海底管道稳定性分析

赵 党，郝双户，何 宁

(海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300451)

0 引言

海洋中蕴藏着丰富的油气资源，不断出现的新技术推动着深水以及超深水石油工程的发展。世界范围的深海石油勘探开发热潮兴起于20世纪70年代末［1］，至今已有30多年的历史。海洋石油的开发主要由平台、水下设备、连接管线等组成。海底管道是重要的组成部分。结合现行海底管道稳定性分析主流规范，研究海底管道稳定性分析涉及的参数和设计研究方法具有重要的深远意义。

1 海管稳定性参数分析

海底管道分析涉及参数主要包括波流特性参数，海床地质特性及海管管材特性参数等。

1.1 波流特性

波流属于环境作用参数，用于设计的数值来自长期的统计数值。其中定义波的参数有波高 (有益波高，最大波高)和波周期 (有益波周期，最大波周期和谱峰周期等);定义流的参数有不同水层深度流速和流向等;海洋中流的组成包括潮汐流、风诱导流、风暴潮诱导流及介质密度差异引起的内波流等。

实际工程应用中［2］，对于操作期工况 (工况时间大于12个月):一般选取10-year波+100-year流和100-year波 +10-year流作为环境工况;对于临时工况 (工况时间小于12个月):一般选取1-year波+10-year流和10-year波+1-year流作为环境工况。

海底管道位于海床上，固有时需要根据所给的海水流速折算到海底管道所处位置的海水流速，一般采用如下公式计算:

式中:V(zr)为zr处流速;zr为参考高度(相对于海床面);z0为海床粗糙度;θc为流速和管线夹角。

对于波的研究主要依据经典的线性波 (见图1)理论［3］。由线性波理论可知水平向质点速度为

垂向质点速度为

图1 线性波理论特征参数示意图Fig.1 Schematic of parameters of linear wave theory

实际工程涉及到的都是不规则波 (见图2)，不规则波可以简化分解为多个规则波的组合，定义不规则波的描述方法有JONSWAP，TMA，Twopeak等［4］。波数据 (长期分析)参数有波高、周期及相位角等。

参数KC值定性描述波的大小，围绕海管的水质点的运动呈椭圆形状，KC值清楚地描述了其值的大小和管体外径的关系。KC取值范围为(0，+∞)，对于较大的KC值，环境作用中流起主导作用;对于较小的KC值，环境作用中波流作用相当。

图2 不规则波示意图Fig.2 Schematic of irregular wave

1.2 土壤特性

一般海床土壤由砂质、粘土、石块等组成，其主要特征参数为:砂质摩擦系数一般取0.6，管土作用时支撑力相对不依赖土壤密度;粘土摩擦系数一般取0.2，管土作用支撑需考虑其剪切力作用影响;石块摩擦系数一般取0.6，海管作用在这样的海床上基本没有沉降。实际工程中，需根据地质报告细化的土壤特性分别分析。

1.3 管材特性

管材特征主要指管径、水下重及海管表面粗糙度等参数。

管材外径范围为:0.1～1.5m(48”+ 100concrete)不等。一般随管径增加，海管浮力增加，水动力作用增大，减少侵入泥深度等使海底管道相对稳定性减弱。描述海管稳定性一个重要参数为海管水下重和浮力的比值，比值越大，海管相对稳定性越强，其关系如图3所示。

图3 管材特征参数示意图Fig.3 Schematic of parameter of pipeline

2 海管稳定性分析方法

2.1 海管侧向稳定性分析方法

海管侧向稳定性分析方法主要分为动态分析法、归纳法及静态分析法等［2，5］。动态分析法使用动力学方程求解海床上的管道侧向位移问题。该方法涉及的力学模型包括水动力模型、管-土作用模型、边界条件和动态响应参数设定等。该方法的力学模型通过时域控制方法求解;归纳法根据工程及实验经验，使用一系列无量纲参数的设计曲线来计算稳定条件下的管道重量。该设计曲线是通过动态分析实验获得的。涉及的无量纲参数主要包括KC参数、海床土质强度参数、流速波速比值、加速度参数及管道重量控制参数等;静态分析方法基于静态力学平衡方程，计算海底管道稳定条件下的管道最小重量。

