（机械工程专业论文）海底管道提吊和沉放过程仿真及应力控制研究.pdf

摘要 在浅海水域海底管道铺设过程中，拖运至预定地点的管道分段要从海底提吊至水面 进行焊接，然后沉放埋设。海底管道被提起后一段悬空，中间悬跨段较长，管道弯曲变 形很大，在复杂的环境载荷及安装载荷作用下，极易导致管道的破坏。为了保证海底管 道在提吊及整体沉放过程中的变形控制在弹性变形范围内，不发生屈服现象，需要对提 吊及沉放方案进行相关力学分析与校核。因此，本论文对提吊及沉放中海底管道的空间 形态及应力分布变化过程进行了模拟研究。主要开展了以下内容的研究工作： 探讨了常用的海底管道结构形式，分析其结构特点；根据海洋环境条件及施工方法 明确了提吊及沉放过程中作用于管道的主要载荷及其计算方法；对管道在载荷作用下产 生的应力形式进行分析，确定了管道强度校核方法。 分析了海底管道同海床的接触作用特点，引入海床刚度概念表达管土法向作用关 系，并给出了不同管土作用情况和海床条件下的刚度计算方法；根据海底管道同海床的 摩擦作用特点，建立管土各向异性弹性滑动摩擦模型。 结合管道提吊及沉放的具体措施和步骤，建立了海底管道、吊缆及海床的数值模型， 利用s l i p r i n g 连接属性模拟吊缆的收放行为，将海床处理成刚性解析面，采用管土法向 软接触模型和弹性滑动各向异性摩擦模型模拟管土作用关系。基于该模型对一段管道的 提吊及沉放全过程进行了模拟，模拟结果很好的显示了管道在提吊和整体沉放过程中的 连续变形和应力分布情况，可以为施工方案的设计和校核提供重要参考。 基于建立的数值模型，研究了定常水流、海床摩擦系数及管道沉放方案的影响作用。 研究结果表明，纵向水流对管道提吊及沉放过程中的空间形态及应力分布几乎没有影 响，而横向水流会明显改变管道在水平面内的变形，提高管道的整体应力水平；粗糙的 海床对管道沉放过程中的侧移有阻碍作用，沉放完成后管道的弯矩较大；沉放过程中管 道应力变化情况比较复杂，吊缆释放的不协调极易导致局部应力峰值的出现；管道沉放 完成后的最终形态和弯矩分布对沉放过程十分敏感，沉放方案微小的差别会导致截然不 同的沉放结果。 关键词：海底管道，提吊及沉放，管土作用，应力控制 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds t r e s sc o n t r o lo fs u b s e ap i p e l i n e sd u r i n g p i c k u pa n dl a y - d o w no p e r a t i o n q uy a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy a n t o n g a b s t r a c t i nt h es h a l l o w w a t e ri n s t a l l a t i o no f p i p e l i n e s ，t h ep i p e l i n es e g m e n t sa l eu s u a l l yp u l l e dt o t h ep r e - d e s i g n e dp o s i t i o na n dr e s to nt h es e ab o a o mb yv a r i o u sm e t h o d ss u c ha so n - b o t t o m t o w i n ga n dp u l l i n g t h e nt h ea d j a c e n te n d so ft w os e g e m e n t sa l ep i c k e du pa b o v ew a t e r , c l a m p e di np o s i t i o n , a n dt h et i e - i ni se x e c u t e da b o v e w a t e rb ym e a n so fw e l db e f o r el a y i n g d o w nt ot h eb o t t o ma g a i n d u r i n gt h i sp r o c e s s ，t h es u s p e n d e ds p a np a r to fp i p e l i n ei sv e r y l o n ga n du n d e rl a r g eb e n d i n gd e f l e c t i o n , w h i c hm a yb ee a s i l yd a m a g e db e c a u s eo ft h e c o m p l e xe n v i r o n m e n t a la n di n s t a l l a t i o nl o a d s i no r d e rt oc o n t r o lt h ed e f l e c t i o no fp i p e l i n et o p r e v e n tt h ey i e l dp h e n o m e n o n , t h ep r o c e d u r eo fp i c k - u pa n dl a y - d o w no p