海底单层保温配重管道安装分析方法研究

刘新帅，孙国民，余志兵，李 庆，冯现洪

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

海底单层保温配重管道安装分析方法研究

刘新帅，孙国民，余志兵，李 庆，冯现洪

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

海底单层保温配重管道由于制造成本低、铺设效率高，目前已在我国许多近海边际油气田项目中得到应用。从力的传递和变形协调条件出发，对安装状态下的单层保温配重管进行了受力分析，然后采用有限元程序ABAQUS建立单层保温配重管和托管架的三维模型，对其S型铺设过程进行模拟分析，获得了单层保温配重管铺设期间各层的应力分布、层间剪应力以及弯矩沿管线的分布情况。研究工作和分析结果将为单层保温配重管道的安装分析方法提供设计参考，并可为其铺设施工提供实际指导。

海底管道 单层保温配重管 安装分析 有限元

0 引 言

我国近海边际油气田生产的原油大多要求采用保温海底管道输送，之前常用的双层保温管道结构，采用钢管作为保护管很不经济，而且现场施工还需要内外管焊接，这在很大程度上降低了铺管效率，增加了安装费用。单层保温配重管道即“钢管层＋底层防腐层(FBE)＋聚氨酯保温层＋聚乙烯夹克管(HDPE)＋混凝土配重层”的结构形式(见图1、图2)，这种结构施工工艺合理，制造成本低，铺设效率高，目前在许多项目上已经取代了“钢管＋保温层＋外套钢管”的双层管结构。

图1 单层保温配重管节点设计示意图Fig.1 Single layer insulated pipeline joint design

图2 单层保温配重管道横剖面图Fig.2 Single layer insulated pipeline section

1 单层保温配重管道安装状态下受力分析

在安装过程中，海底单层保温配重管道主要由内部的钢管来承受轴向拉、压荷载，然后通过层间剪力再传递到其他各层。各层之间的抗剪强度是安装设计中需要考虑的重要参数，如果参数未能满足要求，管道可能将产生层间滑脱，破坏管道的完整性，导致保温性能下降。因此，保温层剪应力和层间剪应力的计算是单层保温管道结构设计的关键。此外，由于防腐层只有很薄的一层(3,mm)，对管道本身的结构强度影响很小，因此在研究中忽略了该层的影响。

单层保温配重管道安装时的各层受力情况如图3所示。

图3 铺设安装期间单层保温配重管道各层变形及层间受力图Fig.3 Single layer insulated pipeline distortion & stress during installation

2 单层保温配重管道有限元安装分析方法

有限元法是求解安装状态时单层保温配重管应力的有效方法，其原理是用相互连接的有限梁单元系统来模拟管道，对每一段管道单元导出弯曲方程式，各边界条件与管道单元之间相适应，然后将方程组列成矩阵算法求解。目前广泛应用的海底管道安装分析程序是OFFPIPE，但由于OFFPIPE无法模拟管道各层间的相互作用，因此不适用于单层保温配重管道的安装分析。

本文采用通用有限元程序ABAQUS对安装状态下的单层保温配重管道进行模拟分析，采用PIPE31,H管单元分别建立了钢管、保温层、防护层及配重层的三维模型，各层之间采用ITT31单元相互联接以协调整体的变形，根据某铺管船和托管架的总体布置图建立了托管架的结构模型，采用集中力来模拟张紧器对管道的拉力，然后基于非线性有限元法大挠度梁理论进行求解。单层保温配重管道模型横截面及安装模拟分析步骤分别如图4、图5所示。

