西非深水海底管道沉降分析

张宗峰

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257000)

西非深水海底管道沉降分析

张宗峰1,2

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257000)

基于西非深海安哥拉32区块KAOMBO油田实际工程，对海底管道沉降进行了理论分析和数值计算，考虑了极浅层土力学参数的不确定性，认为土体不排水抗剪强度对管道沉降的影响不可忽视，随着土体强度的增加，管道沉降量呈指数衰减，当土体强度达到2.0 kPa时，管道沉降量趋于一致。同时考虑了管道安装过程中纵横向摆动对管道沉降的影响，引入了动力系数，考虑管道触泥点处应力集中产生的附加沉降，荷载集中系数随管道弯曲刚度和土壤刚度增加而增加，随铺设张力的增加而减小，并区分“轻”“重”管道进行了沉降分析，结果与几内亚湾和安哥拉海域实际工程和现场实际观测数据相符。

海底管道；重塑土强度；土壤敏感系数；铺设动力放大系数；附加沉降

Abstract:The settlement of subsea pipeline is analyzed theoretically using FEA method,based on Kaombo project in Angola of West Africa,in which soil parameters uncertainties in shallow layer are considered.Undrained shear strength of soil shall not be ignored,as with the increase of soil strength,pipeline settlement is in exponential attenuation.When the strength of soil is higher than 2kPa,the pipeline settlement gradually reaches the same value.Installation amplification factor is introduced in the analysis of additional settlement caused during installation,and subsea pipeline is distinguished as “light” or “heavy” upon effective weight.Load concentration at pipe touch-down point increases the pipe penetration,and the load concentration factor increases with the bending stiffness of the pipeline and the soil stiffness,and decreases with increasing lay tension.Moreover,the experience from the Gulf of Guinea and Angola engineering and the actual observation data prove the reliability of the result.

Keywords:subsea pipeline; remodeled soil strength; soil sensitivity factor; installation amplification factor; additional settlement

近年来，随着越来越多的油气资源在水深超过500 m的深水区获得发现，西非深海石油开发面临前所未有的大好前景。海底油气管道作为深海油气田开发生产系统的主要组成部分，其在位稳定性尤其是高温高压管道的整体稳定一直是研究的热点，分析管道的稳定性，管道的沉降量是一个重要参数[1-4]。20世纪80年代以来，许多国内外科研机构深入研究了海底管道的沉降问题，得到了一些的研究成果。Karel[2]根据塑性理论提出了极限分析方法，在自重作用下，裸置于海底的管道会在土体中产生自沉，自沉的深度跟管重及土体性质有着密切关系；Brennodden等[3]以试验为基础，提出了以能量耗散为基础的管土相互作用模型，认为在往复荷载的作用下，管道所产生的沉降来自于管道振动所产生的能量；刘润等[4]对半埋管道进行静置沉降试验和往复荷载作用下管道水平向阻力及沉降试验，给出了土体水平向阻力的表达式。对于管道沉降量而言，还有许多需要研究内容，如土体本构模型的正确选取，施工铺设影响，土体与管道之间接触面影响的问题，土体在载荷作用下的应力发展，孔隙水压力对管道沉降的影响，以及土体进入塑性状态时的破坏分析等。因此，本文基于西非安哥拉32区块实际工程，寻求与实际检测沉降结果相符的沉降量分析方法，为管道稳定性设计提供依据。

1 工程背景

基于西非海域安哥拉32区块KAOMBO油田进行分析，该油田区块所在海域水深1 500～2 200 m。海底管道系统分为南北两部分。其中，生产管道(外径323.9 mm)采用“J”型铺管方式，不埋设，输送气液两相流。由于管道所在海床表面极浅层的土体特性在很大程度上决定了裸置管道的运动响应，为了考虑极浅层土体参数不确定性对管道沉降量带来的影响，计算中考虑了土体强度的上、中、下限值。该海域海底覆盖着不排水强度较低且高塑限高含水率的软黏土[5]，土体参数如表1所示。

表1 土体剪切强度参数Tab.1 Shear strength profiles

在管道铺设施工过程中，通常会导致表层黏土扰动，管道沉降计算通常采用全部或者部分重塑土强度，而重塑土的强度根据西非海域工程设计经验，采用未扰动土强度/土壤敏感系数(St)。

