設在海床以下和裸露在海床上的海底管道受波流的沖刷和淘刷的影響，波流首先沖刷管道上面的顆粒，等到管道露出之后在沖刷管道下面的顆粒，由此管道形成懸空段。對于裸露在海床上的海底管道，波流沖刷管道下部的顆粒形成懸空現象。

2.2 由于海底管道的應力集中形成的懸空段

海底管道在運行過程中，由于受傳輸介質的溫度、壓力等因素的作用也會有應力集中的現象，這種應力集中會在管道的某個部位形成“屈曲現象”，屈曲現象會使管道的一段產生懸空現象從而使管道形成懸空段。

2.3 海底地形的崎嶇變化形成的懸空段

海底管道懸跨結構在發生渦激振動的過程中，存在著流體與結構之間的相互作用，從而改變作用在結構上的流體荷載的分布和大小。

3 疲勞壽命評估

以埕島油田某管線為實例進行數值試驗，討論各參數對懸跨管線疲勞壽命的影響。根據埕島油田海域水深范圍，設定計算管線處的水深為10m，考慮懸跨長度、流速大小、波浪大小以及水流與管線的夾角等影響因素。

3.1 懸跨長度的影響

主要考慮在其他條件一定的情況下懸跨長度對疲勞壽命的影響。計算工況為潮流流速0.8m/s（懸跨管線位置），流向與懸跨管線垂直，懸跨管線兩端的約束對懸跨段的自振頻率有很大影響，約束條件的確定依賴于兩端部分對懸跨管段的作用力，而作用力的確定需要根據管線的內力和管線的外載荷來確定。

在懸跨管線兩端約束為簡支，流速一定的情況下（0.8m/s），管線的自振頻率隨懸跨長度的增大而減小，管線的響應頻率、應力范圍變化趨勢也相同；管線懸跨長度從30m逐漸增大時疲勞壽命由4.877年逐漸減小。

跨長在24～29.5m范圍內時懸跨管線隨著懸跨長度增大疲勞壽命迅速減小。相同跨長時固支約束下懸跨管線一階固有頻率大于簡支約束下的一階固有頻率，懸跨長度30m以內的管線在0.8m/s的流速下，不需要評估渦激振動情況。

3.2 流速的影響

主要分析懸跨管線在懸跨長度、波浪條件等參數不變的情況下，流速大小對疲勞壽命的影響。計算工況為懸跨長度30m，流向與管線垂直。邊界約束考慮兩端簡支和兩端固支兩種，計算流速從0.4～1.5m/s變化時疲勞壽命大小。

流速小于0.5m/s時，對于30m懸跨長度的管線可以不必考慮渦激振動的影響，其疲勞壽命大于50年。流速在0.6～0.8m/s之間時，疲勞壽命變化明顯，說明懸跨管線疲勞壽命對流速很敏感，在進行相應的評估時需要結合實際的流速大小。0.6～0.8m/s變化時，隨著流速的增加，懸跨管線的響應頻率和應力范圍均在增大，疲勞壽命隨流速的增大急劇減小。

懸跨長度為30m的管線，在流速小于1.2m/s時可以不考慮渦激振動的影響。隨著流速的增大，其渦激振動應力范圍呈現逐漸增大的趨勢，從12MPa增至40MPa，相應的，疲勞壽命從474年迅速減小至1.6年。流速在1.3～1.4m/s之間時，疲勞壽命變化明顯，說明懸跨管線疲勞壽命對該流速范圍很敏感，在進行相應的評估時需要結合實際的流速大小。

流速從1.3～1.4m/s變化時，隨著流速的增加，懸跨管線的應力范圍在增大，疲勞壽命隨流速地增大急劇減小。

3.3 波浪的影響

主要分析懸跨管線在懸跨長度、入射角度等參數不變的情況下，波浪大小對疲勞壽命的影響。計算工況為懸跨長度30m。

簡支約束下波高小于2m時可以不考慮波浪引起的渦激振動影響，此條件下懸跨管線滿足疲勞設計要求。波高大于2m時，隨著波高的增大，疲勞壽命急劇降低，由2m波高時的1745年降至3m波高時的0.634年。由此可見在淺水區（d/L<0.5）波高對管線的疲勞壽命有很大影響，在深水區波浪導致的水質點的運動在海底位置幾乎沒有，可以忽略波浪的影響。在實際管線評估過程中需要綜合考慮懸跨管線處的水深、波浪方向以及潮流速度等因素。

固支約束下波高小于4m時可以不考慮波浪引起的渦激振動影響，此條件下懸跨管線滿足疲勞設計要求。在淺水區（d/L<0.5）波高對管線的疲勞壽命有很大影響，在深水區波浪導致的水質點的運動在海底位置幾乎沒有，可以忽略波浪的影響。

3.4 流速與管線夾角的影響

主要分析懸跨管線在懸跨長度、流速大小等參數不變的情況下，入射角度對疲勞壽命的影響。

在懸跨長度30m，流速0.8m/s，兩端簡支約束條件下，流速的入射角度小于45度時可以不考慮渦激振動的影響，管線疲勞壽命滿足設計要求。入射角大于45度時，隨著流速入射角度的增大，管線響應應力范圍隨之增大，疲勞壽命逐漸減小，由45度時的19349年減至90度時的4.877年。當入射角為90度時疲勞壽命最小，入射角繼續增大疲勞壽命也隨之增大，入射角大于135度時懸跨管線的疲勞壽命可以不考慮渦激振動的影響。因此疲勞壽命與管線上垂直作用的流速大小有直接關系。

在懸跨長度30m，流速1.4m/s，兩端固支約束條件下，流速的入射角度小于65度時可以不考慮渦激振動的影響，管線疲勞壽命滿足設計要求。入射角大于65度時，隨著流速入射角度的增大，管線響應應力范圍隨之增大，疲勞壽命逐漸減小，由65度時的3585年減至90度時的12.748年。當入射角為90度時疲勞壽命最小，入射角繼續增大疲勞壽命也隨之增大，入射角大于115度時懸跨管線的疲勞壽命可以不考慮渦激振動的影響。按照上述分析若該管線設計壽命為50年，則1.4m/s的流速工況下最大允許夾角為75度。

4 小結

通過比較發現隨著懸跨長度增加，疲勞壽命隨之減小，在流速0.8m/s時簡支約束下最大懸跨長度不能超過27.5m（按設計壽命50年計），而固支約束下最大懸跨長度不能超過41m。

簡支約束下30m懸跨長度時，管線對0.6～0.8m/s區間的流速變化很敏感，在0.8m/s時壽命僅有4.8年，按照疲勞壽命50年計算，最大允許流速為0.7m/s；固支約束下對1.3～1.4m/s區間的流速變化敏感，按照疲勞壽命50年計算，最大允許流速為1.35m/s。

由于水深較淺波高對疲勞壽命有較大影響，計算結果表明30m懸跨長度時，簡支約束下波高大于2.3m時疲勞壽命降到50年以下，固支約束下波高大于4.4m疲勞壽命僅為42.8年。

流速入射角度對懸跨管線的疲勞壽命也有很大影響，垂直入射時疲勞壽命最小，隨著入射角度的偏大或偏小，疲勞壽命隨之增大。