e r a t i o ns h o u l db e c a r e f u l l yd e s i g n e dw i t ht h em e c h a n i c a la n a l y s i sa n ds t r e n g t hc h e c k a sar e s u l t ，t h e s i m u l a t i o no fp i p e l i n ed u r i n gp i c k - u pa n dl a y - d o w no p e r a t i o ni sc o n d u c t e d , t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa l ef o l l o w e d t h es t r u c t u r e so ff r e q u e n t l y - u s e ds u b s e ap i p e l i n e sa l ed i s c u s s e da n d 也e i rs t r u c t u r a l f e a t u r e sa r ea n a l y z e d ；t h em a i nl o a d sa n dt h e i rc a l c u l a t i o na r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e m a r i n ee n v i r o n m e n ta n dc o n s t r u c t i o np r o c e d u r e ；t h es t r e s sf o r m so fp i p e l i n eu n d e rd i f f e r e n t l o a d sa r ea n a l y z e d t h ec h a r a c t e r so fp i p e - s o i li n t e r a c t i o na r ea n a l y z e dw i t hs o i ls t i f f n e s si n t r o d u c e dt o r e p r e s e n tt h ev e r t i c a lp i p e - s o i li n t e r a c t i o na n dt h ea n i s o t r o p i ce l a s t i c - p l a s t i cf r i c t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e dt or e p r e s e n tt a n g e n t i a lp i p e s o i li n t e r a c t i o n b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no nt h es p e c i f i cs t e p so fp i p e l i n ep i c k u pa n dl a y - d o w n o p e r a t i o n , af - m i t ee l e m e n tm o d e li sd e v e l o p e d t h ep i p e l i n e d a v i ts t r i n ga n ds e a b e dm o d e l s a lee s t a b l i s h e dw i t ht h es l i p r i n gc o n n e c t i o nm o d e la t t c a h e dt od a v i ts t r i n gt os i m u l a t ei t s l i f t i n ga n dl o w i n gd o w nb e h a v i o r t h es e a b e di sr e p r e s e n t e db ya na n a l y t i c a lr i g i ds u r f a c ea n d t h ec o n t a c tb e h a v i o rb e t w e e ns e a b e da n dp i p e l i n ei sf o u n d e db ys o f t e n e dc o n t a c tm o d e la n d t h ee l a s t i cs l i pf r i c t i o nm o d e l b a s e do i lt h et m i t ee l e m e n tm o d e lt h a td e v e l o p e d ，a ne x a m p l e o fn u m e r i c a ls i m u l a t o no fp i p e l i n ep i c k - u pa n dl a y - d o w no p e r a t i o ni sp r e s e n t e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h