由于该管道输送气液两相流，管道分为两部分，气相上升至地势较高的管道部分时管道的自重较小(为326 N/m)称为轻管部分；液相下降至地势较低的管道部分时管道的自重则较大(为763 N/m)称为重管。考虑到管内输送的气液两相流导致管道自重发生变化这一实际情况，故管道沉降分析时需研究管道在不同重量下沉降特性。此外，管道外径和铺设过程中的摆动也是影响管道入泥深度的重要因素。故在管道沉降研究时着重分析土体强度、管道重量、管道直径和管道铺设四个参数对管道沉降量的影响。

2 计算模型

在计算管道的沉降量时既要考虑管道自重引起的沉降又要考虑安装过程中管道横向和纵向位移产生的附加沉降，计算模型简化如图1所示。其中，D为海底管道外径；z为管道沉降量；B为管土接触面泥面处宽度；θ为贯入角。

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

图2 土体剪切强度强度随深度变化Fig.2 Variation of soil strength with depth

由于该海域土体强度随深度变化十分剧烈，土体的上限强度、中值强度和下限强度差异较大，如图2所示，且土体强度随深度分布异于天然状态下土体强度随深度的分布，故在计算中考虑土体强度随深度的变化情况，以还原工程真实状态。

3 管道自沉计算

3.1自沉理论计算方法

要计算管道沉降量，首先确定海底管道基础极限承载力，计算在安装过程中管道自重下产生沉降引起的土体静摩阻力可以采用以下公式，土体剪切强度分别取重塑土的上下限值：

式中：Su为未扰动土不排水剪切强度；St为软土敏感系数(下限值时取3.5，上限值时取6.5)；Nc为承载力系数，采用基于光滑管道的塑性解，运用简化幂律计算Nc。

采用下式适用于各类不排水抗剪强度计算Nc[6]：

式中：θ取弧度值。

计算采用极限分析法，是采用理想弹塑性体(或刚塑性体)本构模型，分析管道在受载状态下的静力、变形、边界及本构条件达到平衡的一种方法——上限定理和下限定理。应用上限定理计算极限承载力上限，包括四种机动法：转动机动场、平动机动场(两种)和普朗特尔机动场[7]。

图3 管道沉降有限元模型Fig.3 Subsea pipeline FEA model

3.2数值分析

有限元数值模拟海底管道沉降分析时，采用ABAQUS建立海底管道有限元模型，土体采用摩尔-库伦模型，如图3所示。

采用上述理论计算方法和有限元数值模拟分别对海底管道沉降量进行了敏感性参数研究，并将理论计算结果与数值计算结果进行对比，得到了基于西非海域的管道沉降规律。

3.2.1 管道直径对沉降的影响

采用控制变量法研究管道直径对沉降的影响时，管道直径为变量(变量步长取50 mm)，最小外径200 mm，最大外径550 mm，管道水下单位长度重量Psub和土体强度为常量。管道内部无液体，即Psub为单位长度空管水下重量。由于土体强度有上限、中值和下限三种强度，分别计算三种不同土体强度下管道直径对沉降的影响。采用数值方法和四个理论公式对海底管道在相同管重Psub和土体强度条件下的沉降量进行计算，并将计算结果进行对比，如图4所示。

图4 不同管径管道沉降量Fig.4 Comparison of settlement for different-diameter pipelines

由图4可知：1)三种不排水剪强度土体模型中，海底管道在相同水下重量作用下，沉降量均随着管径的增加而减小，这是因为随着管径的增大作用于管道上的平均重量逐渐减小，以及相同埋深z时管土作用面积也会增大。2)在三种土体强度模型中，四种理论计算结果均体现出了一致的规律性，即普朗特尔计算结果较大、转动机动场法次之，平动机动场法最小，这主要与理论假设和土体破坏面的假定有关。3)数值计算结果位于理论计算结果之下，且与两者存在一定误差，这是由于数值模型中土体不排水剪强度随深度分布不均匀，而理论模型中假定土体为均一强度，两者存在差异造成的。另一方面四种理论计算方法均为上限法，故其计算结果大于真实解和有限元解。

