隆起屈曲对海底管道近岸段设计的影响

黄 钰， 孙国民， 余志兵

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

埋设海底管道在温度、压力、构形缺陷、土壤抗力等因素的共同作用下[1]，出现管道拱出海床的总体屈曲现象，称作隆起屈曲。隆起屈曲虽然本身不作为管道的失效模式，但是会诱发其他失效模式，如屈服、疲劳、局部屈曲等，从而对埋设海底管道的运营安全造成较大危害。

海底管道按照服役水深通常可分为近岸段、浅水段和深水段。其中，近岸段主要针对登陆的海底管道，即将从海底管道登陆点向外海方向延伸500 m～5 km的区域定义为近岸段。与浅水段和深水段相比，近岸段处于大陆架地带，水深随海床地形变化明显，人类活动也更频繁，根据运营期管道保护的需要，近岸段海底管道通常都需要进行回填保护。近岸段海底管道服役环境复杂，诱发隆起屈曲的因素也更多。隆起屈曲的保护措施对近岸段海底管道的整体设计方案有较大影响，有必要进行深入研究。

1 近岸段海底管道隆起屈曲评估

1.1 温度和压力对隆起屈曲的影响

近岸段海底管道在温度和压力作用下产生的有效轴力会使管道沿轴线方向处于受压状态[2]，当管道在长度方向存在构型缺陷时，存在发生总体屈曲的风险。埋设管道在水平方向受到土壤的约束力较大，几乎不发生水平位移，因此埋设的海底管道主要受垂直方向总体屈曲风险的影响，即隆起屈曲的影响[3]。

依据DNV GL-RP-F110规范，约束状态下的管道受温度和压力的影响所产生的有效轴向力S0为

S0=H-ΔpiAi(1-2ν)-AsEαΔT

(1)

式中：H为安装埋设残余张力；Δpi为压力差；Ai为管道内截面积；ν为泊松比；As为钢管截面积；E为弹性模量；α为热膨胀系数；ΔT为温度差。

管道在运营期间发生屈曲的临界轴向力Seff为

(2)

式中：Rmax为土壤阻力；wp为运营期间水下重；wo为安装期间水下重；I为截面惯性矩；δ为缺陷长度；k1和k2为常量。

当S0超过Seff时，管道即存在发生隆起屈曲的风险[4]，此时建议采用有限元方法进行进一步评估。与经验公式相比，有限元方法可考虑非线性管-土作用对管道总体屈曲的影响，而且对于长距离输送的海底管道，在输送过程中通常存在温降和压降的情况，这会对管道总体屈曲产生主导性影响，采用有限元方法可更准确地模拟沿管道布线温度、压力变化对管道总体屈曲的非线性影响，使计算结果更符合真实的管道输送情况。在采用有限元方法进行隆起屈曲分析时，计算模型中管道与海床间的接触可模拟为光滑接触，同时用弹簧单元模拟管沟内土壤和回填材料对管道的侧向约束和垂向约束。

1.2 管道构形对隆起屈曲的影响

由式(1)和式(2)可知，在海底管道隆起屈曲的评估中，除温度和压力的影响外，管道构形缺陷也存在较大的影响。

管道构形缺陷是管道发生初始屈曲的直接诱因。对于裸露的海底管道，可基于工程勘察到的水深数据应用Fledermaus等商业软件模拟三维海床，并通过与Abaqus等有限元软件对接来准确模拟海底管道的海床在位缺陷[5]。但对于埋设的近岸段海底管道，管道安装在预先挖好的管沟内，沟底的平整度在设计阶段难以评估。因此，无论是采用经验公式法还是采用有限元法，都需在隆起屈曲分析中假定初始垂向缺陷。在工程设计中，根据管道在位条件和挖沟施工方式的不同，垂向隆起缺陷一般假定为0.5～1.0 m。图1为应用Abaqus模拟的海床垂向隆起缺陷。