图4 单层保温配重管道模型横截面示意图Fig.4 Cross section of single layer insulated pipeline model

图5 单层保温配重管道安装模拟示意图Fig.5 Simulation of single insulated pipeline installation

3 工程算例

3.1 材料参数

本工程计算实例采用的材料设计参数基于渤海某油田项目拟使用的单层保温配重管道结构(见表1)。

表1 单层保温配重管道各层特性参数Tab.1 Single insulated pipeline characteristic parameters

3.2 有限元计算结果与分析

本工程采用S型铺管方法铺设，目标水深为24,m，管道张紧力为50,kN，计算得到管道Mises应力分布云图如图6～9所示。

从图中可以看出，管道在重力和张紧力的作用下呈S形弯曲，最大应力发生的位置为管道与托管架分离处。

图6 钢管层Mises应力分布云图Fig.6 Mises stress distributing of steel layer

图7 防护层Mises应力分布云图Fig.7 Mises stress distributing of HDPE layer

图8 保温层Mises应力分布云图Fig.8 Mises stress distributing of insulated layer

图9 混凝土层Mises应力分布云图Fig.9 Mises stress distributing of concrete layer

图10 各层剪应力沿管线分布曲线Fig.10 Shearing strength curve distributing along pipeline

图11 各层弯矩沿管线分布曲线图Fig.11 Moment curve distributing along pipeline

图10 为单层保温配重管各层所承受的剪应力沿管线分布曲线图，图11为单层保温配重管各层所弯矩沿管线分布曲线图。从图中可知，钢管层承受了最大的应力与弯矩，其次是混凝土层，而防护层与保温层则相对小了很多；且在铺设分析过程中，管道各层保持了很好的变形协调性与完整性，没有出现层间滑脱现象，所受剪应力也未超出层间抗剪力指标，说明该项目使用的单层保温配重管道结构设计合理，能够满足安装施工的要求。

4 结 论

通过对单层保温配重管的S型铺设过程进行分析，计算其在目标水深下的变形和应力分布，从而获得单层保温配重管各层所受剪应力和弯矩沿管线的分布曲线。得到如下结论：

① 海底土壤对管道最外层的摩擦阻力不得大于管道各层间接触面的剪应力。因此，需保证管道各层接触面保有足够的抗剪切能力，避免发生层间滑脱现象。

② 铺设过程中，管道横截面上钢管层与混凝土配重层承受了绝大部分的轴力与弯矩，夹克防护层、聚氨酯保温层部分则相对小了很多。

③ 管道应力最大点发生在管线与托管架分离处，可以通过调整托管架的角度或滚轮的高度来优化管道的受力情况。

④ 在铺设分析过程中，管道各层保持了很好的变形协调性与完整性，没有出现层间滑脱现象，所受剪应力也未超出层间抗剪力指标，说明工程计算实例中使用的单层保温配重管道结构设计合理，能够满足安装施工的要求。■

［1］ 曹静，王章领，闫澍旺，等. 海底单重保温管道层间轴向剪应力计算方法研究[J]. 中国海上油气，2005(2)：62-63.

［2］ 张晓灵. 单层钢管保温配重新产品在海洋油田中的应用[J]. 石油工程建设，2009(6)：46-47.

［3］ 王金英. 保温海底管道结构现状及其在渤海的发展方向[J]. 中国海上油气(工程)，1991(4)：34-36.

［4］ 杨明华. 海洋油气管道工程[M]. 天津：天津大学出版社，1994.

［5］ 苏翼林. 材料力学[M]. 2版，北京：高等教育出版社，1987.

［6］ 陈铁云. 海洋工程结构力学[M]. 大连：大连理工大学出版社，1991.

Analysis of Installation Status of Submarine Single Insulated Pipeline

LIU Xinshuai，SUN Guomin，YU Zhibing，LI Qing，FENG Xianhong
(Offshore Oil Engineering Co., Ltd.，Tianjin 300451，China)

Due to the low manufacturing cost and high laying efficiency，submarine single insulated pipeline has been used in many offshore marginal oil field projects in China．In this paper，considering the load transfer and deformation coordination condition，the installation state of the single insulated pipe stress was analyzed，and then a three-dimensional model of pipe and the stinger was established with finite element program ABAQUS，calculation and analysis were carried out on the S-lay process of pipeline. The Mises stress，shear stress distribution and bending moment along the pipeline were obtained．The research will provide design references for single insulated pipeline installation method，and can provide guidance for pipelaying in practice.

submarine pipeline；single insulated pipeline；installation analysis；finite element

U175

A

1006-8945(2016)06-0047-04

2016-05-12