ed y n a m i c a ld e f o r m a t i o na sw e l la st h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f p i p e l i n e sd u r i n gt h ew h o l ep i c k - u pa n dl a y - d o w np r o c e d u r e ，w h i c hc a l lb eu s e da sa t o o lf o r t h ed e s i g na n dc h e e ko fi n s t a l l a t i o ns c h e m eo fs u b m a r i n ep i p e l i n e s b a s e d0 1 1t h en u m e r i c a lm o d e lt h a td e v e l o p e d t h ee f f e c t so fs t e a d yf l o w , 伍c t i o n c o e f f i c i e n ta n dl a y - d o w ns c h e m eo nt h es t r e s sa n ds h a p eo fp i p e l i n ea r es t u d i e d r e s u l t ss h o w t h a tt h el o n g i t u d i n a lf l o wb a r e l yc h a n g et h es h a p ea n ds t r e s so fp i p e l i n ew h i l et h el a t e r a lf l o w h a sg r e a ti m p a c t0 1 1t h ed e f l e c t i o no fp i p e l i n ei nh o r i z o n t a lp l a nw h i c hc a u s e si n c r e a s eo f s t r e s sl e v e l ；r o u g hs e a b e dw i l lp r e v e n tp i p e l i n ef r o ml a t e r a l l ym o v e i n ga n dh a v es l i g h tb a d e f f e c to i lt h ef i n a ls t a t u so fp i p e l i n ea f t e rl a y - d o w no p e r a t i o n ；t h ec h a n g eo fp i p e l i n es t r e s s d u r i n gl a y - d o w no p e r a t i o ni sq u i t ec o m p l e x ，t h ei m p r o p e rl a y d o w ns c h e m ew i l lc a u s eh i g h s t r e s sl e v e l ；t h ef i n a ls h a p ea n dm o m e n to fp i p e l i n ea r eq u i t es e n s i t i v et ot h el a y - d o w n p r o c e d u r e ，a n ds l i g h td i f f e r e n c ei nl a y - d o w no p e r a t i o nm a y c a u s ed i f f e r e n tl a y d o w nr e s u l t k e y w o r d s ：s u b s e ap i p e l i n e ，p i c k u pa n dl a y - d o w n , p i p e - s o i li n t e r a c t i o n ；s t r e s sc o n t r o l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 随着世界对能源需求量的逐渐增大，广阔海洋里蕴藏的丰富的石油天然气资源得到 了广泛的关注，其开采及运输技术得到了飞速的发展。海洋的环境特殊，地理情况复杂， 海底管道作为一种安全有效的运输方式，在海洋石油天然气的开发中起到了举足轻重的 作用。尽管采用管道的方式运输液体可以追溯到古代时期，海洋管道的应用则是在二十 世纪下半叶才发展起来的。第一条严格意义上的海洋管道于1 9 5 4 年在墨西哥湾铺设完 成，在随后的几十年里世界海洋管道的总长度增长至近九万公里，并且以每年约五千公 里的速度增加【1 】。海洋管道的铺设是一个漫长而复杂的过程，其高昂的安装费用及铺设 过程中的高风险性使得施工前的设计阶段尤为重要。由于海洋环境的多变，施工情况的 复杂以及载荷的多样性，海洋管道在铺设的过程中极易产生屈曲现象导致破坏。因此， 在设计阶段需要分析施工各个步骤中的管道受力情况并进行强度校核，以便采取措施或 改进施工方案，避免管道遭到破坏。 