（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）胜利滩海海底管道设计理论和工程案例分析.pdf

y 如8 7 8 i 胜利滩海海底管道设计理论和工程案例分析 摘要 ( 近年来，胜利油田滩海石油开发不断发展，现已经建成2 0 0 多 万吨的产能，是陆地油田重要的接替阵地，直接关系到胜利原油的 、i 7 稳产目标，所以一直是关注的焦点。j 海底管道作为海上平台问油气 _ 集输的方便且经济的方式，在工程中得剑j ，广泛的戍用。 j 7 一 本文研究的内容紧密结合生产实际，选取埕岛中心一号平台登 陆管道复线作为依托工程，对滩海油田海底管道的设计，进行了理 一 一 论研究和探讨，并做了详细的计算分析。包括如下的内容：海底管 道的轴线和结构断面的选择、海底管道的强度分析( 包括地震时的 应力和变形分析) 、海底管道的屈曲失稳分析、管道的稳定性原理和 设计、自由悬跨段的涡激振动计算、赢管的设计、施工方法和计算 分析、海底管道的铺设等内容。本文的工作也为以后的滩海海底管 道的设计和研究提供一些指导和借鉴。 关键词脊陆管彤强麟屈曲，稳定性v 市管，管道铺设y 涡激振动 t h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n f o rt h ed e s i g no fs u b m a r i n e p i p e l i n eo ns h e n g l is h a l l o w s e a o i lf i e l d a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fs h e n g l is h ，a l l o w - s e ao i lf i e l dh a sb e e ng r e a t l y d e v e l o p e d n o w a d a y s ，t h ec a p a c i t yo ft h ec r u d eo i lo u t p u t f r o mt h es e ai sm o r et h a n 2 0 0 0 0 0 0t o n sp e ry e a r i ts e r v e st h ep r o d u c t i o no f s h e n g l io i lf i e l dl a r g e l ya n d b e c o m e sa n a l t e r n a t i v ea p p r o a c ho fo i ly i e l d t h e r e f o r em u c ha t t e n t i o ni sf o c u s e do ni t a sa l ls i m p l e a n de c o n o m i c a lw a y ，t h eo i li sc o l l e c t e da n dt r a n s p o r t e df r o mo n e p l a t f o r m t oa n o t h e ro rt o t h el a n dv i at h e p i p e l i n e ，w h i c hi sw i d e l y u s e di no f f s h o r ee n g i n e e r i n g t h e p r e s e n tw o r k i sl i n k e dw i t ht h ep r o d u c t i o no f s h e n g l is h a l l o w s e ao i lf i e l dt i g h t l y b yt a k i n gt h em u l t i l a n d i n gp i p e l i n ep r o j e c tf o rn o 1 c e n t e rp l a t f o r ma se x a m p l e t h e p i p e l i n ed e s i g nt h e o r y a sw e l la st h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni s i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l ， i n c l u d i n gt h el a y i n gr o u t ea n dt h es e c t i o no fp i p e l i n e ；t h es t r o i a g t h ( c o n t a i nt h es e i s m i c d e f o r m a t i o na n ds t r e s sa n a l y s i s ) ；b u c k l i n gi n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o n ；t h es t a b i l