基于稳定性的长输海底管道配重层优化设计

2022-07-11陈思孙祥杰李旭黄会娣

石油和化工设备 2022年6期

陈思，孙祥杰，李旭，黄会娣

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海底管道进行侧向稳定性分析是为了保证当受到波流环境载荷时管道不会有过大侧向运动，因其长期处于海浪、流、地震以及腐蚀等较复杂环境中，在设计时不同于陆上管道，需要综合考虑各种影响因素，既要保证管道在临时工况和运营期间极限工况下的稳定，也要从经济性角度出发，降本增效。本文以某油田项目长输海底管道为研究对象，采用基于方向极值的侧向稳定性分析方法，利用AGA Level II 软件进行准静态分析，对长输海底管道配重层进行优化设计，并从施工角度对不同配重层厚度分段优化合并，大大降低整体工程费用。

1 设计方法

AGA是根据美国PRCI（Pipeline Research Council International）在五大湖的试验数据，并以此建立数学模型开发的计算软件，有着一套完整的评估海底管道是否稳定的准则。按照美国天然气协会规范要求，对管道在不同工况下受波浪、海流联合作用时的侧向稳定性进行分析与计算。

对于Level II，它利用AGA流体和管土相互作用试验的数据库进行准静态分析，提供了设计海况期间水动力和土壤阻力的一个真实估计，因为它反映了由于环境负载引起管线埋设的小幅震荡。通过用户输入，AGA Level II计算设计波高谱密度函数，然后该波高谱密度函数转化为一个底流速谱密度函数，底部的速度谱数值积分，重要的底流速和底流速谱峰值频率被计算确定。

对于假定的4小时形成期海况中的最大200个波，计算同轴的最大和最小水动力（4小时形成阶段是从零波浪高度开始，与设计海况波高的时间成线性增加）。最大的200个波特征通过图1的5个波高阐述。5个波高的每一个波浪力通过使用AGA Level II水动力计算程序和水动力系数的相关数据库进行计算。

图1 4小时风暴形成期底流速振幅情况

根据计算得到的力，对4小时风暴潮初期管道底部的埋深进行保守估算，估算主要是通过管道的200次小幅振荡获得，这些振荡的振幅是受到限制的，不能大于波浪力产生的振幅或者0.07倍管径。为了模拟初期海况，在图1中较小的波浪会被优先考虑。除了产生的线性力足够克服土壤摩擦阻力的波，200次振荡不是所有都能产生埋深。对于埋深，200个波的线性水动力大小是依次递减的。管道埋深和相应的土壤阻力使用AGA最新的管土相互作用模型进行计算。

同样，将计算随后3小时设计海况中最大50个波浪的最大和最小线性力，这50个波的特点通过图2中四个不同波高说明。

图2 3小时设计风暴期间底流速振幅情况

基于随后3小时设计海况期间最大50个波计算得到的力以及4小时风暴潮初期计算的管道埋深，计算设计海况中最大50个波产生的管道埋深。

对于在3小时设计海况期间四个有统计意义的波诱导底流速，计算出一个完整波周期的水动力，这些波诱导底流速是典型的预期在设计过程中的最大135个波，设计过程中每个统计速度都有可能被某些波超过，最可能超过这四个底流速的波诱导速度分别是：

U1/3=1.0US (超过数135)

U1/10= 1.27US (超过数40)

U1/100=1.66US (超过数4)

U1/1000=1.86US (超过数0)

式中 US =有义底流速

2 设计准则

基于AGA Level II的管道稳定性的校核是安全系数，安全系数是侧面和垂直方向上土壤有效阻力与水动力载荷的比值，安全系数是通过一个完整360°波段中的1°波段来计算的，安全系数的计算公式如下所示：

其中:

μ =侧向阻力系数

WS=管道和介质（充油状态，最小密度）的水下重

FL=升力

FD=阻力

FI=惯性力

FH=土壤阻力

四个统计波(U1/3, U1/10, U1/100和 U1/1000)的最小安全系数在3小时设计海况和4小时初期假定的两个土壤阻力值中被输出，安全系数（Safe Factor）作为管道稳定性判断要素，AGA Level II推荐的稳定性标准如下：

在4小时风暴潮初期U1/100和3小时风暴潮结束期U1/1000侧向安全系数（SF1、SF2）都大于1时，表示管道是稳定的。

3 海管稳定性参数分析

在管道附近，管道、水和土壤之间存在着非常复杂的相互作用，实际上，水运动的每个分量都影响着水运动的其它分量。波浪产生的运动倾向于增加海底边界层对水流的高度，这与粗糙海床的作用大致相同，从而降低近海床水流的速度。管道本身会影响水粒子的运动，其中水流经过管道产生的尾迹是决定水动力阻力和升力大小和时间变化的重要因素之一。海底管道稳定性计算涉及到参数比较多，包括管材、混凝土配重层、地质特征以及水文数据等主要参数。

3.1 水文参数

影响稳定性的水文参数包括水深、有义波高、谱峰周期、波普参数、波的方向、波浪能量传播以及流速等，但除了前期通过数据采集的方式，设计师无法控制这些输入。在使用AGA Level II分析时，波浪的传播方向对管道稳定性也有较大影响，波浪方向的减少将在一定程度上减少管道的移动。

