海底輸氣管道在位穩定性設計要點探討

陳俊文 王暢 湯曉勇 申延波 諶貴宇 郭艷林

摘 ?????要：海底管道的在位穩定性設計是保證海底管道安全運行的關鍵。管道配重可顯著提高海底管道在位穩定性。合理的在位穩定性設計應兼具功能性與經濟性，避免過度保守，也利于對后續管道安裝提供便利。目前，針對海底管道在位穩定性的研究報道，雖然較為深入地進行了基本原理、計算方法對比等方面研究，但鮮有對在位穩定性設計要點的提煉以及基于施工角度考慮的優化方法的思考。因此，有必要進一步對上述問題進行探討和分析?；贒NVGL體系對海底管道在位穩定性分析的基本要求，結合在位穩定性控制的基本原理，詳細探究了海底輸氣管道在位穩定性設計要點，并結合施工特點，探討了海底管道在位穩定性設計優化思路。研究表明：海底管道配重優化可從多方面開展，通過分段調整配重參數，可在保障在位穩定的情況下，減少自由懸跨和鋪管中的附加工程量?？蔀闇\海海底輸氣管道設計提供相關參考和借鑒。

關 ?鍵 ?詞：海底管道;在位穩定性;設計要點;探討

中圖分類號：TE 832????????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0693-04

Discussion on the Design Key Point?for the Offshore

Gas Pipeline On-bottom Stability

CHEN Jun-wen¹， WANG Chang¹， TANG Xiao-yong¹， SHEN?Yan-bo²， SHEN Gui-yu¹， GUO Yan-lin¹

（1. China Petroleum Engineering & Construction Corporation Southwest Company， Sichuan Chengdu 610041， China;

2. PetroChina?Tarim Oilfield Company Kela?Oil and Gas Development Department， Xinjiang Korla 841000， China）

Abstract： ?The on-bottom stability design of submarine pipelines is the key to ensuring the safe operation of submarine pipelines. Pipe counterweight?can significantly improve the stability of the submarine pipeline. Reasonable in-situ stability design should be both functional and economical， avoiding over-conservation and facilitating subsequent pipeline installation. At present， researches?on the stability of the submarine pipeline in situ?mainly focus on the basic principles and calculation methods， there are few refinements on the design of in situ stability and optimization methods based on construction considerations. Therefore， it is necessary to further explore and analyze the above issues. Based on the basic requirements of the DNVGL system for the stability analysis of submarine pipelines in situ， combined with the basic principles of in-situ stability control， the design points of the in-situ stability of submarine gas pipelines?were studied， and combined?with the construction characteristics，?the?optimization of the design of in-situ stability of subsea pipelines?was discussed. The research shows that the optimization of submarine pipeline counterweight can be carried out in many aspects; by adjusting the counterweight parameters in stages， the additional engineering quantity in free suspension and pipe laying can be reduced while ensuring stable position. The research results of this paper can provide reference for the design of shallow seabed gas pipelines.

Key words： ?offshore pipeline; on-bottom stability; design?key point;?analysis

海底管線是最常用的連接海上油氣生產設施與陸地的重要通道，其全生命周期內的在位穩定性至安全安裝和運行極為重要^[1-7]。海底管道在位穩定性主要作用是通過多種穩定性分析，保證海底管道在可預見的海洋環境內保持垂向和橫向穩定，以滿足規范要求。隨著研究深入與計算機水平提升，針對海底管道在位穩定性的參考規范和作業分析軟件日益成熟，以DNVGL-RP-F109^[8]為代表的海底管道在位穩定性規范最為常用，并以此開發了配套計算程序;另外，美國天然氣協會亦基于API RP 1111、ASME B31.8等規范，編制了計算分析軟件AGA。同時，大量海底管道穩定性研究進行了公開報道^[9-14]，主要聚焦于海底管道穩定性計算方法、國際通用計算方法對比和海底管道提高穩定性措施，但鮮有細致的穩定性設計要點，亦缺乏結合海底管道穩定性對其他后續作業流程影響的詳細研究報道。

本文基于DNVGL體系對海底管道在位穩定性分析的基本要求，結合在位穩定性控制的基本原理，詳細探究了海底輸氣管道在位穩定性設計要點，并結合施工特點，探討了海底管道在位穩定性設計優化思路。

1 ?海底管道在位穩定性設計原理

海底管道在安裝和長期運行中，將受到自身重力、輸送流體重力、環境荷載等作用，在垂向和橫向產生運動趨勢。具體體現為垂向上的上浮或下沉、橫向上的位移。

（1）垂向穩定性

在位的海底管道應當滿足垂直方向穩定，重點考慮管道上浮和沉降。管道上浮是由于海水浮力大于管道自身重力引起，應當為管道提供足夠的上浮抗力。同時，由于土壤可壓縮性，管道將不同程度地出現沉降。