i t yo f t h e p i p e l i n eo n s i t e ；v o r t e xs h e d d i n go ff r e es p a n ；d e t e r m i n a t i o no fr i s e r ；t h ep i p el a y i n g m e t h o d s ，e r e t h ep r e s e n tp a p e r s w o r ki sa l s oh e l p f u lf o rt h ed e s i g no fo t h e rs u b m a r i n e p i t ，e l i n eo ns h a l l o w s e ao i lf i e l d 、 k e y w o r d s ：l a n d i n gp i p e l i n e ，s t r e n g t h ，b u c k l i n g , s t a b i l i t y , r i s e r , p i p el a y i n g ， v o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o n ， 塑：! j 坠l 一 1 1 海洋工程概述 第一章前言 人类赖以生存的地球表面的7 0 8 是j “袤的海洋，而陆地面积只约1 1 1 地形表面积的3 0 。 随着人类文明的发展，陆地资源( 包括各种动植物资源、矿产资源等等) 被人餐开采、消耗， 许多臼然资源在陆地已日渐枯竭。与之相比，人类对海洋资源的开发利用还相当有限，闪此， 海洋被称为人类残存的宝库。人口的急剧膨胀与现代文明的e 速发展，使人类面i 临资源不足与 空间不足的危机。闪此，海洋资源与海洋空间的开发与利_ l j ，成为我们今犬面f 临的重要课题。 广阔的海洋蕴藏着极为丰富的自然资源。海洋中大量的水产生物可以为人类提供丰富的蛋 白质，海底的矿产资源则更是令人神往。据推算，许多重要的金属矿产资源在海底的储藏量人 人超过陆地，如表卜j 所示。特别是在水深为3 5 0 0 4 5 0 0 m 的海底表面，分布着厚度达1 m 左右 的锰结核层，更是海洋中晟宝贵的矿产资源之一。开采价值极高。锰结核直径为05 2 0 c m ，其 成分包括锰( 5 7 - 7 6 ) 、镍( 0 0 6 23 7 ) 、钴( 00 0 8 2 0 9 ) 、铜( 0 0 1 3 - - 2 9 2 ) 等。锰结 核年年都在不断生k ，冈此是永久性资源。海底沉积盆地中含有丰富的石油、犬然气资源，据 统计，1 9 6 8 年沿海大陆架所产石油己达全球原油产量的1 7 ，1 9 8 0 年更高达3 5 。此外，体积 达13 7 x1 6 7 k m 3 的海水本身及其所含物质也是一项丰富的资源，除了海水淡化、制盐以外，还 可以从海中提取原子能工业的重要原料铀与重氢。潮汐、海流、波浪、温差、盐度差等又是可 供开发利用的巨大的能源。 在现代海洋开发中，最令人感兴趣的是海洋石油开发，据统计，现已经有一百多个国家进 行过海洋地质勘探，我国具有j “阔的海域，在近海大陆架亦进行了大量的勘探和开发。开发和 利_ l i j 海洋资源离不开海洋l 程，海洋一程主要研究的内容包括： 为海洋研究服务的各种工程结构物与装置。海洋研究是海洋开发和利用的前提和主要 内容之一，为此，必须在海上设置系列的i 程结构物和装置，收集和分析海洋环境资料。 l 弛一帝 前言 为海洋资源开发和利h j 服务的各种i ：程结构物。为了开采海底油气资源，要在海上安 装和设置钻井平台、采油平台、海底管道以及海上储油设施。为了开采其它矿产或者生物资源， 也要建造各种港v i 、养殖场等i ? 释设施。 为保护海洋环境和保障海上安全生产服务的各种设施和设备。 所谓海洋1 ：程结构物是为海洋开发所建造的结构物的总称。对丁海洋_ i 油米讲，就是各种 钻井船舶和海上固定和浮动建筑装置平平台，海底管道，也是海洋工程结构物的一种类型。 1 2 本文的背景及管道设计和研究的主要问题 我国渤海海滩，浅海海岸线总长2 2 8 0 公里，油气资源十分丰富，辽河、人港、胜利海区， 较乐观地预测石油资源每达3 8 亿吨。沿渤海湾浅海将成为未来我国尔部地区增加储茸，提高产 量的重要地区之一。胜利埕岛油田就是该区主要的开发主体区域( 埕北1 1 、埕北2 2 区、埕 j 匕2 5 区、埕北2 5 1 区等) ，现已建成井组平台3 3 座，单井平台9 座，中心平台2 库( 中心一号 平台和中心二号平台) ，己建海底管道4 0 k m ，埕岛油田主体区域采用的是卫星平台与中心平台 相结合的集输方式。各平台生产的油气通过海底管道混输到中心平台进行处理，处理后的低含 水原油雨通过登陆管道输送上岸进一步处理外输。 随着全球经济的发展，对海洋_ i 油的需求也在增加，而把石油和天然气从海上平台输送至 岸上的最经济的手段就是j l j 海底管道。近年来，海底管道的口径和数量都在稳定的增长= 。所以 对丁海底管道的研究就显得非常重要。 海底管道研究和设计的一些主要问题有： 海洋水文环境以及地质资料的分析。 