海底输气管道在位稳定性设计要点探讨

陈俊文 王畅 汤晓勇 申延波 谌贵宇 郭艳林

摘      要：海底管道的在位稳定性设计是保证海底管道安全运行的关键。管道配重可显著提高海底管道在位稳定性。合理的在位稳定性设计应兼具功能性与经济性，避免过度保守，也利于对后续管道安装提供便利。目前，针对海底管道在位稳定性的研究报道，虽然较为深入地进行了基本原理、计算方法对比等方面研究，但鲜有对在位稳定性设计要点的提炼以及基于施工角度考慮的优化方法的思考。因此，有必要进一步对上述问题进行探讨和分析。基于DNVGL体系对海底管道在位稳定性分析的基本要求，结合在位稳定性控制的基本原理，详细探究了海底输气管道在位稳定性设计要点，并结合施工特点，探讨了海底管道在位稳定性设计优化思路。研究表明：海底管道配重优化可从多方面开展，通过分段调整配重参数，可在保障在位稳定的情况下，减少自由悬跨和铺管中的附加工程量。可为浅海海底输气管道设计提供相关参考和借鉴。

关  键  词：海底管道;在位稳定性;设计要点;探讨

中图分类号：TE 832        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）03-0693-04

Discussion on the Design Key Point for the Offshore

Gas Pipeline On-bottom Stability

CHEN Jun-wen¹， WANG Chang¹， TANG Xiao-yong¹， SHEN Yan-bo²， SHEN Gui-yu¹， GUO Yan-lin¹

（1. China Petroleum Engineering & Construction Corporation Southwest Company， Sichuan Chengdu 610041， China;

2. PetroChina Tarim Oilfield Company Kela Oil and Gas Development Department， Xinjiang Korla 841000， China）

Abstract：  The on-bottom stability design of submarine pipelines is the key to ensuring the safe operation of submarine pipelines. Pipe counterweight can significantly improve the stability of the submarine pipeline. Reasonable in-situ stability design should be both functional and economical， avoiding over-conservation and facilitating subsequent pipeline installation. At present， researches on the stability of the submarine pipeline in situ mainly focus on the basic principles and calculation methods， there are few refinements on the design of in situ stability and optimization methods based on construction considerations. Therefore， it is necessary to further explore and analyze the above issues. Based on the basic requirements of the DNVGL system for the stability analysis of submarine pipelines in situ， combined with the basic principles of in-situ stability control， the design points of the in-situ stability of submarine gas pipelines were studied， and combined with the construction characteristics， the optimization of the design of in-situ stability of subsea pipelines was discussed. The research shows that the optimization of submarine pipeline counterweight can be carried out in many aspects; by adjusting the counterweight parameters in stages， the additional engineering quantity in free suspension and pipe laying can be reduced while ensuring stable position. The research results of this paper can provide reference for the design of shallow seabed gas pipelines.

Key words：  offshore pipeline; on-bottom stability; design key point; analysis

海底管线是最常用的连接海上油气生产设施与陆地的重要通道，其全生命周期内的在位稳定性至安全安装和运行极为重要^[1-7]。海底管道在位稳定性主要作用是通过多种稳定性分析，保证海底管道在可预见的海洋环境内保持垂向和横向稳定，以满足规范要求。随着研究深入与计算机水平提升，针对海底管道在位稳定性的参考规范和作业分析软件日益成熟，以DNVGL-RP-F109^[8]为代表的海底管道在位稳定性规范最为常用，并以此开发了配套计算程序;另外，美国天然气协会亦基于API RP 1111、ASME B31.8等规范，编制了计算分析软件AGA。同时，大量海底管道稳定性研究进行了公开报道^[9-14]，主要聚焦于海底管道稳定性计算方法、国际通用计算方法对比和海底管道提高稳定性措施，但鲜有细致的稳定性设计要点，亦缺乏结合海底管道稳定性对其他后续作业流程影响的详细研究报道。