3.2.2 管道重量对沉降的影响

研究管道重量对沉降的影响，管道重量Psub为变量(变量步长取50 N/m)，管径和土体强度为常量，计算时Psub的变化范围为500～850 N/m。与上述分析过程类似，分别计算三种不同土体强度下管道的沉降量，结果如图5所示。

图5 不同重量管道沉降量Fig.5 Comparison of settlement for different-weight pipelines

由图5可知：1)在三种土体强度模型中，管道沉降量均随着管重的增加而增大；2)四种理论计算结果均体现出了一致的规律性；3)数值计算结果位于理论计算结果(上限值)之下，进一步验证了理论解的可靠性。

图6 不同土体强度下管道沉降量Fig.6 Comparison of penetration for different soil strengths

3.2.3 土体强度对沉降的影响

研究土体强度对沉降的影响时，土体强度为变量(变量步长取0.125 kPa)，管道重量Psub和管道尺寸为常量。土体不排水剪强度变化范围为0.5～2.0 kPa。分别计算不同土体强度下管道沉降，结果如图6所示。

由图6可知，土体强度对管道沉降的影响不可忽视，四种理论计算结果均表明，随着土体强度的增加管道沉降量呈指数衰减。当土体强度达到2 kPa时，四种理论解计算结果趋于一致。

4 铺管引起的管道附加沉降

4.1附加沉降理论分析

海底管道施工安装过程中，由于船舶的垂向和横向运动会使管道产生动力效应，管道触泥点处由于应力集中，导致管道产生附加沉降，故引入铺设动力放大系数Klay。理想情况下，海管与海床面接触点的分析应选取一个合适的铺设放大系数Klay[8]，且Klay随着W′/D比值增加而变小，当T0/λW′≥3(λ2=EI/T0)时，采用下式考虑管道在触泥点处的铺设放大系数。

式中：W′为管道的水下重量；EI为管道抗弯刚度(kN/m2)；k为海床土体垂向刚度(kN/m/m)；T0为管道铺设残余拉力(kN)。管道触泥点处荷载集中，管道产生附加沉降，荷载集中系数随着管道弯曲刚度和土壤刚度的增加而增加，随着铺设张力的增加而减小。

根据NGI在2012年的重塑土模型实验表明[5]，垂向位移较小的海底管道海床土体垂向刚度大概等于Su的100～200倍。然而在管道沉降的情况下，土体垂向刚度变小，故采用平均土体垂向刚度。根据地质勘察报告可以得到管道垂向荷载-沉降位移曲线如图7所示，海底管道海床土体垂向刚度取垂向荷载下管道沉降曲线切线刚度值。

图7 管道垂向荷载-沉降位移曲线Fig.7 Load penetration curves for assessment of soil stiffness

通常来说，在海底管道铺设阶段管道内的残余拉力T0是很难确定的。为得到放大系数Klay，引入归一化参量EIk/(W'R)2，与管道浮重、管道半径和弯曲应变率相关，其中弯曲应变率根据工程经验和材料属性一般取0.2%，归一化参量EIk/(W'R)2与Klay之间的关系曲线如图8所示。

图8 Klay管道弯曲刚度、重量和土体刚度关系曲线Fig.8 Assessment of Klay from pipe bending stiffness,weight and soil stiffness

为方便附加沉降分析，引入参数W′/D将管道水下重量分为，“重管”(W′/D≥3 kN/m/m)，“轻管“(3 kN/m/m≥W′/D>1 kN/m/m)和”超轻管”(W′/D≤1 kN/m/m)三类。对软土海床上铺设放大系数的选取： ①对“轻管”，管道自重较轻或安装时空管，Klay取2；②对“重管”，管道自重较大，如双层管、柔性管或者铺设时充水管道，放大系数Klay取图8中对应数值。

4.2数值分析

铺管过程中管道的摆动会对土体产生扰动，由于深海表层土体强度较低灵敏度系数较大，故该扰动会造成剧烈的土体强度变化，进而对管道沉降产生影响。由于该工程管道铺设时为空管安装，且管道自重较轻(W′/D=1.78 kN/m/m)，故计算铺管引起的沉降时，放大系数Klay取2，采用土体的重塑强度计算，有限元分析结果如表2所示。