1 1 研究目的及意义 课题来源于胜利油田胜利勘察设计研究院项目“海底管道海上对接技术数值模拟及 软件开发”。 海洋管道可采用多种方法进行铺设，其中应用最多的是铺管船法。管节在陆上进行 加工，通过供应船运输至铺管船，由铺管船上的流水线对这些管节进行焊接、检验、涂 装作业后，利用托管架逐渐下放至海床。铺管时，从托管架末端至着地点之间的管道处 于悬跨状态，根据悬跨段管道的形状，铺管方式可分为“s ”型铺管和“j ”型铺管。铺管船 法主要应用于深水铺管，其庞大的铺管船由于吃水的限制无法进入浅水区域作业。另外， 采用铺管船法进行管道铺设需要租赁专业铺管船进行作业，其成本较高，经济性较差， 因此铺管船法不适用于浅水区域的铺管作业。 在浅水区域多采用牵引法进行铺管作业，同铺管船相比，牵引法更加灵活、经济。 牵引法中采用的管道预先在岸上加工组装成几百至几千米不等的管段，通过牵引船拖引 至指定位置并沉放。在牵引的过程中为了对如此长的管段进行控制，需要采用头尾各一 条拖船。根据牵引过程中管段在水中的位置，牵引方式可分为底拖法、离底拖法和浮拖 法。在牵引并沉放完成后，需采用海洋管道海面对接及沉放技术完成管段的连接，即将 相邻管段接头处采用吊机吊出海面，在工程船上搭建临时焊接平台对两段管道进行现场 组对、焊接、补口、外管对接、焊接、防腐，超声波检测合格后拆除平台将管道侧放至 绪论 海底l z j 。 海洋管道在对接过程中的三个施工阶段受力状态有所不同，其中管道在提吊及沉放 过程中的变形、受力分析与强度校核是施工设计阶段的重要研究内容。在提吊及下放的 过程中，海洋管道着陆端位于海床上，起吊端通过吊机悬挂，中间形成较长的悬跨管道。 管道悬跨段弯曲变形较大极易发生屈服破坏现象，同时受到波浪、洋流等不确定载荷的 作用，其变形受力情况较为复杂。为了保证对接过程中的管道安全，防止管道在环境载 荷和施工载荷的作用下发生塑性变形破坏管道的结构，需要对提吊及下放过程中管道悬 跨段的变形及受力情况进行分析，以此为依据对施工方案进行设计和校核，提高施工的 可靠性和预见性。 1 2 海底管道提吊及沉放技术概述 海洋管道海上对接施工难度较大，有一定的风险性，在正式施工前需对施工步骤进 行详细设计及校核，确保施工过程中管道的安全。不同的施工条件下，海上对接采用的 施工方法也略有不同。例如在较浅的水域采用单点提吊的方法即可满足施工要求，而在 深水域内不仅需要采用多点提吊，在某些情况下为了减小管道的弯曲变形使提吊段管道 形成较为平坦的s 形，还需要在管道上绑定多个浮筒。 蠢睐 图1 - 1 海底管道提吊示意图 f i g l - 1 s u b s e ap i p e l i n ep i c k - u po p e r a t i o n 鼍摩 图l - 2 海底管道沉放示意图 f i 9 1 - 2s u b s e ap i p e l i n el a yd o w no p e r a t i o n 海洋管道海上对接基本施工步骤如下： ( 1 ) 工程船行至管道对接处，侧船舷平行且贴近海管，舷吊对称中心对准对接点， 抛锚固定； ( 2 ) 使用辅助船捞起吊点漂，将吊绳挂于各对应舷吊； ( 3 ) 根据提吊设计计算结果，按照设计步骤逐步将两段海管吊出海面，见图i - 1 ； ( 4 ) 在两管搭接处布置焊接平台； ( 5 ) 对管端进行调平、切割、组对、焊接、防腐、超声波无损检测； ( 6 ) 根据下放设计计算结果，结合工程船的侧移按照设计方案逐步将对接完成的 管道整体沉放至海底，见图1 - 2 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 从图1 1 和图1 - 2 中可以看出，海洋管道海上对接过程中管道存在三个不同的受力 变形阶段： ( 1 ) 海管起吊。管道被舷吊逐步吊出水面，这一过程中海管仅在竖直面内发生弯 曲变形。 ( 2 ) 海管对接。两管段通过焊接平台进行对接，对接时要将管道端口调平，管道 自由端被约束，导致竖直面内管道的弯矩发生改变。 ( 3 ) 海管下放。拆除焊接平台后，工程船侧向移动缓缓将管道放置海床，这一过 程中管道在竖直面和水平面内均发生弯曲变形。 1 3 国内外研究现状 海底管道在提吊的过程中，管道一端同海床接触，另一端在吊机的作用下抬出水面， 中间存在很长的一段管道处于缺乏支撑的状态，在重力的作用下悬垂变形。同时，由于 波浪、海流及铺管船运动等外部载荷的作用，管道会产生各种弯曲应力，严重情况下会 导致管道的屈服破坏。为了精确预测施工过程中管道的空间形态和应力水平，需要充分 考虑海底管道同海床的管土接触作用特点，建立准确的管道力学数学模型并配合适当的 求解方法，对海底管道在提吊及沉放过程中的变形曲线和应力分布进行数值模拟。因此， 本节分别从海底管道同海床相互作用研究和管道力学模型及求解方法两方面，对本课题 所涉及到的研究现状进行分析总结。 1 3 1 海底管道力学模型及求解方法 目前国内学者对海底管道的力学计算做了大量的理论研究工作，并建立了一些较为 准确的数学模型。但从相关文献 3 1 6 】来看，大部分研究集中于管道在竖直平面内的二 维分析和静态研究，即使考虑了波浪力等环境载荷的动态效应，也是仅在二维层面上进 行了简单的处理，且关于铺管船的动态因素鲜有研究。 目前悬跨海洋管道的基本方程存在几种表达形式，有的从弹性杆理论出发3 一，有 的以非线性梁为基础，有的直接将管道简化为刚性悬链线 】2 j 1 3 】。