轴线位置和管道系统的总体设计 管道结构设计、强度、稳定性分析、屈曲分析，以及在地震设防地段的地震计算。 关丁上、卜平台的立管设计，立管是海底管道系统中的一个重要组成部分，义是薄弱 环 ，戍予以重视。立管也包括登陆或者r 海部分的结构设计。 第一帚前占 海底管道的施】方案的选择。由丁海上施i 风险人，费州高，要进行细致分析和讨论。 1 3 本文的主要工作 由丁埕岛油田属丁滩海油田，有着1 。深海油田不同的环境特点，所以在铺没海底管道方面 有很多需要特别考虑的冈素。本文对滩海海底管道设计所要考虑的主要问题进行了原理和理论 探讨，选取典驰的中心一号至海二站海底输油管道登陆复线作为依托【程，从设计角度进行了 计算分析。为以后的滩海油田海底管道的研究和设计提供一些借鉴。 笙二至j 垄型生一 2 1 工程概貌 第二章工程介绍 目前，埕岛油田已建成年产原油2 0 0 万吨的规模，主体区域平均上岸液量近8 0 0 0 m 3 d ，随 着更多注水井的逐步投产，上岸液晕将快速增加。根据预测2 0 0 1 年主体区域上岸液鼙将达到 1 2 0 8 4 m 3 d 冈原有登陆管道的最人输送能力为9 2 4 0 m 3 d 左右，为确保海上埕岛油田的止常生产， 需要建设中心一号至海三站海底输油管道复线( 以f 简称为登陆管道) 。登陆管道的建成投产， 将使埕岛油田主体区域具有两条登陆管道，互为备州，可确保埕岛油田的正常生产雨i 应急情况 f 的原油外输。 2 2 轴线布置 海底管道的轴线布置，要根据1 程总体规划和生产 ：艺要求加以确定， 必须满足生产j 一艺要求和总体规划，满足使用要求，是第一位的。 海底管道路径力求平直，避免管道出现曲线段和跨越深沟。这样 道的长度，二是可以避开海底管道曲线段和跨越深沟时带来的施工困难。 般原则如r 是可以减少海底管 管道轴线，应处于海底地形平坦且稳定的地段。应避免在起伏较人，受风浪直接袭击 的岩礁区域内定线。定线时应尽堵避开正常航道和海产养殖、渔业捕捞频繁区域，当确实避不 开时，力求此处管段最短，而且该段管道的埋设深度应予加大至安全埋深以上，防i e 航行船舶 或渔船抛锚、拖网渔具等直接损伤海底管道。 海底管道登陆地点要选择不受台风、波浪经常袭击严重的位置，坡度合适的岸滩。对 丁- 处丁波浪破碎带的管段，旖7 ：作业条件差，应尽可能埋设在沟槽内。 新铺设的海底管道，要距原有的海底管道有足够的水平距离，一般要在3 0 5 0 米以上， 乖直距离麻至少有3 倍以上亩径。 4 塑：至一生里坌竺l 一 登陆管道的走向布置剀见图2 - 1 。 由丁沿线已经铺设了一条中3 2 5 的油管道，所以这条新建 管道基本平行丁原管道进行铺设。住施i ：时，应保证两条管道之间的安全距离。 2 3 环境条件 埕岛油田的自然环境条什的基本情况为 - 潮何 5 0 年一遇： 极限高水位 + 3 0 2m 设计高水位 + l 4 1m 黄海平均海平面0 0 0m 极限低水位 一0 6 0m 校核低水位 一2 2 5m 波浪 如f 表2 1 所示 表2 1 波浪资料 最人波高周期有效波高 周期 重现期 h m a x ( m )t ( s ) h l ，3 ( m ) t ( s ) 5 0 年6 58 6488 o 1 年2 58 01 97 0 海流 主要为往复流，流向e s e w n w 5 0 年一遇最大可能流速： 表层1 7 0 7c m s 中层1 5 4 9c m s 底层1 3 4 5c m s 笙三童 一二墅里坌兰l 一 1 年一遇最人可能流速： 表层1 0 20c m s 中层9 1 0c m s 底层8 70c m s 水漏 水面最高温度：2 8 。c 水面最低温度：一0 7 平均海水温度： 春季：水面1 1 3 4 。c ，底层1 0 3 4 夏季：水面2 3 6 2 。c ，底层2 3 6 2 。c 秋季：水面1 97 7 ，底层1 92 7 。c 管道施j 安装温度：1 5 。c 气温 极端最高气温：3 9 6 。c 极端最低气温：1 8 o 。c 海冰 结冰期1 2 月，3 月，平整冰厚4 5 c m ，单轴抗压强度2 2 4 4 k p a ，弯曲强度8 9 0 k p a 。 地震 地震设防烈度8 度。 海生物生长 预计5 0 年海生物生k 厚度5 0 m m 。 十壤 水f 容重：最人e 0 5 0 k g m 3 ，最小7 0 0 k g m 3 抗剪强度：最人1 1 7 7r n m 1 ，最小5 8 8k n m 6 丝二至堡堂f l 一 图2 - 1登陆管道布置图 f f g 2 一il a n d l n gpj p e l i n el a y o u t 7 第一帝 丁程介绍 摩擦系数：横向0 6 ，纵向04 2 4 构造特点 考虑到管道的使用要求和运行条什，安全顺利地输送油流以及管道的耐久性；从管道的保 护、防腐、保温和改善管体受力和配重等目的来看，海底管道的断面犁式一般有两种：即单层 管和舣层管结构两种掣式。 单层管结构断面：如图2 - 2 所示，有外防腐层，内防腐层，防护加重层，这要根据管道稳 定性的需要利管材以及输送介质的性质来考虑设置，不是每一种海底管道都是一样的。 