表2 不同土体强度下管道安装沉降量Tab.2 Installation additional settlements for different soil strengths

由表2可知，铺管时管道的沉降量大于自沉，当采用土体下限重塑强度计算时沉降量最大，达到0.150 6 m。海底管道的沉降量介于0.25D～1.0D之间。

5 管道最终沉降量选取

根据计算分析结果并借鉴NGI室内实验成果，结合现场调查资料，对管道沉降量的取值推荐如下：

1)根据式(1)取未扰动不排水抗剪强度进行充水管道(如水压试验)沉降计算，若其计算值大于安装过程中的管道附加沉降值，那么沉降量取该数值。

2) 根据式(1)取重塑土壤强度计算管道自身重量引起的沉降，若小于安装过程中管道的附加沉降，则采用海底管道安装动力影响系数下的计算沉降量。

3) 对于“超轻”管道，须考虑水平循环运动导致的管道附加沉降，水平循环模型试验结果[9]显示，即使循环次数较少(少于10次)，也将会产生20%～30%D的附加沉降。在此情况下，取横向运动引起的管道沉降，如下式：

式中：S为Fc/(DSur)；G为Sur/(Dγ)；a为横向位移(通常取0.1D)；D为海管外径；Fc为接触力(管道浮重×Klay作用于管道上的起吊力)；Sur为重塑土不排水抗剪强度；γ为土体容重。土体参数取上限值时选用式(5)，土体参数取下限值时选用式(6)。

图9 B18 GTP注气管道调查照片Fig.9 Site survey of gas injection pipeline of B18 GTP

4)根据现场调查，充水安装管道的平均沉降量接近50%D，18区块生产管道沉降量30%～75%D[10]，如图9所示，注气管道平均沉降量50%D，趋势随着靠近凹陷盆地的中心，埋深增加。结合几内亚湾其他现场实际观测数据，几内亚湾和安哥拉海域，海底管道的最终沉降量一般大于25%管道直径，而小于管道自身直径。另外，影响管道沉降的因素很多，诸如海洋环境作用、铺管施工方式等，故影响管道沉降量的多种因素还需要进一步探讨。

6 结 语

基于西非安哥拉32区块KAOMBO项目实例，采用理论分析、数值模拟的方法，并引用部分室内实验成果，分析了管道直径、管重和土体强度以及铺管对管道沉降量的影响，研究结果表明：

1)考虑极浅层土力学参数选取的不确定性影响，管道直径和管重对沉降量的影响较大，管道沉降量与管径成反比，与管重成正比，数值计算结果均位于理论计算上限解之下，且两者体现出了较好的一致性；土体强度对管道沉降量的影响不可忽视，随着土体强度的增加，管道沉降量呈指数衰减，当土体强度达到2.0 kPa时，四种理论计算结果趋于一致。

2)考虑了管道安装过程中纵横向摆动对管道沉降的影响，引入了动力系数，考虑触泥点处应力集中产生的附加沉降，荷载集中系数随管道弯曲刚度和土壤刚度增加而增加，随铺设张力的增加而减小，并区分“轻”“重”管道进行了沉降分析，结果与几内亚湾和安哥拉海域实际工程和现场实际观测数据一致。

3)结合几内亚湾和安哥拉海域工程项目，对海底管道最终沉降量的选取进行了分析，通常管道沉降量介于0.25D～1.0D之间。

4)影响海底管道沉降的因素多种多样，如海洋环境、土壤条件、铺设作业条件等，数值分析法作为计算分析工具之一，仅作为设计估算的参考依据，在实际工程中如条件许可，应采用实际测量的沉降数据。

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On-bottom settlement analysis of subsea pipeline in deepwater of West Africa

ZHANG Zongfeng1,2

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Sinopec Petroleum Engineering Co.Ltd,Dongying 257026,China)

P756.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.008

1005-9865(2016)01-0058-07

2014-11-10

国家自然科学基金资助项目(51379142)；国家海洋公益性行业科研专项(201005005)

张宗峰(1979-)，男，山东蒙阴人，博士，高级工程师，从事海底管道的设计和科研工作。E-mail：zonephone@gmail.com