而对于基本方程的 求解也有多种方法。文献 3 5 ，8 ，1 1 均采用奇异摄动法进行求解。其中，赵婷、黄玉盈、 王达掣3 5 1 1 1 等对铰接式托管架铺设的管道进行了大变形静力分析，以此为基础对铺管 参数进行优化，并导出了管道非线性的二阶近似解。曾晓辉等【8 】将奇异摄动法的解同有 限元解进行了比较，证明了奇异摄动法的准确性。宋甲宗、戴英杰等 6 ，刀则是采用b 样 条函数分段拟合法得到了从张紧器到海床间管道的空间曲线，利用样条函数配点法求解 绪论 管道平衡微分方程。邢静忠、崔岳等1 9 , 1 0 】通过变弧长的无量纲代换将管道提吊过程中的 动边界问题转化为固定边界的两点边值问题，并采用打靶法进行了求解。顾永宁和甄国 强【1 3 i 【1 4 】采用有限差分法对管道铺管状态进行了计算，其中甄国强给出了四种解题模式， 并分析了铺管作业参数之间的无因次关系，而则对如何模拟铺管的边界条件进行了描 述。 对于管道铺设的动态分析，孙意卿【l 习采用质量集点发对管道进行了时域内的动力学 研究，并用p v c 塑管进行了模拟实验。王海期【l6 等将管道的运动视为静态大挠度位置 附近的小运动，确定了求解动态问题的变系数线性常微分方程，采用平行打靶法进行了 求解，研究了管道面内和面外的非线性自由振动，求得了振动的幅频关系及振动频率随 张力和水深的变化规律，并用多尺度发分析了内共振现象。 国外对海底管道的力学研究起步较早，早在上个世纪5 0 年代即开始了相关领域的 研究，提出了一系列算法模型，并成功应用于实际施工过程。在研究的早期阶段，管道 模型多采用近似计算方法。有的将管道简化成刚性悬链线【1 7 1 1 8 1 ；有的采用无量纲形式将 预先未知的管道悬跨长度考虑成一比例参数，并进行迭代求解19 】c 2 0 】；有的则采用线性有 限元法和初值逼近处理管道力学问题，这些研究由于模型的限制，只能对铺设过程中的 管道进行二维静力计算，而在实际铺管过程中，由于波浪、海流和风等环境载荷的作用， 管道变形曲线是三维的。为了更精确的预测铺设过程中管道的变形和应力分布情况，管 道铺设的三维研究得到了发展。随着计算机计算能力的大幅度提升，大多学者采用了非 线性有限元法对海洋管道的三维静动力学进行研究 2 1 - 2 3 】，并已经形成了较为成熟的海洋 管道铺设的分析软件o f f p 口e 、o r c a f l e x 和s p t m a s 等。 1 3 2 海底管道与海床相互作用研究 在海底管道同海床的相互作用分析中，一般采用经验公式和理论计算两种方法建立 管土作用模型。其中，经验方法以模型试验为基础，推导出一系列符合实际的管土作用 公式。理论计算则采用数值计算方法，主要是非线性有限元方法，对管土接触进行分析。 ( 1 ) 管土相互作用的试验研究现状 目前对于海底管道同海床的管土相互作用试验研究主要有静态试验研究和反复加 载试验研究。静态试验研究中，c gl y o n s t 2 4 】搭建了海底管道侧向试验台，分别研究了 海底管道在沙土、粉土和黏土上侧向滑动时所受到的土体阻力作用。实验结果表明，库 伦摩擦理论适用于砂土质海床上管道侧向滑动时的管土作用分析，而对于软黏土海床则 不适用。文中还指出，管道同海床之间的相互作用与管道外表面粗糙度、海底土体参数、 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 管道同海床接触面积及管道的滑动方向等因素有关。kk a r a l 2 5 】通过试验研究发现放置 于海床上的管道在自身重力作用下会发生自然沉陷，沉陷深度同管道重量及海床土体特 性相关，通过分析认为管道侧向滑动摩擦系数应为海床土体性质、沟槽深度、水动力特 性及管道参数的函数。 在海底管道反复机械加载试验中，研究人员主要采用机械水平往复载荷模拟波流对 管道的拖拽力和惯性力，采用垂直载荷模拟波流对管道的升力作用，并对试验数据的整 理分析。w a n g e r d a 【2 司提出管道的沉陷深度受水平载荷加载历史的影响，同时管道侧向 滑动时会在一侧发生土体隆起现象，造成土体侧向抗力远大于库伦摩擦理论得到的预测 值。b r e n n o d d c nh i 2 7 等对w a n g e rda 的试验进行改进，提出管道的沉陷是由于管道往 复振动产生的能量造成的，并采用能量耗散理论建立了管土相互作用模型。v e r l e yr l p 【2 8 】等综合以上两试验的试验结果，建立了管道侧向失稳的力位移模型。 ( 2 ) 管土相互作用的数值计算研究现状 c gl y o n s t 2 4 】在进行了试验研究的同时采用平面应变问题简化管土作用关系，考虑 土体应力应变的非线性，建立了管土接触的有限元模型，将环境流体载荷处理为单向、 大小不变的静力载荷，分析7 ； 1 - 载荷与管道位移z i h - j 的关系。m e icc 2 9 1 和j e n gds 3 0 1 基于土体多孔弹性的本构模型，分别采用边界层理论和有限元方法对管道作用下海床土 体的应力分布和响应进行了研究。吴鑫【3 1 】则以邓肯张模型为土体本构模型，采用有限 元法和总应力分析法对管土系统进行了准静态计算，计算结果显示海床对管道的侧向阻 力作用随着管道的埋深的增加而增大，该阻力主要来自于土体的被动土压力。