舣层管结构断面：如图2 - 3 所示，一般是，内管外再套一层外管，内外管之间的环形空间 设置隔热保温层，内管内表面设内舫腐层，外管外表面设外防腐层平防护加重层般层管道有 很好的保温平配重效果，在海底输送易凝原油、又有保温要求的管道中被普遍采川。缺点就是 施l 复杂，难度高。 i 。；。卜 7 夕? 飞、 t i ；夕 图2 - 2单层管结构断面 图2 3 双层管结构断面 f i g 2 2 s i n g l ep i p es e c t i o n f i g 2 3 d o u b l ep i p es e c t i o n 内外管的连接方式，有三种。一种是内外管可以自由移动的套式联接，种是内外管之间 第章 t 程介绍 分段间隔俐定的联接，联接构造有支撑板、支撑环、密封环，吲定支撑扳等。再有就是在套式 联接的基础上，内外管的之间的环形空间内灌注水泥砂浆的全线同结方式。 埕岛油田的油品性质，由丁凝吲点高，粘性人，经分析，管道在输送过程中，必须要求保 温。登陆管道为舣层管保温结构，其中内管为q b 4 5 7 x 1 4 3 ，材质a p i5 lx 5 6 无缝钢管，外管为 巾5 5 9 x 1 2 7 ，材质a p i5 lx 5 2u o e 直缝埋弧焊钢管，内外管的环形空间充满泡沫黄夹克保温材 料，连接方式是住管道的轴线上每隔5 4 0 米设置一个锚吲仆，即相当丁嗣定支撑环，一方面可 保证内外管之间的同心度，另方面使两者共同承受轴向力，限制相对位移，再有就是即使在 意外情况f ，管道一段遭到破坏，不至丁- 影响剑整条管道。 笙三皇j 里些型兰型兰丝土兰! 苎_ 一 第三章强度计算理论与方法 3 1 海底管道的作用荷载和分类 3 1 1作用荷载大致有以f j l e ： 重力海底管道的所有白重、内存物重量、静水压等。 浮力管道浸没丁水中，流动十、浮筒提供的浮力以及水面波动引起的变化。 阻力( 拖曳力)波浪水质点的速度、涡流、止常潮流速度，立管部分的风速等。 惯性力船舶的运动，铺管时的张力，缆索的张力，波浪水质点的加速度，冰的撞击以及 地震的加速度等。 张力( 拉力)船舶的牵引，张力器，管子内压，温变引起的收缩，重力，以及地震引起 的轴向拉力等。 压缩力( 压力)温度引起的膨胀，冰的挤压力等。 弯曲与扭转船舶的运动，管子在制造过程中的变形，立管安装等。 外压静水压，十压，管子上稳定压块重，地震引起的动水压，后挖沟的挖沟机械重等。 内压输送流体的压力，试验水压等。 冲击力船锚冲击，流冰冲击等。 振动力风，波浪，水流的作j 【_ j ，管内流体的脉动等。 在上述各种荷载中，有的可以准确地计算出来，有的只能大致地估算或者通过做试验得到， 所以在设计中，要综合考虑安全性和可靠性的要求。 3 1 2 荷载的分类 海底管道计算_ 【 j 的荷载可以分为两种计算状态，种是生存和使_ | ；| 期，一种是施l ：安装、 铺设期。 生存期的殴计荷载，可以按照5 0 年或者1 0 0 年重现期的环境荷载资料，这要根据业主的要 1 0 塑三里型堂型塑型二 求而定。施【安装与铺设时期的计算荷载，往往重现期只取一年或者儿个月，网为住海底管道 的施i ：组织设计中，完全可以避让而寻求最有利的施【季 ，和日期。 3 2 强度计算理论与分析方法 3 2 1管路内流体压力作_ e jf 的管壁应力主要为环向麻力，管壁的受力如图3 - 1 所示 由分析可得到管擘的环向应力为： 口，= ( 只一e ) 万d ( 3 1 ) 式中p i 内部压力 p e 一外部压力 口一管子的公称外径 t 一管壁的公称壁厚 1 图3 - 1管壁受力状态 f i g 3 一1 f o r c ei np i p ew a l l 对r 内压引起的剪切应力和轴向应力由- 7 , 1 e 4 , ，一般在丁= 程中可忽略掉。 ，一潞 第二章 强度汁算删论+ o 方法 3 2 2 由丁温度变化引起的管鼙应力 对丁管道是埋入十中的双层管结构，内外管义是分段间隔周定的构造形式，当外管受剑 周同十壤介质的约束与管肇间产生的摩擦阻力相平衡时外管是不能有轴向位移的，内管在 温度升高时要热胀伸长，但内管与外管在圊结部位相对嘲定，在吲定部位处也不可能有轴向 受拉。冈此内管受到外管的牵制作_ l j 不能伸k = 而受轴向压应力，外管受到了周用十壤介质的 约束，所以这时的外管与内管一样承受轴向压应力，最终由周围十壤介质之间的摩擦阻力相 平衡。 计锋舣层管道由丁- 温度、乐力乘i 十壤摩擦力引起的轴向麻力计算程序为d p i p e ，管道的 计算模型见图3 2 ： 3 2 3 弯曲管道中的应力 管道在施l 安装、铺设过程中尤其在管道铺设的前后，必然在平面和立面| = | 存在着不同 程度的弯曲( 冷弯) 。管道有了这种类型的弯曲，就会在管体内产生弯曲麻力和应变。 如图3 - 3 所示微弯曲的管段，处在圆弧的管壁最外缘的伸长量最大，所产生的弯曲轴向拉 麻力也最大，在内侧则承受轴向压应力。 a l 口= ，2 一，l 由图3 - 3 中看出，管道弯曲时管擘外缘纤维伸长量为 图3 - 2双层管计算模型 f i g 3 - 2 a n a l y s i sm o d e lo fd o u b l ep i p e ， h 、一：。