（2）橫向穩定性

在位的海底管道，受與管道軸向不平行波浪的流動、海水流動及波浪加速度的作用，將發生側向位移的趨勢，需要考慮通過提高管道水下重量或提供外部措施的方式進行穩管，提高管道水下重量是最常用的方式。

隨著研究深入和工程經驗的積累，目前國內外公認DNVGL-RP-F109作為海底管道在位穩定性的設計參考標準。在該標準中，明確了管道垂向穩定性和橫向穩定性的計算模型。針對該標準中各種模型的具體解釋，目前已公開了大量的報道，此處不再贅述。

總體來講，垂向和橫向穩定性的計算思路可歸結如下：

（1）垂向穩定性

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。對于上浮校核，管道比重（比重表示水上重量和浮力的比值）大于1.1。對于沉降，目前還未提出確定的評價指標，從國內外工程經驗來看，管道沉降量與管道外徑的比值不超過10%到20%認為可接受。

（2）橫向穩定性

海底管道橫向穩定性的分析方法主要分為動態分析法、歸納法及靜態分析法等。由于橫向穩定性受海洋環境、管道-土壤交互作用、管道自身條件等因素影響，因此是相關研究人員和工程分析關注的重點。

2 ?海底管道在位穩定性設計要點

雖然DNVGL-RP-F109是目前公認的海底管道在位穩定性計算規范，但其條文描述與解釋較為簡要。結合工程經驗，本節對海底管道在位穩定性的設計要點進行提煉。由于垂向穩定性計算相對較為簡單，且影響因素較少，因此不在此處討論。

（1）登陸段分析

登陸段是海底管道設計與安裝的重要內容，水深較淺是其主要特征。當波浪傳入淺水地區后，由于水深逐漸減小和地形變化的影響，波峰頂速度大于波谷底速度引起了波形的扭曲，至一定距離后，波浪將發生破碎。為了優化在位穩定性設計，在登陸段需要比較實際海底深度和波浪破碎引起增大的水深，并取其較大值。

（2）橫向穩定性接受標準

對于海底管道，DNVGL對穩定性分析方法給出了建議，可執行的指標包括絕對穩定、0.5D～10D（0.5D表示管道允許橫向移動量為0.5倍管道外徑，10D表示管道允許橫向移動量為10倍管道外徑）等，這需要在設計中予以考慮。一般來講，在淺水管道中考慮絕對穩定，將導致配重層極厚，而且淺水管道為了保障安全，在絕大部分項目中均要求埋設。因此，管道暴露于海洋環境中的階段只是安裝期，因此淺水管道幾乎不建議采用絕對穩定的指標來規定管道的穩定性。當管道采用允許位移指標后，其配重量將顯著降低。

（3）接受標準制定方法

為了綜合考慮管道安全風險，目前較為認可的方式是借助管道安全分區（1區和2區），約定不同的橫向穩定性接受標準。對于安全要求較高的1區，推薦采用0.5D的橫向穩定性指標，主要包括：距離平臺500 m以內的管道、穿越段和登陸段;其余管道位于2區，可采用10D的計算標準。

（4）混凝土配重層厚度范圍

根據規范要求，混凝土配重層的厚度不應低于40 mm;而最大厚度一般控制在200 mm以下。在極端情況下，若所需混凝土配重超過了上限，可通過適當增大混凝土密度的方式滿足穩定性要求。

由此可見，海底管道在位穩定性設計中，應多方面對管道本體、配重層性質、設計工況等予以考慮，在合規的情況下，嘗試進行設計優化。

3 ?海底管道統一配重的影響

海底管道的配重主要受運行工況、環境條件、地質條件等影響。一般來講，隨著水深增加，波浪對底層海底管道的影響逐漸降低;底層海水流速也隨之減小。實踐證明，采用相同的橫向穩定性計算方法，絕大多數情況下，淺水段所需配重厚度大于深水段。因此，從經濟性來講，有必要進行海底管道的配重分段考慮。同時，由于海底管道配重是海底管道設計流程中較為靠前的工序，對后續活動亦將產生影響。這里主要討論自由懸跨和管道鋪設。

（1）自由懸跨

在海底管道鋪設后，由于海底不平整，將可能引起自由懸跨。若自由懸跨長度超過允許值，就會發生渦激振動而導致管道破壞，或者引起由于懸空過大而發生的強度破壞。為保證管道安全，應采取適當方法對懸跨進行修正。