顾小芸3 2 。3 4 】 采用a b a q u s 有限元软件建立动态的r a m b e r g 。o s g o o d 土体本构模型，对管道和不同特 性的海床之间的相互作用进行了分析研究。 1 3 本文研究内容 尽管目前海底管道力学分析模型已经较为成熟，但相关研究大多集中于对铺管船法 铺管过程中管道的静动力学分析，对海底管道海上对接中管道的提吊和整体沉放的研究 较少。针对该问题，本文对海底管道海上对接过程中管道的提吊和整体沉放过程的模拟 分析方法进行了研究，主要研究内容为： ( 1 ) 对常用的海底管道结构进行分析，研究了海底管道提吊和整体沉放过程中的 主要载荷及其计算方法，并分析了载荷作用下管道的应力形式，确定其强度校核方法： ( 2 ) 分析了海底管道提吊及沉放过程中管道同海床的接触问题，建立了管土法向 接触和摩擦模型； 气 绪论 ( 3 ) 基于空间梁的大变形理论，基于a b a q u s 建立了完整的数值模型，考虑实际 施工过程中管土接触摩擦、吊缆收放和工程船侧移等因素，完成了海底管道的提吊与整 体沉放过程数值模拟，为实际施工过程的设计和校核提供依据，并给出了计算实例； ( 4 ) 分析定常水流、海床摩擦系数和沉放方案等因素对管道提吊及沉放过程空间 形态及应力分布的影响，研究管道应力控制方法。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章海底管道结构及载荷分析 作为一种海洋工程结构物，海洋管道虽然结构看似简单，但其位于海底的工作环境 十分复杂，所受载荷多种多样。海洋管道不仅需要承受拉力、扭转、弯曲、剪切，还必 须有较高抗压强度以避免被深水压力压溃。因此，海洋管道属于结构单一但功能多样的 结构体。要保证海底管道在施工及运转过程中的安全，需要对管道的结构及所受到的载 荷进行分析。 2 1 管道结构分析 海洋管道按其横截面结构不同可分为单层管加配重层结构、双层保温管结构、单层 保温管加配重层结构3 5 1 。需根据工作海洋环境及运输介质特等因素，确定合适的管道结 构形式。 2 1 1 单层管结构 海洋管道常用到的单层管结构形式包括单层管加配重层结构和单层保温管加配重 层结构，其结构见图2 - 1 和图2 - 2 。 图2 - 1 单层管加配重层结构 f i 9 2 - 1s i n g l ep i p ew i t hc o n c r e t ec o a t i n g 图2 2 单层保温管加配重层结构 f i 9 2 - 2s i n g l ep i p ew i t hi n s u l a t i o na n d c o n c r e t ec o a t i n g 单层管加配重层结构采用一层钢管作为运输管，钢管外壁喷涂一层防腐绝缘层隔绝 海水避免钢管被腐蚀破坏。是否在防腐绝缘层外侧配置配重层，需根据实际工程及设计 要求决定。配重层的作用是在管道设计重量小于浮力时，确保管道能够沉放至海底。除 此之外，配重层还能起到机械保护内层输送管不被外部力量破坏的作用。 单层保温管加配重层结构是在单层管加配重层结构的基础上，在防腐绝缘层和配重 层之间添加了一层保温结构，起到保温的作用。保温层结构普遍适用于输送凝固点较低 的原油的海洋管道，能够有效的减小原油在输送过程中热量的损失，保证原油良好的流 动性。聚氨酯泡沫的保温性能较好，且成本较低，是比较常用的隔热保温材料。 7 第二章海底管道结构及载荷分析 2 1 2 双层管结构 目前我国海洋管道多采用双层保温管的结构形式，例如我国第一条海底管道，黄岛 海底装油管道即采用的是0 6 3 0 x 8 - - - - 西4 2 6 x 7 的双层管结构。双层保温管结构示意图如 2 3 所示。 双层保温管采用输油内管和外套管两层钢制管，两层钢管之间为保温层，外套管的 外壁喷涂防腐绝缘层。在某些特殊情况下也需在外套管外部曾加配重层，以增加管道重 量。双层保温管的保温效果较好，并且能够在内管破裂的情况下有效的防止油气渗漏。 双层保温管结构是在海洋管道中应用较为成熟的保温结构，其保温效果虽好，但输油内 管和外套管全是钢制，导致用钢量大、成本高，同时管道的铺设施工难度也较大。 图2 - 3 双层保温管结构 f i 9 2 3 d o u b l ep i p ew i t hi n s u l a t i o nc o a t i n g ( 1 ) 双层管联接方式 双层管结构中，内外管主要通过三种方式进行联接：套式联接、分段固定联接和全 线固结联接。 采用套式联接方式时，内、外管之间可以自由移动，外管主要承受静水压力、外部 环境载荷( 波浪力和洋流力等) 以及由于弯曲变形而产生的应力，内管则主要承受管道 运行期间输送流体运动和温度变化而引起的各种热应力、热应变、弯矩及剪力等。 采用分段固定联接方式时，外管除了承受静水压力、环境载荷以及弯曲应力外，也 承受由于内管运输流体温度改变而引起的温度应力与应变，内、外管所受的温度载荷大 小相等、方向相反。 全线固结的连接方式是指在内外管之间的环形空间内浇注水泥砂浆等材料，这种方 式构成的双层管结构可以等效的视为大壁厚的单层管结构，管道所受到的各种载荷由内 管、外管以及中间的联接材料共承受。