气 rj 型坐 ，p 竺 。 川 。i 丁 羽 丝三童 堡壁生望些丝：! 塑鲨 其中 图3 - 2 微弯曲管段 f i g 3 - 3 m i n i - b e n d l n gp i p es e g m e n t ，2 ：目( 月+ _ d o ) ，= 曰r 虬毋拿 单位k 度的应变为 ，一a i 口 一丁 并分别代入可得到，管道在微冷弯时管壁外缘纤维引起的轴向拉席力为 銎三至塑堡型! 型堡! 垄型l 一 盯b = e s 口= e d o 2 r ( 3 2 ) 式中o 。管段微弯曲( 冷弯) 引起的轴向拉应力 e 一管道金属材料的弹性模量 d 。一管道计算外径 r 一管子的弯曲半径 3 2 4 钢管的强度计算和容i 午应力 在管道设计中钢管强度的计算，通常是将前述有关内压产生的管擘戍力、温度变化在管鼙 引起的应力和钢管弯曲时产生的管擘应力，根据它们同时产生的条件和状态，把各向应力分别 迭加，在按适川的强度理论来核算的。 关r 强度理论，一般分为两人类。一类是用于二塑性材料的；另一类是t l i r 脆性材料的，凡 当材料受拉时，其伸长率5 的材料为塑性材料。一般的管道钢材的伸长率都在5 以上，均 属丁塑性材料。第一类强度理论包括有四种，最人应力理论、相当麻力理论、最人切应力理论 和能颦理论。对丁管道川的钢管的强度计算，根据材料特性，多数按照第四强度理论即能量理 论进行计算，并忽略掉剪切廊力的影响： = 仃，2 + 盯，2 一盯。- 仃，+ 3 r 。2 ( 3 3 ) 并不得超过许用鹿力值 o1 对丁的选取，一般是以管材试件做拉伸试验的屈服极限( 屈服强度os ) 为基础，考虑相应 的安全系数，得到材料的容许鹿力，表3 - 1 是d n v 规范规定的利用系数。 对丁双层管结构，内管与外管的强度设计应分别考虑，可以根据具体情况假定： 在使_ l i 时期外管一主要承受外压和管道微弯曲的弯曲虑力，有时根据内外管连结构造特点要承 受温变应力等；内管一主要承受内压和温变应力，以及管道白重引起的弯曲应力等。对丁施i ： 荷载，敷设虑力，在核算时从设计角度应该设法考虑内外管共同承受的可能性和可靠性。 4 第二帝 强度汁算螋论1 ，方法 荷载条件 区域 b 地震 1 区 o 7 20 9 6o 9 6 2 区 05 0o 6 7o8 0 表3 1海底管道系统规范c c s l 9 9 2 规定 t a b l e3 - 1 f a c t o rf o rc c s l 9 9 2 3 3 海底管道的抗震原理与设计 3 3 1 地震对螂地管道豹影响 随着我国海上油田的开发和利川，对某些海域或地区在铺设管道时，如在地震设防区域范 围内，就必须考虑抗震设计。 由一般的地震知识得知，地震的发生大多是由于地层断裂，坍塌和火山爆发等原网引起的 在海上还可能引起海啸现象。多数地震是属于地壳的变动引起的构造地震，冈而涉及的范闱比 较广。所以，处下地震区域内无论是陆上或海上，都将受到地震的影响。 地震时管道受到的破坏，是由r 地震波沿着管轴线方向通过时，管道周围十体变形迫使管 道要有同样的变形所造成的。因为十介质与管道本身变形的弹性模量相差甚大，要具有同样的 变形对钢管来说就不太可能，因而钢管就要承受较大的拉应力。这时管道引起的变形是以轴向 变形为主。对于弯曲管段和大口径的管道还应计算弯曲应变。所以，埋设管道在地震时的破坏 是由丁承受人的轴向拉戍力和弯曲应力所致。在不同地段管道受到不同的地基十体变形的影响， 使地震力不均衡和地基十：体变形不等。这样，可有以卜几点作为管道抗震力设计的基础： 地震时管道要求与周围十体具有几乎相同的变形，或使管道承受轴向力来克服这变形 的不等。 地震时管道( 直线段) 变形以轴向应变为主，而弯曲管段和大直径管道还应考虑弯曲 戍变。 笙三兰 堡塞生塞些! 竺塑鲨 实际资料表明，发生强烈地震时若管轴线方向与地震波扩展方向相重合，管道会受到更大 的轴向鹿力，多数埋地管道就在该轴向应力作川f 遭受破坏。管道在地震时相伴地基十体一起 变形，在地基土体变形愈大的地方，管道的破坏将愈严重。因此，就可以把它作为埋地管道抗 震设计的出发点，并假定按管道承受与周围土体有同样的纵向和横向变形造成的应力和应变而 进行设计。 地震时对埋地管道的影响，可概括为位移( 断裂) 和振动两大类。其中，位移是对地基十 体的商接剪切的初始剪切位移，这种位移有时也会引起地下结构物的破坏。这一类影响，通过 覆盖层传到地表层，使地基土体产生较人的位移或士体结构丧失稳定性。例如，地基十体的液 化、滑移和陷落等现象都属于这类影响。 振动的影响，是假定地基土体在不丧失稳定性的情况下，给予地下结构物的动力效应。这 时，把埋地管道视为一弹性地基上的无限长粱，并考虑到管道周围土体的摩擦力的存在或改变 就可以比较容易地了解管道在地震影响f 的性状。 埋地管道作为一种地下结构物，它所具有的特点与一般的海洋固定平台等结构物还有所不 同。海底管道是沿着地表层铺设，它铺展的长度非常大，多数又是埋置在海士中，是完全或部 分受周围土体约束的地f 结构物。