动态分析方法相对其他方法耗时较长，准确性高，采用该方法的商业程序有PONDUS(Marintek，Trondheim)和AGA LevelⅢ (PRCI，USA)等。该方法主要基于试验，通过波流概率分布谱作用在海底管道上，考虑管土相互作用的非线性模型及沉降和侧向位移影响，最终得到海管侧向位移距离、浸入海床深度和海管相应应力和应变数值等。图4为波流作用情况，图5为分析结果。

图4 波流作用示意图Fig.4 Schematic of impact of wave and current

图5 海管侧向位移示意图Fig.5 Schematic of lateral displacement of submariner pipeline

归纳法描述由一些无量纲参数经经验公式计算得到海管侧向位移。

其中:

式中:ws为海管单位长度水下重;ρw为海水密度; D为海管外径;Us为频谱诱导流速;Tu为频谱周期;Uc为垂直作用海管上海水流速;τ为波数T/Tu; γs为土壤干重;γ's为土壤(沙土)水下重。

由上式计算可得到KC，M，N的取值范围，再根据由动态分析归纳总结得出的表格、图像插值得到对应满足条件的最小的管重等信息，以判断其是否满足要求。(经验表格、图像可参考文献［2］)。

静态分析方法基于静态力学平衡方程，计算海底管道稳定条件下的管道最小重量。

静态分析方法设计标准为

其中γsc为安全系数，根据不同海况及工况，其取值不同［2］。和均根据Morison公式获得。

式中:μ为海床介质摩擦系数;ws为海管水下重; FR为海床介质被动摩擦力。，均与KC和M相关［2］，可插值得到。

2.2 海管垂向稳定性分析方法

海底管道垂向稳定性主要研究海底管道在垂直于海床方向是否能保持稳定状态不上浮和有条件的下沉等。需根据路由区海床不同土壤特性，判断海底管道在垂向的稳定状态。

对于砂质海床，因为小颗粒沙土高的浸透性，海底管道能稳定地存在于这样的海床上，只需要校核在砂质海床上的海管水下重是否大于海管浮力即可。

对于粘土质海床，需要校核海管在这样海床地质情况下海底管道是否稳定，主要包括海管是否上浮及粘土质海床是否能支撑海管使其沉降数值满足要求。

粘性质土壤剪切力计算公式如下［6］:

式中:C为不扰动土壤参数;Nc为粘性土参数［7］; Nq为粘性土参数为土壤内摩擦角;Nγ为土壤参数;粘性土取0，砂质土壤取1.50·(Nq-1)tanφ［7］;γs为海管水下重; d为海管沉降深度;B为海管沉降海床接触宽度。

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

校核:

式中:ws为海管水下重;Dc为海管外径 (包含防腐涂层及混凝土涂层);d为海管沉降深度;B为海管沉降海床接触宽度。

3 结语

通过上面对海底管道稳定性设计参数和分析方法的研究，可从以下几方面进行海底管道稳定性设计的优化:

1)增加管体相对重量，可通过增加海管壁厚或增加混凝土配重层等实现;

2)海底管道部分埋设或者全部埋设处理;

3)挖沟铺设海管，自然回填;

4)使用压块或者桩基固定铺设在海床上的海底管道。

海底管道设计是海管设计中复杂分析工况，除应用上述分析方法和优化方法外，还要根据具体情况做附加分析，如对于埋设和非埋设海管的稳定性分析［8］，对于高温高压海底管道及侧向位移偏大的海底管道要进行屈曲分析［9］，对于路由海床不平整的海底管道要进行海底管道不平整度分析［10］;对于深水海底管道要考虑铺设残留张力对海底管道稳定性的影响等。

［1］ 李志刚.深水海底管道铺设技术［M］.北京:机械工业出版社，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.