尽管采用该种方式联接的双层管结构可以视为单 层管进行分析，但管壁材质的不均匀性导致计算过程十分复杂，通常采用的计算方法是 固 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 忽略固结材料的作用，直接将其简化为复壁钢管结构，对管道进行偏于安全的强度校核。 采用何种方式联接内、外管，需要根据管道的工作环境与运行要求确定。目前应用 较多的是分段固定的联接方式。 ( 2 ) 分段固定联接构件 采用分段固定联接方式时，内外管主要通过以下构件进行联接：支撑板、支撑环、 密封圈、固定支撑板和固定支撑环以及锚固件等。支撑板和支撑环通常设置在内管和外 管之间，根据单节管道的长度间隔一定距离使用，以保证内外管的同轴度，不起到联接 内外管的作用，内外管的联接主要通过设置固定支撑板和支撑环来完成。 2 2 管道载荷 表2 - 1 海洋管道载荷的来源及静动态分类 t a b l e 2 1l o a d so l ls u b m a r i n ep i p e l i n e sc a t e g o r i z e da c c o r d i n gt os o u r c c ，s t a t i co rd y n a m i c s 静态载荷；d 动态载荷 作用于海洋管道的载荷多种多样，总体可分为静载荷和动载荷，根据来源的不同又 可分为重力载荷、环境载荷、安装载荷和工作载荷等等，见表2 1 t 1 0 ，3 6 1 。这些载荷在量 级、方向、频率和强度方面各有不同，有些载荷的数值可以准确求得，而另一些由于其 特殊性和随机性，如波浪力等，只能通过各种技术手段进行估算。本文仅对海洋管道铺 设过程中较为重要的一些载荷进行介绍和探讨。 9 第二章海底管道结构及载荷分析 2 2 1 安装载荷 海洋管道的安装载荷是指海洋管道在铺设安装期间所受到的外力。在海洋管道海上 对接的过程中，安装载荷主要包括提吊力( 包括水平张力) 、着陆区内海床与管道相互 作用力、侧移时造成的管道弯曲扭转以及各种原因造成的冲击及振动。此外，管道的自 身重力及海水浮力也是海洋管道安装过程中不可忽视的作用载荷。本文在对海洋管道对 接施工过程进行分析时，对于安装载荷主要考虑吊机提吊而产生的各种作用力，忽略一 些偶然因素造成的动态载荷。 2 2 2 环境载荷 海洋管道的环境载荷是指工作于海洋环境下的管道受到的来自风、波浪、洋流等产 生的载荷。 ( 1 ) 风载荷 风载荷是由于空气相对于地球表面运动而产生的，分为静风载和动风载。在海洋管 道系统中，风载荷一般只应用于立管的强度和稳定性的分析中，而海洋管道海面对接施 工一般选择在无风的良好天气下进行，并且管道露出水面的部分较小，风载作用不明显， 因此本文不考虑风载荷的作用。 ( 2 ) 波浪载荷 海洋管道不管在运行期间还是铺设安装期间都要受到波浪力的作用。尽管海洋管道 的提吊对接大多在风平浪静的天气下进行，但是由于波浪力载荷有较强的动力效应，极 易引起管道的振荡摇摆，不紧有破坏管道的潜在危险，管道的摇摆也会给对接对准及焊 接施工带来不便。 海洋管道对接过程中所受到的波浪力，主要是指拖拽力和惯性力。对于海洋管道来 说其几何尺寸相对于波长较小，管道的存在基本不会改变流场的效应，因此波浪力可根 据莫里森方程求得p 6 1 。 莫里森方程在海底管道水动力计算中的应用直有所争议，因为拖拽力是非线性 的。在大多数的实际工程中，波流运动的方向并不是垂直于管道轴线的，有两种方法对 其进行近似计算。一种方法是沿流动方向计算拖拽力数值，然后求其平行于和垂直于管 道轴线的分量。另一种方法是将流体的速度分为平行于和垂直于管道轴线的两个速度分 量，然后分别求解力分量。这两种计算方法求得的结果有时会有较大的差异，目前应用 较广泛的是后一种方法，并且某些情况下可以忽略平行于管道轴线的分作用力3 7 1 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f l d - 三p c o 圾m d + 三p 巳d 2 也+ 三p q 啦( 2 - 1 ) 式中，厂海水密度，k g m 3 ； d 一管道有效总外径，m ； 五。一水质点相对于管道的法向速度，m s ： z 2 一水质点相对于管道的切向速度，m s ； t 。一水质点相对于管道的加速度，m s 2 ； c d r 法向拖拽力系数； c 厂切向拖拽力系数： 铲惯性力系数。 采用该方程计算作用于海洋管道上的波浪力，需要根据实际海洋环境选择合适的波 浪理论和水动力系数。其选择方法见表2 _ 2 t 3 8 1 。 表2 - 2 各国规范所采用的c d 、c m 值 t a b l e 2 - 2t h ev a l u eo fc da n dc mi ns o m es t a n d a r d s ( 3 ) 海流载荷 在海洋环境中，尤其是近岸海区，海流主要是以潮汐流和风生流为主。同波浪相比， 海流的速度变化缓慢，一般当做定常流进行处理。因此在进行海流载荷计算时，只考虑 其对海洋管道的拖拽力作用，忽略惯性力的作用。同波浪力计算方法一样，海流力也可 根据莫里森公式求得。 2 3 管道应力及强度校核 提吊及沉放过程中管道在安装和环境载荷作用下，会在管壁内产生环向应力、轴向 应力及弯曲应力等。本节就各种应力的产生原因及计算方法进行分析，并给出了采用的 强度校核理论。 