图1 Abaqus有限元模型中的隆起缺陷

1.3 回填对隆起屈曲的影响

埋设海底管道的回填设计对管道隆起屈曲也存在较大影响。当近岸段海底管道存在隆起屈曲风险时，可通过增加回填材料的重量来实现海底管道的隆起屈曲保护[6]。DNV GL-RP-F110规范通过判断回填材料能否提供足够的垂向约束阻力来评估管道是否存在隆起屈曲风险。增加回填材料的重量一般通过增加回填保护层的厚度或选择密度较大的回填材料这两种方法实现。回填材料的选择和回填保护层的设计也是海底管道近岸段设计中的重要内容。

对于埋设海底管道抑制隆起屈曲发生所需的由回填材料提供的垂向约束力Rreq为

(3)

1.4 安装作业对隆起屈曲的影响

海底管道的总体屈曲还应该考虑安装作业对管道在位状态产生的力学影响。海底管道通常采用拖拉法或铺管船法进行安装。两种方法都会受到铺管船张紧器和管道自重的作用，管道在安装过程中保持受拉状态，当其就位于海床上时，受到海床土壤阻力的约束，在安装过程中所受的拉力无法完全释放，产生残余张力。

海底管道总体屈曲的直接诱因是管道内所产生的轴向压力[7]，残余张力可抵消部分由温度、压力所产生的轴向压力。因此，在总体屈曲评估中考虑残余张力的影响可使计算结果更接近工程实际[8]。然而，管道的残余张力需通过铺管计算或拖拉计算才能得到[9]，而且海床的平整度和管道布线的弯曲情况都会对残余张力造成影响，因此对于残余张力的选取需要通过计算准确评估。

2 隆起屈曲对海底管道近岸段设计的影响

2.1 隆起屈曲对管道机械保护的要求

在海底管道近岸段保护中，工程回填是一种重要的运营期管道机械保护措施。进行工程回填可对海底管道在运营期间的隆起屈曲[10]、坐底稳定性、冲刷、渔业活动都起到良好的保护作用。对于管道隆起屈曲，主要关注的是回填材料的重量能否抑制管道隆起屈曲的发生。回填材料重量越大，对隆起屈曲的抑制作用也越显著[11]；但选择过重的回填材料又会增加施工难度和工程成本，因此需要在设计中合理评估和选取。在通常情况下，为增加回填材料的重量，会选择石块等密度较大的回填材料；同时，需要结合冲刷和渔业活动的评估结果布置合理的抛石分层厚度。为避免抛石回填作业对海底管道外部涂层造成机械损坏，在管道和抛石层之间通常还须设置砂土垫层。在管道隆起屈曲评估中，砂土层的重量也应该包含在回填材料的总重量之中。

图2为近岸段海底管道隆起屈曲保护措施中典型的工程回填截面示例。

图2 典型隆起屈曲回填保护截面示例

在隆起屈曲抑制措施中，除了增加回填材料的重量外，还可采用增加管道自身重量的方法。工程中一般采用增加管道混凝土配重层厚度的方式来增加管道重量，混凝土配重层的厚度主要基于管道的坐底稳定性进行选取。除此之外还需要综合考虑隆起屈曲、施工可行性等多方面因素的影响。

2.2 隆起屈曲对渔业活动的要求

渔业活动对海底管道隆起屈曲的影响主要包括拖网作业和抛锚作业。渔业拖网主要指在拖网过程中拖网板或桁拖网等拖网设施与海底管道发生干涉，从而对管道产生拖曳力，造成管道出现初始缺陷。与埋设海底管道相比，渔业拖网对裸露海底管道总体屈曲的影响更显著。埋设海底管道由于覆盖石块、砂土等回填材料，在回填保护层未发生破坏的情况下，拖网设施通常难以直接与管道发生接触。但是，与其他海域相比，近岸海域的渔业活动更频繁，管道受渔业活动影响的风险也更高。对于渔船的抛锚作业，虽然在抛石回填厚度的设计中会考虑落锚撞击的影响，但是如果出现较大吨位的鱼锚破坏了回填保护层并与管道发生钩曳，也可能造成管道初始屈曲。