允許自由懸跨長度主要受環境條件、管道重量、管道總外徑、管道-土壤相互作用等因素影響。DNVGL有專門的規范定義并校核自由懸跨長度。由于配重層較厚的管道，其外徑更大，海流的側向作用面更大，且其水下重量更大，固有頻率更低，更易與管道振動頻率接近，誘發共振;同時，從強度方面來看，水下重量更大、總外徑更大（但鋼管外徑一致）的管道，在相同懸跨長度時，受到的重力彎矩、側向海流作用彎矩等大于配重層更薄的管道。

（2）管道鋪設

海底管道的鋪設方法主要有鋪管法和托拉法。

對于S型鋪管法，鋪管過程中，需要基于鋪管船的張緊力、站位分布、托管架形態和角度、管道信息和水深等因素，調整合理的鋪管姿態，保證全段管道的綜合應力不超過最小屈服強度的85%（下彎段）和72%（上彎段）（DNV81規范要求），亦可要求管道滿足DNVGL局部屈曲校核。

在其他條件相同時，配重層較大的管道，由于比重和水下重量均大于配重層較小的管道，因此其在上彎段和下彎段的應力及應力水平均高于配重層較小的管道，在極端情況下，可能會引起鋪管船不滿足施工條件或額外臨時增加助浮設施，增大了管道施工的難度。

4 ?實例與分析

某輸氣海底管道自海上集氣平臺輸送至陸上處理廠，管道外徑DN900，壁厚為24 mm，材質為X65碳鋼，長度約10 km。全線提供了3處環境參數信息，如表1-2。

其中，A點海圖水深為10 m、B點海圖水深為25 m、C點海圖水深為40 m。實測最低潮位為-0.2 m。

管道場地地層巖土為黏土，設計剪切強度（非擾動土）為4.4 kPa。

（1）管道配重層計算

采用基于DNVGL編制的計算程序進行配重層計算。由于觀測點數量限制，本算例中最淺水深為10 m，經前期分析，不考慮波浪破碎的影響?？紤]采用10D的位移限制條件。管道側向穩定的計算結果如表3。

由此可見，在不考慮分段配重的情況下，選擇110 mm的混凝土配重層厚度可滿足管道安裝過程的在位橫向穩定性要求。同時，也能滿足垂向穩定性校核。尤其對于C點，兩種環境組合下，所需配重層厚度相差14 mm。

如前所述，進一步對比分段配重和全線統一配重對自由懸跨和鋪管的影響。

（2）自由懸跨計算

通過計算程序對B點和C點進行不同配重下的自由懸跨允許長度計算（表4）。

由此可見，在相同的環境條件下，分段配重對應管道的自由懸跨最大允許長度大于全線統一配重的管道，表明了自由懸跨長度與配重層厚度在上述工況下負相關，進一步證實了前文中對不同配重對管道自由懸跨長度影響的定性分析。

（3）鋪管分析

選取水深最大的C點進行不同配重厚度下的鋪管分析。計算結果如圖1-2所示。

由此可見，根據管道配重不同，在僅調整拖管架角度后（張緊力、站位高度等保持不變），75 mm配重層的海底管道，其最高綜合應力在上彎段，約為330 MPa，約占管材屈服強度的73%;下彎段綜合應力水平較低，表明在最大水深位置，管道應力水平在許可范圍內，且鋪管船性能能夠滿足管道鋪設要求，并尚存一定富裕量。同時，通過進行DNVGL-ST-F101的局部屈曲校核，發現管道最大荷載引起的壁厚許用比例為0.84（小于1即可），位于上彎段（船尾部），也說明了管道強度滿足要求。

綜上，通過實例分析可知，分段配重的海底管道在相同環境條件下，最大允許自由懸跨長度和鋪設中的綜合應力水平均優于統一配重的海底管道，其本質原因在于配重層較薄的海底管道，其比重小于配重層加厚的海底管道。

5 ?結論和建議

本文基于DNVGL體系對海底管道在位穩定性分析的基本要求，結合在位穩定性控制的基本原理，詳細探究了海底輸氣管道在位穩定性設計要點，并結合施工特點，探討了海底管道在位穩定性設計優化思路，詳細分析了某海底管道統一配重與分段配重的區別。得出以下結論：

（1）海底管道配重優化可從多方面開展，在滿足合規的情況下，對于淺水輸氣管道，可盡量優化對配重層厚度的設計。

（2）通過分段調整配重參數，可在保障在位穩定的情況下，減少自由懸跨和鋪管中附加工程量。

（3）盡可能詳盡、密集的環境觀測數據可對海底管道配重設計提供足夠的資料，為優化提供支撐。

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