很显然，要使设计的结构物去限制周围土体在地震时的变形 是行不通的，即使可行也是不经济的。与此相反，有效的抗震设计体系在于所设计的结构物， 能以设法顺从( 适应) r 十体这一变形( 位移) 而不遭受损坏，才是合适的结构抗震设计措施。 当然，最好在管道工程规划布置中，尽量避开对位移敏感的地基土体地段，即尽量躲开在软弱 地基士体中铺设管道，这是最有利的方案。但对海底油气管道，要做到这一点很难，它的路径 多数是由油、气井的位置或平台位置来决定的。 3 3 2 地震时地基土体的变形 地基土体( 周围土体) 的破坏，主要是由于管道周围土体变形所造成。根据埋地与地基土 体的刚度特性，管道在地震时将伴随周围土体一起变形。所以，前面假定管道将承受与周围士 体同样的纵向和横向变形引起的应力与应变。 6 兰三皇 塑鏖生兰兰兰兰翌垡蔓一 地基士体( 周围土体) 的变形，可简单地按表面波理论进行分析。这时，地震时的地面运 动非常近似于正弦波型的平面弹性波，则地面运动特性可描述为： 心) = a o s i n 等( r 一。， 式中y ( x ，t ) 一地震时地基土体的位移虽； a 0地面运动的位移振幅： x 一水平距离； t 一地面运动的卓越周期； t _ 时间； v 一地震波的传播速度，对于纵波为v p ，横波为v s 。 对上式中的x 微分，再分别代入纵波传播速度v ，和横波传播速度v 。，即可得地基七体的 纵向和横向变形。 纵向变形； s ，一。等古c 。s 等c 卜毒， 。， 有 ( 3 6 ) 如将式( 3 4 ) 对t 进行一次和两次微分，即可求得地基土体变形的速度以及地面加速度 x 一 一 o 堡， s 一以 堡r 川 形 i | 变 如 甸横 笙三垦塑堕型! 翌兰笙三翌翌墨一 y = 象= a o 7 h - c o s 7 2 孙- 一言)2 畜2 c 0 8 ( 卜歹) y ”= 窘。c 争2s i n 等”旁， 得最大地面运动加速度： a m a x 刊。( 2 t r 2 3 8 如令，一o 。( 2n t ) 2 = k g ，即以重力加速度为单位表示的地面运动加速度，其中k 为地 震系数，则 a = k g ( 3 9 ) s ：x g r 。1 2 r c v p ：k g r $ 1 n l x 2 石 ( 3 1 0 ) 关于地震系数k ，按照海上固定平台入级与建造规范c c s1 9 9 2 规定，对地震裂度7 ，8 9 度分别为0 1 ，0 2 ，0 4 。 3 3 3 地震时管道应力 ( 1 ) 如按前述的分析，地震时管道具有同周围土体同样的变形所引起的附加应力。即把前 面求得的地基土体最大变形强加于管道，从而求得地震时的附加应力。分别为： 盯m a x2 1 x e 塑弛 e 塑三童 塑堕旦兰塑型兰堑塑苎一 ，弘。g = 鬟g ( 3 1 l 式中e 、g 分别为管道钢材的弹性模量( e = 2l x l 0 “n m 2 ) 和剪切模量( g = 8 1 x 1 0 o n m 2 ) 。 这样，式( 3 1 1 ) 求得地震时所受的轴向拉应力。一和最大剪切应力t 。 一般纵波传播速度v 。、横波传播速度v 。及地面运动卓越周期t ，都与地基土体类别( 性质) 有关。地震系数k ，如前所述与所处地段的地震烈度有关。 对于表层匀质的地基土体，当其厚度为h 时，其卓越周期t 还可以近似地用f 式估算： ，兰 b 仞 式中c 一与地基土体类别有关的系数，对一般粘性土c = 4 0 ；砂性士c = 5 2 。 这样，式( 3 1 0 ) 可改写为： 郎。2 i c 可k g h 占一。2 i c 可k g h ( 。，) 当表层土不同时，对纵波传播速度可以用加权平均法求出。 ( 2 ) 对于弯曲管段和直径较大的管道，考虑地震引起的弯曲变形及弯曲应力。只需将式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) 再次对x 微分，则： 萨0 2 y = 石1 = 砜( 等) 2 古s i n 等( 卜萨2 石一4 。( 了) + 矿8 m 了( 卜歹) ( 3 1 4 ) 塑兰翌塑塑些堕型一 令 s i n 塾t ( 卜三v ) = 1 、 并将v 。代入上式中v ，则： 去一。c 专2 等 。1 5 冈此，管道由于地震引起的弯曲变形，为 l 占x2 石 ( 3 1 6 ) 式中 r o 一管道的外半径； e 。i 一管道最大的弯曲变形； p 。i n - 一管道的最小i t t t 率。 这时，地震在弯曲管段引起的附加弯曲应力为o 。一 一一“饱2 等m 同样，可以求得弯曲变形引起的附加剪切应力t 。一 一a x - 眦x g - 等g 限 利用式( 3 1 7 ) 与式( 3 1 8 ) 相比，就可以看出地震时引起的弯曲应力与轴向应力之间的关 系，有 笙三垦里堡垒羔堑些墨兰堑! 鲨一 7 k 2 r t r o 因为2 r o = d 。( 为管外径) ，t v 。= l ，( l ，为地震波纵波的波长) ，则 三坐：生 岛一咒d o ( 3 1 9 ) 同理，可得 毛。l s 占日m 加o ( 3 2 0 ) 其中，l 为地震波横波波长。 