海底管道隆起屈曲分析及工程应用

刘极莉

摘 要：文章介绍了高温埋设海底管道隆起屈曲的分析理论，并以渤海湾实际工程为例，利用经典理论和有限元法分别对单、双层埋设海底管道的隆起屈曲进行了判断和分析，并将结果加以比较，为高温埋设海底管道的抗屈曲设计和施工提供了参考。

关键词：海底管道；隆起屈曲；工程分析

中图分类号：P756.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）03-0042-02

屈曲作为海底管道的主要失效形式之一，对海底管道的安全运营产生着重要影响。对于埋设的海底管道而言，当高温高压产生的轴向力不能通过管道的伸长而释放时，轴向力将以管道整体失稳的形式释放。在管沟约束和底部海床不平整（隆起）的作用下（相当于管道具有向上的初始挠度），海底管道将发生向上的隆起位移，甚至突破管道自重、埋土等约束，露出海床泥面。大量的研究及工程经验证明为避免埋设海底管道隆起屈曲的发生，可以从如下几方面考虑：如提高管道刚度、增加土壤约束、采用双层管代替单层管、冷却输送介质、施加管道预拉应力或采用柔性管代替等[1]。

本文介绍了海底管道隆起屈曲的分析理论，并利用经典理论和有限元法分别对单、双层埋设海底管道的隆起屈曲进行了判断和分析。

从工程设计的角度出发，建议在设计的前期利用隆起屈曲理论，对埋设海底管道在给定条件下能否发生隆起屈曲作出判断。而在详细设计阶段，利用有限元法进行分析。因为在详细设计阶段，管道的设计温度荷载已经明确，管材壁厚和等级选择已基本完成，屈曲分析一般用来进一步检验海底管道的安全性，同时对海底管道的抗屈曲施工提出要求，以保证管道在寿命期内的安全。

1 隆起屈曲理论[2]

海底管道在海床下受到的土壤隆起约束力可以根据下面公式计算。

当土壤为无粘性的沙土、砾石时，土壤约束力为：

其中，q为土壤隆起约束力，N/m；？酌soil为土壤单位水下重，kg/m；H为埋土深度（至管顶），m；f为土壤隆起约束因子（密实的沙质土壤取0.5，松散的沙质土壤取0.1）；c为粘性土的土壤剪切强度，MPa；D为管道外径（包含所有涂层），m。

管道所受的隆起稳定性荷载w为：

w=q+Wsub（3）

其中，Wsub为管道水下重。

保证管道的稳定性需隆起荷载满足如下条件：

根据上述分析，可以得到埋设海底管道在某一埋深下的最大允许海床不平整高度。工程设计前期，可以根据海底管道的实际工况、路由地质条件及埋深进行判断是否会发生隆起屈曲。

对于双层海底管道，屈曲首先从内管开始。内管的屈曲变形受到外管及顶部埋土的制约，一般较难发生整体的屈曲。但在某些特殊情况下，内管也会突破外管的束缚，而发生整体隆起屈曲。如超高温运行的海底管道、管道埋土被波流冲刷变薄或管道出露、管道具有初始的跨越构型等[3]。上述屈曲理论是对于单层管提出的，而双层管的屈曲分析方法在国际上至今没有突破，管道抗屈曲的设计成为双层管应用的一大难题[4]。本文建议工程设计前期，可以采用保守的判断方法，即将与管道隆起稳定性荷载有关的管道水下重Wsub考虑为双层管水下重，在内管的有效轴力的驱动下，计算出最大允许的海底不平整高度，以初步判断是否会发生整体的隆起屈曲。

2 工程分析实例

以渤海中部某油田的一条单层注水海底管道和一条双层混输海底管道为例，两条海底管道均为全程挖沟埋设，且设计温度较高，因此需进行隆起屈曲分析。管道的设计参数见表1。

选定的土壤参数为：松散的粉质细砂，深度0～4.2 m，水下重9.1 kN/m3，含水率31%，内摩擦角Φ=15 ？觷，横向摩擦系数0.37，纵向摩擦系数0.32，相对密实度28%。

根据本文第二章描述的理论分析方法，对海管操作期初始和整个操作期两个工况进行分析，得到结果见表2。

假设海床的不平整高度为0.3 m，则注水管道在投产之前，须至少达到1 m的埋深，在整个操作期保证1.5 m的埋深；混输管道在投产之前达到0.8 m的埋深，操作期保证1.5 m的埋深，海底管道将不会发生隆起屈曲。

使用有限元软件ABAQUS 6.11建立分析模型，采用非线性应力应变关系曲线。每个模型只设定一处初始缺陷0.3 m，为避免边界效应，缺陷位置应远离管道的端点。同样对操作期初始和整个操作期两个工况进行分析，得到海底管道在不同埋深和腐蚀条件下，发生隆起屈曲的临界操作温度，结果见表3。

分析结果表明，在上述选定土壤条件下，当设定海床的不平整高度为0.3 m时，两条海底管道在投产之前达到0.45 m的埋深，操作期保证1.5 m的埋深，管道的设计温度均小于发生隆起屈曲的临界操作温度，因此隆起屈曲不会发生。

3 结 语

①从隆起屈曲理论和有限元分析的结果可以看出，根据经典理论进行屈曲的判断会相对保守。

②为检验埋设海底管道在高温下的隆起屈曲程度并判断可能出现的屈服，基于有限元算法的几何非线性大变形分析才能够弥补经典理论的不足。

③从工程设计的角度出发，建议在设计的前期利用经典理论，对埋设海底管道在给定条件下能否发生隆起屈曲作出判断。而在详细设计阶段，利用有限元法进一步检验海底管道的安全性。

④在安装海底管道过程中应严格按照抗屈曲设计的要求，控制挖沟不平整高度，保证海底管道的埋土深度，并在油田投产后定期作后期调查，使高温埋设海底管道的安全运营得到最终的保障。

参考文献：

[1] 赵天奉.海底管道温度应力抗屈曲设计数值模拟[D].大连：大连理工大学，2008.

[2] OTC Paper 6335，Design of Submarine Pipelines Against Upheaval Buckling （A.Palmer，C.P.Ellinas and D.M.Richards）[J].1990，（5）.

[3] Global buckling of submarine pipelines[R].DNV-RP-F110，OCTOB-

ER 2007.

[4] Submarine Pipeline Systems[R].DNV-OS-F101，JANUARY 2000（am-

ended and corrected in 2005）.