本文基于DNVGL体系对海底管道在位稳定性分析的基本要求，结合在位稳定性控制的基本原理，详细探究了海底输气管道在位稳定性设计要点，并结合施工特点，探讨了海底管道在位稳定性设计优化思路。

1  海底管道在位稳定性设计原理

海底管道在安装和长期运行中，将受到自身重力、输送流体重力、环境荷载等作用，在垂向和横向产生运动趋势。具体体现为垂向上的上浮或下沉、横向上的位移。

（1）垂向稳定性

在位的海底管道应当满足垂直方向稳定，重点考虑管道上浮和沉降。管道上浮是由于海水浮力大于管道自身重力引起，应当为管道提供足够的上浮抗力。同时，由于土壤可压缩性，管道将不同程度地出现沉降。

（2）横向稳定性

在位的海底管道，受与管道轴向不平行波浪的流动、海水流动及波浪加速度的作用，将发生侧向位移的趋势，需要考虑通过提高管道水下重量或提供外部措施的方式进行稳管，提高管道水下重量是最常用的方式。

随着研究深入和工程经验的积累，目前国内外公认DNVGL-RP-F109作为海底管道在位稳定性的设计参考标准。在该标准中，明确了管道垂向稳定性和横向稳定性的计算模型。针对该标准中各种模型的具体解释，目前已公开了大量的报道，此处不再赘述。

总体来讲，垂向和横向稳定性的计算思路可归结如下：

（1）垂向稳定性

海底管道垂向稳定性主要研究海底管道在垂直于海床方向是否能保持稳定状态不上浮和有条件的下沉等。对于上浮校核，管道比重（比重表示水上重量和浮力的比值）大于1.1。对于沉降，目前还未提出确定的评价指标，从国内外工程经验来看，管道沉降量与管道外径的比值不超过10%到20%认为可接受。

（2）横向稳定性

海底管道横向稳定性的分析方法主要分为动态分析法、归纳法及静态分析法等。由于横向稳定性受海洋环境、管道-土壤交互作用、管道自身条件等因素影响，因此是相关研究人员和工程分析关注的重点。

2  海底管道在位稳定性设计要点

虽然DNVGL-RP-F109是目前公认的海底管道在位稳定性计算规范，但其条文描述与解释较为简要。结合工程经验，本节对海底管道在位稳定性的设计要点进行提炼。由于垂向稳定性计算相对较为简单，且影响因素较少，因此不在此处讨论。

（1）登陆段分析

登陆段是海底管道设计与安装的重要内容，水深较浅是其主要特征。当波浪传入浅水地区后，由于水深逐渐减小和地形变化的影响，波峰顶速度大于波谷底速度引起了波形的扭曲，至一定距离后，波浪将发生破碎。为了优化在位稳定性设计，在登陆段需要比较实际海底深度和波浪破碎引起增大的水深，并取其较大值。

（2）横向稳定性接受标准

对于海底管道，DNVGL对稳定性分析方法给出了建议，可执行的指标包括绝对稳定、0.5D～10D（0.5D表示管道允许横向移动量为0.5倍管道外径，10D表示管道允许横向移动量为10倍管道外径）等，這需要在设计中予以考虑。一般来讲，在浅水管道中考虑绝对稳定，将导致配重层极厚，而且浅水管道为了保障安全，在绝大部分项目中均要求埋设。因此，管道暴露于海洋环境中的阶段只是安装期，因此浅水管道几乎不建议采用绝对稳定的指标来规定管道的稳定性。当管道采用允许位移指标后，其配重量将显著降低。

（3）接受标准制定方法

为了综合考虑管道安全风险，目前较为认可的方式是借助管道安全分区（1区和2区），约定不同的横向稳定性接受标准。对于安全要求较高的1区，推荐采用0.5D的横向稳定性指标，主要包括：距离平台500 m以内的管道、穿越段和登陆段;其余管道位于2区，可采用10D的计算标准。

（4）混凝土配重层厚度范围

根据规范要求，混凝土配重层的厚度不应低于40 mm;而最大厚度一般控制在200 mm以下。在极端情况下，若所需混凝土配重超过了上限，可通过适当增大混凝土密度的方式满足稳定性要求。

