海底管道稳定性分析计算

蒋岚岚　王领

摘 要：本文基于DNV2010年海底管道稳定性设计规范DNV-RP-F109，使用Plusone软件对某海底管道进行了设计分析，通过对计算结果的分析选取合理的混凝土厚度。

关键词：海底管道；稳定性 ；混凝土厚度

中图分类号：TE832 文献标识码：A

Abstract： Based on DNV-RP-F109 “On-Bottom Stability of Submarine Pipeline” in 2010， on-bottom stability of a submarine pipeline is calculated and analyzed by using the Plusone software and the concrete thickness is determined according to the analysis.

Key words： Submarine pipeline； On-bottom stability； Thickness of concrete

1 引言

海底管道稳定性设计是海底管道设计的重要部分，对海底管道稳定性分析的合理性直接影响着管道在整个运营周期内的安全和经济效益。若管道在海流、波浪和浮力作用下不能保持在海床上的稳定性，可以采取提高管道的水下重量、给管道锚固或压块等固定或者在海床上开设沟槽进行埋设等措施。管道水下重量的提高可通过增加壁厚或施加混凝土配重涂层来实现，而后一种方法是最常用的方法。

本文基于DNV最新规范[1]进行海底管道稳定性分析，选取合理的混凝土厚度。

2 稳定性分析方法

海底管道稳定性分析方法，从发展过程上看，大致可分为两个阶段： 1988年以前为静态分析阶段1988年以后为动态分析和半动态分析阶段。

1）静态分析方法是传统的分析方法，即对管道在自身重力（Wsub）、波浪和海流产生的升力（FL）、阻力（FD）、惯性力（FI）以及土的摩擦力作用下的静态平衡进行分析的方法。用这种方法计算出的管道配重较大， 大大增加了工程投资，因此已基本上被淘汰。

2）动态分析方法是时域解法，其基本原理是：波浪作为周期性动力荷载作用在管道上，管道在波浪荷载的作用下，在海床上发生往复运动。管道的这种运动对海床土壤产生扰动，使海床土壤的抗力大大降低，管道就在这种海床上逐步下沉。当管道下沉到一定程度后，波浪—管道—土壤的相互作用达到一种新的平衡。在动态分析方法中，水动力、管道下沉和土壤侧向阻力是时间的函数。方法要求以完整的海况过程为条件，计算需较长时间，且由于沿管道路取得足够精确的环境和工程地质数据极为困难，有时甚至是不可能的因此动态分析方法不太常用。

3）半动态分析方法是建立在对动力分析结果归纳基础上的分析方法。它将动态分析中次要的因素忽略，采用准静态分析的公式进行计算，能用较短的计算时间得到较为精确的结果，是一种工程界较为实用的方法。

DNV海底管道稳定性设计规范是国际上流行的半动态分析方法，主要有1980年出版的DNV-RP-E305[2-3]以及2007年推出的DNV-RP-F109。规范规定了半动态分析方法允许的侧向位移范围从0.5倍管径到10倍管径。

3 计算基本数据

本文分析计算的海底管道属于30万t级单点系泊输油终端。单点位于离岸约22.5 km、水深约为26.3 m的海域。

由于本文研究的海底管道铺设后在海床上开设沟槽进行埋设，因此仅对空管道状态（安装时）一年一遇风暴条件进行稳定性校核。校核计算采用DNV-RP-F109半动态分析方法，使用Plusone软件进行。

3.1 管道的基本数据

3.2 计算工况及环境数据

见表2。进行安装期的管道稳定性分析，考虑相应环境荷载，并考虑管道在此期间是充满气体的。为了减少对混凝土涂层的要求，采用了下列假设：管道安装在10月～6月的非台风季节安装；如果铺管时遭遇台风，管道将被弃管，待台风过后再行拾管，继续铺设。

3.3 土壤资料

见表3。本文研究的海底管道走廊带的土质类型主要有3种：瘦粘土或含砂瘦粘土、肥粘土或含砂肥粘土、粘土质砂或粉土质砂。本文选取7个海底管道走廊带上的典型点对其稳定性进行了分析计算。

4 计算结果及分析

4.1 计算方法

本文采用Plusone软件，对海底管道所处的走廊带不同水深进行了分析。

考虑到该地区的环境条件及其他情况，该海底管道铺设后进行埋设，埋管深度为海管顶部距海床表面下2 m，因此本文仅对安装期间裸露在海床情况下时的稳定性进行分析。安装期间环境数据取与安装相关的1年一遇的相关数据，包括流速、波高和周期以及水深。为保证海底管道的安全，根据海底管道路以及相关的环境资料，在计算中海流几乎与管道垂直，波浪与管道呈50°夹角。

4.2 计算结果

本文使用Plusone软件计算出不同水深处满足DNV-RP-F109规范稳定性要求所需的混凝土厚度Lstable和L10，具体结果见表4。

4.3 结果分析

从表4可知，满足规范要求的Lstable最小混凝土厚度为167 mm，实际施工中该厚度过大不便于施工，且在安装过程中海底管道的侧向位移不需要小于0.5D，因此综合考虑经济性以及可行性，选取的混凝土厚度为110 mm。从表4可知，在P1～P4处实取的混凝土厚度大于Lstable；P5～P7处实取的混凝土厚度小于Lstable。但是P5～P7点根据Plusone输出的Lstable和L10结果并根据公式（1），推算出在采用110 mm混凝土时可能产生的最大侧向位移。从表4可知，在水深7 m侧向位移最大为2.48D（即3 m）在工程实际中满足要求。故选取混凝土厚度为110 mm是合理的。

5 结论

通过本文的计算分析，可以得到如下结论：

1）所需的混凝土层厚度随着计算水深的增加而减小。

2）海管壁厚和混凝土层的厚度要结合经济性以及可行性等综合考虑选取。壁厚太厚造价高；不经济；混凝土层太厚对铺管设施和方法提出更高的要求，增加了施工难度。

3）管道铺设区域的环境条件对混凝土涂层选取影响很大，可选择在10月～6月的非台风季节进行铺管工作，以减小混凝土涂层要求。

本文的稳定性处理方法对其相关设计具有一定的指导意义。

参考文献

1. DNV. On-Bottom Stability of Submarine Pipeline. DNV-RP-F109， 2010.

2.钟仕荣. 海底输油管道的稳定性分析[J].北京石油化工学院学报，2004，3.

3.陈思，赵冬岩. 新规范中海底管道稳定性半动态分析方法的比较研究[J].

中国造船，2009，11.endprint