海底长输油气管道的隆起屈曲分析

余志兵， 孙国民， 王 辉， 高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

海底长输油气管道的隆起屈曲分析

余志兵， 孙国民， 王 辉， 高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

该文基于Palmer等研究学者提出的半经验解析公式，探讨了海床几何初始缺陷、温降及土壤特性等因素对分析结果的敏感性。结合工程计算所需的前提假设，通过使用自编程序对一工程实例进行分析，结果表明该方法的计算量小、直观性强，对工程设计具有一定的指导意义。

长输海底管道；高温高压；初始几何缺陷；隆起屈曲

0 前言

随着海上油气资源不断地开发与利用，高温高压海底管道的工程应用逐渐增多，同时海底管道在温度与压力下的变形问题也逐渐显现出来。对于埋设在海床以下的管道,受管沟不平整度及海床土壤约束的影响，管线无法自由变形,应力不断累积,当应力值超过上覆盖土体抗力时,管线将发生竖直方向的弯曲大变形,最终发生失效而破坏[1，2]。

通常可以采取一些工程附加措施以避免海底管道发生隆起屈曲，例如加大管道埋设深度，增加管道配重厚度，提高铺设后的残余张力及改变管道结构形式等[3，4]，特殊情况下还可以采取降低工艺输送要求的方式，达到减小管道轴向压力的目的。而对于高温高压长输埋设海底管道，为抑制其隆起屈曲变形，考虑到工程经济性，一般会选取增大管道埋设深度或增加上覆盖土厚度等方式。但在工程设计阶段，若过于保守地考虑一些基础参数，同样会导致较高的工程施工费用。因此，在开展长输海底管线的隆起屈曲分析时，应着重考虑环境因素变化的影响。

该文基于Palmer等学者提出的隆起屈曲分析中经典的孤立点支撑模型及半经验解析公式[5]，假设了一些必需的工程分析前提条件，结合工程实例，分析了管道路由的土壤特性、输送介质温度变化及海床沟槽位置的几何初始缺陷等因素对抑制管线发生隆起屈曲所需的最小上覆盖土厚度的影响，数值计算得出的结果可以用于指导工程实践。

1 上覆土体抗力

对于要求埋设的海底管线，一般会在铺设完成后执行挖沟作业。当管线沉入沟槽内，管沟周边的土壤受海床表面波流的共同作用而自然回淤到管线上方，直至完全填满整个沟槽。若该土壤属性为粘性土，尽管经过了扰动，但仍会对管线产生一定的垂向抗力。基于Schaminee分析模型[6]建立的上覆盖土体抗力计算公式被工程界普遍应用。

对于砂土

q=γsub·H·D·

对于粘土

q=c·D·

式中:q为垂直向上抗力；H为土壤覆盖高度；D为管道总外径；c为土壤的剪切强度；γsub为土壤的浮重；f为修正系数，当为密致材料时取0.5, 当为疏松材料时取0.1。由于挖沟及回填的影响，土壤会受到扰动，所以粘土的剪切强度会有所减小。

2 埋设管线的有效轴力

海底管线内部碳水化合物的温度远超过周围环境海水的温度，因此，当其流过管线时，管线材料的两端会产生较大的热膨胀位移，如图1所示，水平段管线(假设为直管)受到内外压力引起的作用力FP，温度效应引起的作用力FT，轴向摩擦力Ff的共同作用[7]。

图1 埋设管线轴向受力分析

长输管线的沿线温降是由于输送介质与周围分质之间温差的热交换引起的,一般呈曲线变化, 其温降计算的表达式为[8]：

式中：t1为管道入口端温度；t2为管道出口端温度；t0为周围介质温度；L为管线长度；β为温降指数。

对于埋设管线，土壤的摩擦阻力可按公式(4)进行计算[9]：

式中：μ为土壤的摩擦系数；ρ为土壤的密度；g为重力加速度；h为管道埋设深度(海床面至管中心)；D为管道的总外径；无量纲参数k0=1-sinφ，φ为土壤的内摩擦角。

对于完全约束的管线和部分约束的管线，有效轴力可按式(5)和式(6)计算[10]：

式中：P为管道的有效轴力；N为铺设后的残余张力；Δpi为内外压差；E为杨氏摸量；α热膨胀系数；ΔT为温差；Di为内管管径；p为内压；As为钢管的截面积；t为钢管的壁厚；ν为泊松比。

3 隆起屈曲分析

Palmer等学者在20世纪90年代提出了一种半经验分析方法，以评估高温海底管线的隆起屈曲行为[3]。该方法将海床的初始缺陷简化成孤立的点支撑模型，并假定该模型为对称结构，基础为刚体，管线材料为线弹性。一些研究认为，当从埋设管道的管沟位置处无法获得准确及可利用的缺陷高度调查数据时，可以通过Palmer经验公式的解析解，快速判断管线是否发生隆起屈曲，该方法典型的管线几何及受力模型如图2所示。其中：δ为管沟初始缺陷高度；L0为波长；P为有效轴力；w(x)为管道的垂直向下载荷。对于埋设海底管道，受到的载荷包括温度及压力效应产生的轴向力、自身重力、初始缺陷引起的垂向位移及上覆盖土对管道产生向下的抗力。

图2 独立支撑模式的管线几何模型

3.1Palmer半经验解析法

Palmer将管线等效成基本的梁单元，根据静态平衡方程，得出如下的微分方程：

式中：w(x)为单位长度管道所需的向下载荷；E为杨氏摸量；I为惯性矩；x为水平轴；y为垂直轴；P为有效轴力。

通过上述公式的解析解，得到半波长L与缺陷高度δ之间的关系如式(8)所示:

式中：δ为海床平面几何缺陷高度；E为杨氏摸量；I为惯性矩；Wsub为管道的水下重置。

该解析法的求解过程引入了两个无量纲参数ΦL及ΦW，其中：ΦL为表征缺陷长度；ΦW为表征最大垂向向下载荷，相应的计算公式如式(9)所示：

ΦL=L×

式中：P为管道的设计有效轴力；L为半波长。

根据万有设计曲线，ΦW与ΦL之间的关系如式(10)所示：

因此，根据式(7)～式(10)，可以求解抑制管道隆起屈曲所需的向下载荷w:

3.2 敏感性分析

许多工程实际表明埋设管线的形状是弯曲的，具有一定的初始缺陷，这种缺陷主要是由于海床或海底地貌特征的不规则性造成的。当海底地貌不平整时，如不规则的岩石、跨越管线，就形成了初始变形。在高温高压状态下，海床或管沟底面呈现的缺陷高度严重影响海底管道的整体屈曲响应。若在设计过程中，缺乏管道路由段海床的水深调查数据或者存在大量不可靠的基础数据时，有必要针对缺陷高度进行敏感性分析。通常，缺陷高度范围根据经验值选取，管线路由挖沟深度位置的初始缺陷从0.1 m～0.5 m变化[11]。

4 工程算例

4.1 项目描述

以中国东海某油气田采用的单层配重管道为例进行隆起屈曲分析。该管道由钢制内管外带混凝土配重层组成，外防腐涂层为3层PE，厚度为3.1 mm，密度为940 kg/m3；配重厚度为40 mm，密度为2 950 kg/m3；管道总长度为162 km，管道输送介质为油和水，密度为960 kg/m3；内腐蚀裕量为3 mm。管道结构相关设计参数见表1。

表1 管线设计参数

管线的设计压力为8 MPa、入口温度115℃，出口温度60℃；安装温度为15.4℃，海水密度为1 025 kg/m3。管道路由水深范围100 m～120 m。该算例列出路由区域内的11个主要钻孔点，管线路由土壤数据见表2，管道的设计埋深为至管顶1.0 m。

表2 管线路由土壤数据

4.2 工程分析假设

为了便于数值程序的编写及运行，基于管道在运营期间的实际情况，该文的分析计算提出如下前提假设[12]：

(1) 保守考虑，管线铺设后的残余张力为0；

(2) 沿着管线方向内压恒定，介质温度呈曲线变化；

(3) 回填覆盖土的浮重取值为原状土浮重的75%[13]；

(4) 同一属性的土壤钻孔之间的土壤特性呈线性变化；

(5) 为应对可能出现操作期间存在的变化，有效轴向力的大小保守考虑1.5倍系数；

(6) 假设管线在铺设期间为空管，回填前充满水；

(7) 仅考虑不发生内腐蚀的操作工况。

4.3 计算结果

工程算例仅考虑管道的操作期工况，通过自编计算程序，得出管道的有效轴力分布，如图3所示。由于海底路由存在砂土和粘土两种土壤属性，因此该算例分别考虑了路由全为砂土及全为粘土两种分析工况，之间求得的覆盖土厚度的最大值将作为工程参考值。不同缺陷高度下对应的计算结果见表3，砂土回填高度如图4所示，粘土回填高度如图5所示，管道全长回填高度如图6所示。

图5 粘性土对应的回填高度 图6 管道全长对应的回填高度

表3结果表明，管线全长在0.5 m缺陷高度下所需最大回填厚度为0.503 m，小于设计埋设深度1.0 m，因此认为该管线在操作期间不会发生隆起屈曲。

5 结论

该文介绍了Palmer等学者提出的埋设海底管道隆起屈曲分析中经典的孤立点支撑模型及常用的半经验解析公式，结合工程实例对长输海底管道的隆起屈曲问题展开了研究，文中还着重研究了不同土壤属性和海床初始几何缺陷对上覆盖土抗力的影响，结果表明：

(1) 对于长输管道，考虑其全程的温降，不仅能够反映管道的真实受力情况，而且为判断隆起屈曲的发生提供更为优化的设计依据。

(2) 不同土壤属性范围内的管段所要求的最小埋设深度存在明显差异。相对砂土而言，扰动后的粘土剪切强度有所下降，竖向抗压也相应减弱，则所需的最小覆盖厚度要大。

(3) 在单一模型下，有效轴力及海床的不平整度成为触动管道发生隆起屈曲的主要因素。在工程实际操作中，可以通过采取一些措施，如保留铺设后的残余张力、在管道两端设置合适的膨胀弯或在路由局部位置选择性抛石保护，以防止管道在未来运营期间发生隆起屈曲。

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Upheaval Buckling Analysis of Long Offshore Multiphase Pipeline

YU Zhi-bing, SUN Guo-min, WANG Hui, GAO Song

(Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300452，China)

Based on the semi-analytical formulation proposed by Palmer et al, the sensitivity of analysis results influenced by geometry imperfection, temperature decreasing and soil parameter were investigated. Combined with the assumption required in the practical project, an example will be analysed by in-house program, which can direct the engineering application.

long offshore pipeline; high temperature and pressure; initial geometry imperfection; upheaval buckling

2013-11-22

工信部高技术船舶科研项目“3 000米水深大型起重铺管船自主研发”资助。

余志兵(1979-)，男，工程师。

1001-4500(2015)02-0064-06

P

A