因此对于渔业活动频繁的海域，还应考虑渔网拖曳及钩曳的影响，并在回填设计中考虑鱼锚落物对管道撞击的影响，对于落锚风险较大的海域应对管道进行有针对性的抛石回填保护，选择合适厚度的回填保护层。

2.3 隆起屈曲对海床平整度的要求

在近岸区域，海床平整度缺陷对于管道隆起屈曲的影响受施工工序的制约，难以在工程设计阶段准确模拟。近岸区域通常采用预挖沟的方式进行挖沟作业，为避免海床平整度对管道隆起屈曲造成不利影响，在挖沟过程中应尽可能保持沟底平整，并在工程勘察阶段对管道布线所在区域进行充分的海床浅剖调查，避免海床以下存在较大石块或岩石层，对挖沟作业造成不利影响。在管沟挖掘完毕后，建议重新对沟底平整度进行物探勘察，并应用Sage Profile 3D等商业软件对海床平整度进行复核，结合原设计方案识别是否存在较大的海床平整度缺陷，以便在海底管道安装前及时进行工程预处理。

海床平整度缺陷所导致的隆起可分为挖沟前和挖沟后两个阶段进行评估。对于挖沟前的评估，由于缺少真实的海床平整度数据，评估的主要内容为抑制管道隆起屈曲所需的最小回填厚度或回填重量。对于挖沟后的评估，由于已经掌握了真实的海床平整度信息，评估的主要内容为先前所设计的回填保护方案是否满足抑制隆起屈曲的要求。

2.4 隆起屈曲对管道挖沟的要求

近岸段海底管道挖沟作业会对海床原始土壤造成扰动[12]，当采用挖沟原土作为工程回填材料时，挖沟方式的选择会对近岸段海底管道的隆起屈曲评估造成影响，需要在近岸段设计中进行考虑。

海底管道的挖沟方式根据挖沟机具的不同通常分为犁式和喷射式两种。犁式挖沟机通过挖沟犁直接将土壤从海床铲出，对于原始土壤状态相对保持较好，不会产生土壤液化[13]；喷射式挖沟机通过喷射水流将海床土壤吹走，从而产生管沟，在挖沟过程中海床土壤呈液化状态，对原始土壤强度影响较大。

管道隆起屈曲保护对回填材料的重量和承载力都有要求。当采用挖沟原土进行工程回填保护时，需要考虑回填土扰动状态对管道隆起保护的影响。在采用喷射式挖沟机挖出的原土进行回填之前，需重新对挖沟后的土壤进行液化评估，判断液化后的土壤是否满足回填材料的强度要求。结合实际，推荐采用犁式挖沟机进行挖沟作业。

上述挖沟方式受施工船舶作业水深限制，在水深极浅的区域难以应用。对于海陆分界区域或部分水深极浅的海域，建议采用水陆两栖抓斗式挖掘机进行挖沟作业，以最大限度地减小挖沟施工作业对海床土壤原始强度的破坏，从而提升回填土的力学性能。

3 结 论

对于存在于近岸段的高温、高压输送状态的海底管道，在近岸区域存在发生隆起屈曲的风险。近岸段管道的隆起屈曲保护措施与管道坐底稳定性、海床冲刷、落锚落物等设计方案均存在相互影响，需要在近岸段海底管道设计中逐一进行评估。

隆起屈曲的初步评估可依据DNV GL-RP-F110规范推荐的方法进行判断。对于初步评估不满足要求的管道或运行环境较为恶劣的管道，建议采用有限元方法进行更为详细的数值模拟。对于近岸段海底管道的隆起屈曲评估，挖沟前可采用最小回填厚度或最小回填重量进行控制，挖沟后可依据真实的海床平整度评估所考虑的回填设计是否满足抑制隆起屈曲的需求。当近岸段海底管道采用挖沟原土作为工程回填材料时，推荐采用犁式挖沟方式。