由式( 3 1 9 ) 得知，其中地震波纵波波长l p 相当长，因而v n d o 值比较大，即e ，en ， 从而证明了前述地震时管道以轴向变形为主的结论。 除此之外，有关地震对海底管道的影响，按照1 9 7 3 年日本石油管道企业和企业设施技术 标准的详细规定中提到地震对管道的影响，还有：地震引起的惯性力、土压力和动水压力( 浮 托力) 等方面，在这里不再详述。 3 3 4 海底管道的抗震设计 地震荷载作用于海底管道，是一种偶然的特殊荷载。所以，对计划需要考虑抗震设计的海 底管道，应当以正常运转状态+ 地震荷载进行组合。 管道的正常运转状态，是指海底管道处于正常的工作状态。即管道在正常的工作内压、外 压( 静水压力和埋深士压等】，正常输油温度下的温度应力，管道铺设以后的蛇形弯曲的弯曲应 力，管道及管内液体自重引起的应力等的工作荷载条件和应力条件。 堑哆 堕砩 =雪| 一 q 一 笙兰童量垦旦塑型塑竺! 互望l 一 而对那些环境荷载一风、波浪、潮流、冰凌等，只考虑一般状态的海况，有的海底管道规 范明确规定这些荷载不再与地震荷载组合。 地震荷载，即考虑上述有关各项地震引起管道的各种应力和各种影响引起的荷载与外力。 在考虑地震对海底管道作用和影响的管壁强度核算时，按照地震荷载的特殊条件和作用性 质，允许提高许用应力。在c c s l 9 9 2 海底管道系统规范中就规定地震时许用应力利用系数如_ 卜 表3 - 2 所示： 1 区 o 9 6 2 区( 包括立管) o 8 0 表3 - 2地震工况许用应力利用系数 t a b l e 3 - 2 f a c t o rf o rs e i s m i cl o a dc a s e 在上节中，地震时管道承受的各种应力已经明确。对这部分应力只要明确荷载组合条件， 就可以分别进行迭加并加以核算。 管道的抗震措施，应列为管道抗震设计内容的一部分。这些常用的抗震措施有： 柔性接口比刚性接口的抗震性能强。凡与重大设备或其它结构物联接的海底管道，无 论在水上、水下或在海底士中，均应首先考虑柔性连接，或留出必要的变形余量。考虑到地震 时管道有较大的轴向变形，改变配管方式留出一定的变形余量，如采用焊接的弯管段或用挠性 组件进行焊接连接，加大管道的挠性提高其抗震性能。 对于海底管道分叉部位或主管上接出支管的三通，应采取在分叉部位或三通局部予以加强 的办法，以提高分叉部位局部的抗震能力。 海底管道在定轴线时，尽可能避开斜度大的地基土壤地段、基底深坑洼陷地段和沟坎 等复杂地形的地段，这些地段如地震发生时会引起更大的地基土体变形，稳定性差，管道易遭 震害。如必须穿越上述地段时，应对管道采取相应的加固措施。 改进工艺布置和规划，对管道抗震性能影响很大。如前所述，管道的管路液流不应留 丝三兰 塑堡生望些丝：! 互鲨一 有死端或盲管。i ：艺设计上必须设置管路死端或盲管，则应在管路上每隔定距离设置节制阀 预防地震时产生过大的内部水压力和水击压力。节制阀设黄间距由核算确定，有时仅为1 k m 。 海底管道立管，在抗震设计中仍然是个薄弱环：前，特别应注意与海底管道、平台之间 的联接和斟定。而且，必须对地震后的次生震害引起的立管损伤，加以仔细考虑。 3 4 登陆管道的强度分析 3 4 1 运行期管道的强度校核 管道的特性计算采用f r i c t s 程序，计算结果见计算机输出报告附录0 0 1 ： 由于管道内压与外压引起的环向应力只校核再启动状态，采用程序h o o p s 计算 结果见计算机输出报告附录0 0 2 ： 由于温变、外部压力和十壤摩擦产生的轴向应力采用程序d p i p e 计算，结果见计算 机输出报告附录0 0 3 ： 管道的弯曲应力由于管道在铺设到海底以后，不存在弯曲问题，所以不校核弯曲应 力。 管道的组合应力采用程序u n i t y 计算，结果见计算机输出报告附录0 0 4 ： 3 4 2 管道的抗震设计分析 管道的抗震设计分析，由于该区地震设防烈度为8 度，所以必须按照规范进行验算。仅校 核由于地震引起的轴向力，计算参考采用“日本工业管道基准”推荐的方法，程序为“p s p ”， 计算结果见计算机输出报告附录0 0 5 。另外，地震轴向应力与其它的应力组合的校核采用程序 u n i t y 计算，结果表明，在地震期间的管道强度是满足规范的要求的，详细内容见计算机输出 报告附录0 0 6 。 笙些兰 笪望竺旦塑叁堕坌塑 第四章管道的屈曲失稳分析 4 1海底管道的屈曲原理和分析 海底管道强度设计与计算，实际上只考虑了管子破坏形式的一种管子过度屈服的强度破 坏形式。显然，海底管道( 包括立管) 的设计中，仅仅对对管子做强度保证是不够的。海底管 道的破坏形式除了强度破坏以外还有一种屈曲破坏形式，钢管的屈曲失稳原冈，通常有在外压 作用r 的弹性失稳，机械作用或者钢管本身的缺陷造成的局部屈曲；弯曲屈曲和象“压杆”一 样的纵向屈曲等。而且，海底管道钢管失稳破坏也有两种不同时期，即运行期和施工安装、铺 设期。大量的海底管道失稳事例表明，发生在施工安装、铺设时期的为大多数。 局部屈曲 在海底管道安装、铺设进入到深水区时，由于管子受到的静水压力显著增加，管子有可能产 生压溃( 屈曲) 的问题。