浅析碳钢管在复杂地质条件下的不适用性

王文亮

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

在海洋油气开发中，常规的海管铺设对路由选择有如下设计准则：

(1)为了节约工程成本，在满足施工可行性和后期操作维护要求的前提下路由应设计的尽量短。

(2)尽可能地避开与已存在管线的跨越。

(3)尽可能地避开海底障碍物。

(4)选择地势平坦的海床，从而减少管道悬跨情况发生。

(5)满足业主方的其他特殊要求，如壳牌规范明确要求新建管线与已存在管线间的角度不能小于30°，某东南亚海域业主要求新建管线不得与珊瑚发生接触等[1][2]。

传统碳钢管在地质条件较好的海域均能满足上述要求，但在一些地形复杂、多变地质条件下及开发较为成熟的海域，碳钢管的应用存在诸多的限制，坚持使用碳钢管作为油气运输的载体会对施工和后期的维护运营造成一定难度，从而降低工程的总体效益。

1 受限空间内的路由选择

在某些开发成熟的海域，路由布置的空间往往狭小弯曲，需要对管线进行曲线铺设。考虑管土作用及管道应力等因素影响的前提下，碳钢管管线的最小弯曲半径可由下式定义：

其中：H为管道残余张力，μ为土壤侧向摩擦系数，Ws为土壤单重，FR为土壤被动抗力[3]。以上考虑的铺设最小半径应根据海域的实际情况，工程经验及其他因素综合考虑一定的安全余量。同时为了保证路由曲线段的稳定，曲线段两侧要保留足够长的直线段，从而使直线段与土壤的摩擦力大于管线由于弯曲而产生的回弹载荷。

在某国外项目中由上述公式计算出的弯曲半径值无法匹配该项目的路由调查带，若坚持采用碳钢管只能选择膨胀弯作为管线路由的转向方式。但是在路由中间布置膨胀弯会相应地增加管线起始铺设、弃管和膨胀弯吊装作业，极大地增加施工成本，同时膨胀弯两侧用法兰与管线连接会增加泄漏风险。

图1 某国外项目路由调查带，右侧曲线最小半径无法满足规范要求

软管由于自身刚度低，可以以较小的弯曲半径完成转向铺设。常规类型的10寸软管最小弯曲半径在50m左右，能够满足大多数条件下的铺设要求。同时软管在铺设过程中不存在焊接作业，极大地缩短了施工时间，节约施工成本。

2 跨越多条存在管线的路由选择

在海床存在大量已建管线及电缆，新建路由无法避让的情况下，合理地制定跨越方案能够极大地减小施工处理量。传统的钢管跨越已存在管线的方式多为在老管线上铺垫压块后在铺设新建管线，用软件模拟实际情况得到相应的功能荷载及环境荷载，最后用DNV规范中规定的如下准则进行校核[2]：

式中：YA,YE,YF,YP为荷载效应因子；YC为条件荷载效应因子；YSC,YM分别为安全等级抗力因子和材料抗力因子；Md,MF,ME,MA分别为设计弯矩、功能荷载弯矩、环境荷载弯矩、偶然荷载弯矩；Sd,SF,SE,SA分别为设计有效轴向力、功能荷载轴向力、环境荷载轴向力、偶然荷载轴向力；ΔPd为设计压力差；Mp为塑性弯矩抗力，Mp=fy·(Dt2)2·t2；SP为特征塑性轴向抗力，SP=，Mp=fy·π·(Dt2)2·t2；Pb(t2)为破裂压力；αc为考虑应变硬化的流动应力参数，αc=(1-β)+ βfu/fy。

基于对海管悬跨及底流冲刷等问题的考虑，在距离较近的两处跨越点间往往需要额外布置支撑已满足管体强度和稳定性的要求，为此需要投入大量的时间用于海上吊装作业。

田间设计采用多点大区对比试验，均设2个处理，分别为膜下滴灌处理和常规大水漫灌处理，每个处理面积为0.07 hm2。其中膜下滴灌处理每幅地膜下铺设2根毛管，毛管间距50 cm，滴头间距0.3 m，流量2.1 L/h；灌溉水均为井水灌溉，具体灌水量用水表计量。

以某项目10寸钢管跨越已存在管线为例，相邻两条临近管线间隔在30m左右，采用传统的在已存在管线上铺设压块后铺设新建管线的做法管线强度无法满足要求。

图2 基于AUTOPIPE软件对钢管跨越方案进行模拟

图3 结果显示管道UC值大于1，管道强度不满足要求

在两条已存在管线间布置一组支墩，管道受力情况得到优化，校核结果显示管线强度满足要求。

图4 优化后的模型

图5 结果显示管道UC值满足要求

如果用软管代替钢管，可以考虑采用Uraduct作为跨越点的处理方案。Uraduct的安装可以在铺管船上完成，对施工设施、人员操作难度和所需时间等要求均远小于钢管的跨越方案。

图6 某厂家的Uraduct产品

3 密布大量障碍物的路由选择

当海床密布大量障碍物的情况下，很难选择一条避开所有障碍物的路由。考虑到钢管自身的材料属性，直接与大尺寸的障碍物接触很难满足自身的强度要求和许用悬跨要求。在许用悬跨计算中与管线同轴向最大动态许用悬跨是决定路由许用悬跨长度的决定性计算工况，该工况受下降速度VR和稳定系数KS影响。VR和KS可以由下列公式定义：

其中：Uc为名义流速，Uw为有意波速，fn为管道悬跨的自然频率，D为管道外径，me为有效质量，ζT为阻尼比率，ρw为管道周围流体密度。

同管线轴向方向下降速度下：

其中：Ksd=Ks/Yk，Yk根据规范要求选择1.0，YON,IL根据规范要求选择1.1[4]。

例如某项目采用8寸碳钢管，计算结果显示该管线所能接受的最大悬跨距离为13m，用sage软件分析后可知有多处海床需要进行预处理。

图7 软件计算结果显示悬跨距离有多处超过最大许用悬跨

软管由于其自身的材料特点对海床要求较低，常规的海床条件均能达到软管施工和运行的要求。

4 结论

本文结合国内外工程案例，系统地阐述了碳钢管在复杂地质条件下路由选择中的限制性，得出如下结论：

当海管路由存在较小角度弯转、需跨越多条已建管缆和需要对海床进行预处理的情况下，软管比钢管在施工难度、后期维护保养、工程效益等方面更具优势，建议在初期材料选择阶段重点考虑。

◆参考文献

[1] 冯现洪，季磊，李秀锋，等. 基于三维海床的海管路由设计技术[J].舰船科学技术，2014，36(3)：116-120.

[2] DNV GL-ST-F101，Submarine Pipeline Systems[S].2017.

[3] DNV GL-ST-F109，On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines[S].2017.

[4] DNV-RP-F105，Free Spanning Pipelines[S].2006.