通常波谱只描述表面高程的统计数据，关于波浪传播方向(波浪能量传播)的信息不包括在内。在管道设计中，波的方向性或波的传播的重要性主要与沿管段的瞬时底部速度和加速度的分布有关，如果不考虑方向性，它意味着总能量在一个方向上运动。因此，方向性意味着能量的传播，其结果是力的减少。常规设计时，指定的波浪方向垂直于管道，除非有足够的证据表明最大波浪高度与另一个方向有关或已有风、浪、流方向极值环境数据需要更细化的设计，在这种情况下，通常需要检查波高方向和周期的组合，比较各方向对管道产生的力或位移。

海底管道稳定性分析时，需要考虑波流等环境作用参数，调查方将基于长期的数值统计得到这些值。波一般由波高、周期等进行定义，洋流比较复杂，主要依据水深、方向等来定义，在远离管道的地方也会产生，除了水面压差、风（通常与风暴有关）、潮汐变化、水密度差(由于温度和盐度)等因素，某些特定海域还需要考虑内波流。

3.2 管材特性

管材特性一般指管道尺寸、制造工艺、管道表面粗糙度及水下比重等参数。其中，对管道稳定性影响最大的参数是管道水下重量。通常，管径将根据输量的要求确定，在稳定性设计期间，这不是一个变量。管道粗糙度也是如此，它通常是由重量涂层类型和预期海生物生长决定的，这两者都不太由设计者控制。

管材外径范围为：0.1～1.5m (48”+100 concrete)不等。对于海底管道，其浮力和水动力作用会随着管径尺寸的增大而增大，入泥深度会相应减小，因此会降低管道在海底的相对稳定性。海底管道水下重与浮力的比值是描述其稳定性的一个关键参数，值越大，表明其稳定性越强。

3.3土壤特性

稳定性受土性特征的影响较大，土壤对海底管道的侧向作用力由管道外径、水下重、振幅、土层密实度等要数确定，主要由3部分组成[7]。第一部分为管土之间的摩擦力；第二部分是管道自身重量的瞬时沉降而产生的被动土压力；第三部分是管道受到波浪等环境载荷而引起的小幅振动，由此增加了土壤对管道产生的侧向阻力。海床土壤一般由砂土、黏土、岩石等组成，对于带混凝土配重层的管道，砂土，摩擦系数通常取0.6；黏土，其摩擦系数通常取0.2[7]。

在刚性和密度较大的土壤中，摩擦力是决定管道稳定性的主要因素，因为砂土和粘土的埋深都很小，而且很少产生被动土阻力，当摩擦力是主要的土壤阻力因子时，砂比粘土需要更少的混凝土配重层。在软、较低密实土层中，埋深较大，被动土壤阻力对管道稳定性的影响较大，在这种情况下，粘土更稳定，因为管道更倾向于嵌入软粘土而不是松散的沙子。工程项目具体应用中，海底管道受土壤的侧向阻力通常需依据地质调查报告细化的土壤特性展开分析。

4 工程算例

在进行海底管道侧向稳定性分析时，以往项目都采用常规的设计方法，即波流方向垂直于海底管道（90o），波流大小取最大值，该方法计算量小，但偏保守。但对于某些路由过长、沿线地质条件复杂、环境条件多变的海底管线，采用常规设计方法将导致混凝土配重层厚度较大、多种厚度交替，对管道涂覆有较大影响，降低了现场运输及铺设工作效率。

百年流、百年波不太可能同时发生(除非洋流与风暴有关，这并不常见)，在具体工程实际中[2]，运行期通常选择十年和百年波流组合作为环境荷载；临时工况(持续时间不超过12个月)，通常选择一年和十年波流作为环境荷载。

海底管道位于海床上，需要考虑海底边界层效应和方向性的影响，海底管道所在位置的海流速度，可以按下式进行折减：

式中：V(zr)为zr处流速；zr为参考高度（相对于海床面）；z0为海床粗糙度；θc为流速和管线夹角。

本文以某海上油田项目一条24寸单层长输海底管道为研究对象，该管线总长约195km，由钢管、防腐涂层以及配重层组成，如图3所示。

图3 海底管道截面形式

针对该工程难题，我们创新性采用基于方向极值的海管稳定性设计方法，开展了针对性的配重层厚度优化工作（即海底管道与波流8自由度方向的实际夹角及数值进行分析计算，如图4所示），通过更接近于实际海况的计算分析成功降低了配重层厚度。在此基础上，作为设计方，还联合建造和安装等相关单位，从施工角度对不同配重层厚度分段进行优化合并，分析结果见表1。

图4 环境荷载的8自由度方向

从分析结果可以看出，如果采取常规设计方法，不仅管材规格种类多，更重要的是在现场安装时需要不断转换管材种类，给施工带来极大不便。采用基于方向极值的海管稳定性设计方法，管材规格由5种减少到3种，完成海管配重层厚度优化设计，减小了配重层厚度，对不同配重层厚度分段进行了优化合井。通过上述创新性的优化设计工作，海管配重减少4000余吨，直接节省材料费约750余万；同时，将铺管时管道底部张力需求由170吨降至120吨，大大降低了铺管船的待机率，预期可节省船天费用2000万左右。