由此可见，海底管道在位稳定性设计中，应多方面对管道本体、配重层性质、设计工况等予以考虑，在合规的情况下，尝试进行设计优化。

3  海底管道统一配重的影响

海底管道的配重主要受运行工况、环境条件、地质条件等影响。一般来讲，随着水深增加，波浪对底层海底管道的影响逐渐降低;底层海水流速也随之减小。实践证明，采用相同的横向稳定性计算方法，绝大多数情况下，浅水段所需配重厚度大于深水段。因此，从经济性来讲，有必要进行海底管道的配重分段考虑。同时，由于海底管道配重是海底管道设计流程中较为靠前的工序，对后续活动亦将产生影响。这里主要讨论自由悬跨和管道铺设。

（1）自由悬跨

在海底管道铺设后，由于海底不平整，将可能引起自由悬跨。若自由悬跨长度超过允许值，就会发生涡激振动而导致管道破坏，或者引起由于悬空过大而发生的强度破坏。为保证管道安全，应采取适当方法对悬跨进行修正。

允许自由悬跨长度主要受环境条件、管道重量、管道总外径、管道-土壤相互作用等因素影响。DNVGL有专门的规范定义并校核自由悬跨长度。由于配重层较厚的管道，其外径更大，海流的侧向作用面更大，且其水下重量更大，固有频率更低，更易与管道振动频率接近，诱发共振;同时，从强度方面来看，水下重量更大、总外径更大（但钢管外径一致）的管道，在相同悬跨长度时，受到的重力弯矩、侧向海流作用弯矩等大于配重层更薄的管道。

（2）管道铺设

海底管道的铺设方法主要有铺管法和托拉法。

对于S型铺管法，铺管过程中，需要基于铺管船的张紧力、站位分布、托管架形态和角度、管道信息和水深等因素，调整合理的铺管姿态，保证全段管道的综合应力不超过最小屈服强度的85%（下弯段）和72%（上弯段）（DNV81规范要求），亦可要求管道满足DNVGL局部屈曲校核。

在其他条件相同时，配重层较大的管道，由于比重和水下重量均大于配重层较小的管道，因此其在上弯段和下弯段的应力及应力水平均高于配重层较小的管道，在极端情况下，可能会引起铺管船不满足施工条件或额外临时增加助浮设施，增大了管道施工的难度。

4  实例与分析

某输气海底管道自海上集气平台输送至陆上处理厂，管道外径DN900，壁厚为24 mm，材质为X65碳钢，长度约10 km。全线提供了3处环境参数信息，如表1-2。

其中，A点海图水深为10 m、B点海图水深为25 m、C点海图水深为40 m。实测最低潮位为-0.2 m。

管道场地地层岩土为黏土，设计剪切强度（非扰动土）为4.4 kPa。

（1）管道配重层计算

采用基于DNVGL编制的计算程序进行配重层计算。由于观测点数量限制，本算例中最浅水深为10 m，经前期分析，不考虑波浪破碎的影响。考虑采用10D的位移限制条件。管道侧向稳定的计算结果如表3。

由此可见，在不考虑分段配重的情况下，选择110 mm的混凝土配重层厚度可满足管道安装过程的在位横向稳定性要求。同时，也能满足垂向稳定性校核。尤其对于C点，两种环境组合下，所需配重层厚度相差14 mm。

如前所述，进一步对比分段配重和全线统一配重对自由悬跨和铺管的影响。

（2）自由悬跨计算

通过计算程序对B点和C点进行不同配重下的自由悬跨允许长度计算（表4）。

由此可见，在相同的环境条件下，分段配重对应管道的自由悬跨最大允许长度大于全线统一配重的管道，表明了自由悬跨长度与配重层厚度在上述工况下负相关，进一步证实了前文中对不同配重对管道自由悬跨长度影响的定性分析。