1 1 第二章海底管道结构及载荷分析 2 3 1 施工过程中管道的应力 海洋管道海上对接过程中，管道应力主要来自于管道的弯曲变形产生的弯曲应力。 此外由于吊缆的水平拉力及海水的静水压力作用，管道在环向及轴向上都会产生一定的 应力。 ( 1 ) 环向应力 管道环向应力主要由内外压力差产生，计算公式为 q = 虹磐 协2 ， 式中，矿。一管道环向应力，p a ； a 一管道内压，p a ； 见一管道外压，p a ； d 一管道公称直径，m ； f 一管道壁厚，m 。 海洋管道对接施工中管道不存在内部压力，即p f 等于零，管道的环向应力主要由外 部静水压力产生。 ( 2 ) 弯曲应力 管道铺设中在自重及施工载荷的作用下会产生不同过程度的弯曲，尤其处于悬跨段 的管道在自重的作用下弯曲最严重，其弯曲应力也远远大于其他应力。管道弯曲外侧受 拉，内侧受压，其中由于处在管壁最外缘的伸长量最大，因此产生的拉应力也最大。根 据材料力学，在求得管道变形弯矩分布后，可以获得管道各点的弯曲应力： 贝= 丝 ( 2 3 ) 吒= w l z jj 式中，吒一管道弯曲应力，p a ； m 一管道弯矩，n m ； 矿一管道抗弯截面模量，m 3 。 ( 3 ) 轴向应力 处于提吊状态的海洋管道受到吊缆水平拉力的作用会产生轴向拉应力，同时由于静 水压力的作用也会产生轴向应力，实际应力为两者之和 = 而4 t - - v - - - 1 ) 巳一学 ( 2 _ 4 ) 2 币f 雨巳一彳 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中，v 一管道材料泊松比； 口一管道外径，m ； 4 一管道内径，m ； r 一管道张力，n 。 2 3 2 管道强度校核理论 本文采用基于能量理论的第四强度理论为依据，对海洋管道进行强度校核。 盯= 扭( 吒一q ) 2 + ( q 一玛) 2 + ( 吒一吒) 2 ( 2 5 ) o l ，眈和0 3 分别是三个主应力，o 为范式等效应力。将该等效应力同海洋管道技术 规范中规定的管道钢材许用应力m 进行对比，只有当o 0 1 时才满足强度要求。许用应 力的计算通常以该材料的单拉伸试件的屈服极限o 。为基础，除以相应的安全系数1 1 得到 的，即h = o 刀- , 。 对于结构较为特殊的双层管，由于内管和外管的连接方式及功能不同，其承受的载 荷及产生的变形也有所不同，因此应分别对内管和外管进行强度校核。 第三章海底管道与海床的接触分析 第三章海底管道与海床的接触分析 海底管道在提吊及整体沉放过程中不可避免的会同海床产生相互作用力。尤其是在 管道沉放阶段，由于工程船的侧移作用，触底段管道同海床之间发生大幅度的相对运动， 管土摩擦作用十分明显。这种管土相互作用不仅决定了海底管道安装过程中的形态，并 且对运行期间管道的稳定性有较大影响。因此，本章对管土作用进行分析，并分别建立 管土法向和切向接触数值模型。 3 1 管土作用分析 海底管道铺设过程中，海床与管道之间的相互作用关系决定已铺设至海床的管道的 结构形态和管道在竖直和水平方向的稳定性。与海床接触的管道在运动时同海床发生三 个方向上的相互作用：法向( 垂直于海床面) 管土作用，轴向管土作用以及垂直于轴向 的侧向管土作用 3 9 1 。 3 1 1 法向管土作用 海洋管道铺设过程中，已铺设至海底的管道在自身重力作用下会逐渐侵入海床，直 到海床的支撑力同管道重力平衡为止。在管道与海床的临界接触区域，由于海床支撑了 部分悬跨管道的重量，这种侵入现象尤为明显。管道同海床的法向作用关系如图4 1 所 示，平衡状态下需满足以下关系 熙+ 乃+ 乓一2 e 彤 ( 3 1 ) 式中，为管道湿重；昂为管道外部竖直作用力；b 为管道上部的土体重力；弓为剪 切平面内的管土摩擦力；彤为海床对管道的支撑力。 图3 - 1 管土法向作用示意图 f i 9 3 - 1v e r t i c a lp i p e - s o i li n t e r a c t i o n 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在管道初次接触海床并持续侵入的过程中，单位管道长度最大压缩土体反力随侵入 深度的变化采用骨架曲线表示。典型的骨架曲线的建立采用条形基础的承载理论，不排 水粘土中骨架曲线表达式为 绋= 劬b ( 3 - 2 ) q u = c 品+ y z( 3 3 ) 式中，绥，最大单位长度管道所受土体支撑力，n m 幻一最大承载压强，p a ； 召一承载宽度，m ； c 一形状和深度因数，无量纲； 而土体不排水抗剪强度，p a ； 厂一单位土体湿重，n m 3 ； z 海床以下深度，m 。 式( 3 3 ) 中，肛项适用于没有进行回填作业或发生自然沉陷的管道，参数c 根据 式( 3 - 4 ) 采用s k e m p t o n 方法计算 虬叶陬( 1 + o 2 3 西5 当管道沉陷深度超过管道外径的i 2 时，承载宽度b 等于管道外径， ( 3 5 ) 计算 召：2 压五f ( 3 4 ) 否则可采用式 ( 3 - 5 ) 式中，d 为管道外径尺寸。 土体不排水抗剪强度可以视为海床以下深度z 的函数 s u = s u o 七s u g z t 3 6 ) 式中，s ，。海床表面土体的不