影响压渍的因素主要包括：管子本身的缺陷，径厚比d t ，管材的应力 一应变曲线特性，静水压力以及管子上的弯矩， 者翘曲褶皱超过规定的限度。 当只有静水压力时，管子局部屈曲的理论压力 一= 苦3 式中p 盯_ 弹性失稳的临界外压 e 一管材的弹性模量 u 一管材的泊松比 d 一名义管径 轴向张力等。管子屈曲就是管子截面扁平化或 可由铁摩辛柯弹性稳定理论公式给出 ( 4 1 ) 2 4 笙型童 篁堕堕旦堕苎垦塑生| 一一 t 一管擘厚度 实际上，埋置海底管道的稳定分析，在r 合理地选用管道结构的儿何尺度和钢管材料的性 质。对于管道，可视为无限长的无加劲的圆柱壳，在这种条件f ，钢管在外压的作用下的弹性 失稳只能是椭圆状失稳( 即压扁) 的最不利状态。 一般说来，海底油管道的径厚比d a 比较小，如果管子制造时的缺陷很小，所处水深又不 大时，局部屈曲一般不易发生，埋置在海底面以下的输油管道，由于受周围十壤嵌制作_ i ；i 的约 束，局部屈曲的可能性会更小。 在i 程中，一般是参考d n v l 9 8 1 海底管道系统规范中给出的公式： 其中 o = 2 0 。( 丢) u盯e j 旷 ( 4 2 ) 驴z “卅；( 到 ， 盯e j ( 4 3 ) 咿e ( 击) 2a e ( 寺) 2 鼢r 屈曲传播 前述的局部屈曲只是出现在管道的某一局部，而屈曲传播使管道某一局部的局部屈曲扩展， 屈曲传播的长度在管道上有几百米到上千米，速度异常迅速。 管道在深水中，一旦有某部位由于意外事故，产生局部损伤，该处的承载能力降低，发生 局部屈曲，届曲将沿着管道的轴向传播，将整个管道变平压溃。在国外，每修复l 公里届曲管 道需花费大约1 5 0 万美元。屈曲传播曾给海上石油、天然气生产带来巨大的损失。因此，管道 塑型兰 笪垄塑垦些查壁坌塑 屈曲传播的研究具有重要的意义。白1 9 7 0 年以来，各国专家对屈曲传播问题进行了人量的研究， 包括届曲传播的条件、形式、速度以及止屈措施等。 由巴帝尔在管道上的试验表明：屈曲现象的传播是沿管子的轴线发生的，主要来源于静水 压力。管道上屈曲传播，首先要在管子先有局部屈曲，这种局部屈曲由深水的静水压力、铺管 时的管段弯曲、机械撞击的局部损伤造成的局部屈曲和管子的原始缺陷等，且在d t 比大的管子 中容易诱发。当管子的铺设深度大于对应的屈曲传播压力时，管子上已经有的局部屈曲开始扩 展并传播，而且一直传播至水深小于传播压力相对应的传播深度位为止。 当深水管道从铺管船弯曲铺设下放到海底时，可能使管段屈曲的压力比原先没有的管段压 力要低。这时管子屈曲造成的损伤程度，取决于两个相应的临界压力一屈曲起始压力和屈曲传 播压力。对应于屈曲起始压力p 。的水深称为屈曲起始深度d ，对应于屈曲传播压力p 。的水深称 为屈曲传播深度d p ，并且屈曲起始深度d ，总是高于屈曲传播深度d p ，就是说铺设深度一目造成 管子起始屈曲，那么这种届曲现象肯定传播，一直传播到小于屈曲传播深度为止，相互关系如 图4 - 1 所示。 当管道设置最大深度d ；和屈曲传播深度d d 时，即使管道由于施工或者其它原因造成的局部 屈曲，这种局部屈曲仍将保持在管道某一局部，而不会在管道轴向扩展。 当管子最大铺设水深在屈曲起始深度d ，和屈曲传播深度d p 之间，d l d d p 时，则管子上如 有局部屈曲存在，它将可能传播到更深部分的管段。如果管子上没有局部屈曲，则局部屈曲既 不能发生也不会传播。 当管子最大铺设水深大于屈曲起始深度，即d d i ，这时，管子铺设到深度d ；时，将发生局 部屈曲并将沿着管轴的方向自由传播，一直扩展到响应的传播深度以上。 _ i 茁曲传播问题的研究一直是研究者关注的，近几年来，下面介绍比较新的圆柱壳分析模型， 分析管道在静水压力作用下的弹塑性大变形、压溃过程和屈曲传播压力。 在以往的研究中，都是基于形变理论，因此受到了比例加载条件的限制，而管道过渡区域 的存在本质上使得这一假设前提不能成立，为了从理论上进一步估计过渡区域的纵向弯曲所造 塑型皇 笪望塑旦盟查壁坌塑一 成的影响，h mj e n s o n l 9 8 8 年提出了圆柱壳分析模型，它从二维有限应变分析出发，借助j z 流 图4 - i屈曲起始压力和屈曲传播压力 f i g 4 1 b u c k l i n gi n i a t i o n p r o p a g a t i o np r e s s u r e 动增量理论，在给定端部边界条件的情况下对管道的过渡区域进行了有限元计算，结果表明对 于各种r 凡比值的管道，算得的p d 比形变理论的值要高出8 3 6 。 ( 1 ) 应力和应变描述 设变形前圆柱壳的体积为v ，表面积为s ，受力后对初始构形标架点位移的斜变和逆变分量 分别为ui 和u ，k i r e h h o f f 应力张量的逆变分量为t6 ，g r e e n 应变张量的斜变分量为由定 贿：铲三b 喝) ：批州州吼 ( 4 4 ) 式中，“i ”表示协变导数，g u 和g 6 分别表示变形前后协变基矢的度量张量，它们对应的行 列式用g 和g 表示，由此可得e u l e r 应力张量o