（3）鋪管分析

选取水深最大的C点进行不同配重厚度下的铺管分析。计算结果如图1-2所示。

由此可见，根据管道配重不同，在仅调整拖管架角度后（张紧力、站位高度等保持不变），75 mm配重层的海底管道，其最高综合应力在上弯段，约为330 MPa，约占管材屈服强度的73%;下弯段综合应力水平较低，表明在最大水深位置，管道应力水平在许可范围内，且铺管船性能能够满足管道铺设要求，并尚存一定富裕量。同时，通过进行DNVGL-ST-F101的局部屈曲校核，发现管道最大荷载引起的壁厚许用比例为0.84（小于1即可），位于上弯段（船尾部），也说明了管道强度满足要求。

综上，通过实例分析可知，分段配重的海底管道在相同环境条件下，最大允许自由悬跨长度和铺设中的综合应力水平均优于统一配重的海底管道，其本质原因在于配重层较薄的海底管道，其比重小于配重层加厚的海底管道。

5  结论和建议

本文基于DNVGL体系对海底管道在位稳定性分析的基本要求，结合在位稳定性控制的基本原理，详细探究了海底输气管道在位稳定性设计要点，并结合施工特点，探讨了海底管道在位稳定性设计优化思路，详细分析了某海底管道统一配重与分段配重的区别。得出以下结论：

（1）海底管道配重优化可从多方面开展，在满足合规的情况下，对于浅水输气管道，可尽量优化对配重层厚度的设计。

（2）通过分段调整配重参数，可在保障在位稳定的情况下，减少自由悬跨和铺管中附加工程量。

（3）尽可能详尽、密集的环境观测数据可对海底管道配重设计提供足够的资料，为优化提供支撑。

参考文献：

[1]王岩， 辛颖. 基于极限状态法的海上原油管道事故评估[J]. 天然气与石油， 2018， 36（03）： 28-33.

[2]高福平， 顾小芸， 吴应湘. 波浪作用下海底管道在位稳定性分析[J].中国造船， 2004， 45（z1）： 245-253.

[3]陈汝蒋， 程潇， 帅永太， 陈嘉俊. 天然气海底管道底穿输水管道施工技术[J]. 天然气与石油， 2015， 33（05）： 10-13+7.

[4]高超， 王皓， 郭东升. 海底天然气管道清管风险分析及应对[J]. 天然气与石油， 2016， 34（05）： 6-11.

[5]赵党， 郝双户， 何宁. 海底管道稳定性分析[J]. 舰船科学技术， 2013，（5）： 99-102.

[6]杨泽林， 张世富， 胡永攀， 韩凯. 海底输油管线线路问题与保护方法研究[J]. 当代化工， 2017， 46（02）： 261-264.

[7]郭鸿雁， 朱伟. 基于事故树的海底管道第三方破坏风险分析[J]. 当代化工， 2013， 42（02）： 212-214.

[8]DNVGL. On-bottom stability design of submarine pipelines： DNVGL- RP-F109 [S]. Norway：DNVGL， 2017： .45.

[9]蒋岚岚， 王领. 海底管道稳定性分析计算[J]. 广东造船， 2016， 35（1）： 42-43+30.

[10]宋玉鹏， 孙永福， 刘伟华. 海底管线稳定性影响因素分析[J]. 海岸工程， 2003， 22（2）： 78-84.

[11]栾振东， 范奉鑫， 李成钢， 等. 地貌形态对海底管线稳定性影响的研究[J]. 海洋科学， 2007， 31 （12）： 53-58.

[12]刘小丽， 贾永刚， 邢英. 埕岛油田海底管线在位稳定性的计算分析[J]. 中国海洋大学学报（自然科学版）， 2010， 40（1）： 59-62+68.

[13]倪平凡， 钟仕荣. 海底输油管道的稳定性评价方法及算例[J]. 海洋石油， 2005， 25（2）： 76-79.

[14]陈思， 赵冬岩. 新规范中海底管道稳定性半动态分析方法的比较研究[J]. 中國造船， 2009（Z50）： 628-633.