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海底長輸油氣管道的隆起屈曲分析

文檔作者：余志兵，孫國民，王輝，高嵩文檔來源：海洋石油工程股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2023年01月29日
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第30卷第2期
2015年04月
中國海洋平臺
CHINA 0FFSHoRE PLATFoRM
V01．30 No．2
Apr．，2015
文章編號：1001-4500(2015)02—0064-06
海底長輸油氣管道的隆起屈曲分析
余志兵，孫國民，王輝，高嵩
(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)
摘要：該文基于Palmer等研究學(xué)者提出的半經(jīng)驗解析公式，探討了海床幾何初始缺陷、溫降及土壤特
性等因素對分析結(jié)果的敏感性。結(jié)合工程計算所需的前提假設(shè)，通過使用自編程序?qū)σ还こ虒嵗M(jìn)行分析，結(jié)
果表明該方法的計算量小、直觀性強(qiáng)，對：r-g／i!￡計具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：長輸海底管道；高溫高壓；初始幾何缺陷；隆起屈曲
中圖分類號：P756 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Upheaval Buckling Analysis of Long Offshore
Multiphase Pipeline
YU Zhi—bing，SUN Guo—min，WANG H ui，GAO Song
(Offshore Oil Engineering Co．，Ltd，Tianjin 300452，China)
Abstract：Based on the semi—analytical formulation proposed by Palmer et al，the sensi—
tivity of analysis results influenced by geometry imperfection，temperature decreasing and soil
parameter were investigated．Combined with the assumption required in the practical proj ect，
an example will be analysed by in—house program，which can direct the engineering applica—
tion．
Key words：long offshore pipeline；high temperature and pressure；initial geometry im—
perfection；upheaval buckling
O 前言
隨著海上油氣資源不斷地開發(fā)與利用，高溫高壓海底管道的工程應(yīng)用逐漸增多，同時海底管道在溫度與
壓力下的變形問題也逐漸顯現(xiàn)出來。對于埋設(shè)在海床以下的管道，受管溝不平整度及海床土壤約束的影響，
管線無法自由變形，應(yīng)力不斷累積，當(dāng)應(yīng)力值超過上覆蓋土體抗力時，管線將發(fā)生豎直方向的彎曲大變形，最
終發(fā)生失效而破壞口’2J。
通常可以采取一些工程附加措施以避免海底管道發(fā)生隆起屈曲，例如加大管道埋設(shè)深度，增加管道配重
厚度，提高鋪設(shè)后的殘余張力及改變管道結(jié)構(gòu)形式等D“3，特殊情況下還可以采取降低工藝輸送要求的方
式，達(dá)到減小管道軸向壓力的目的。而對于高溫高壓長輸埋設(shè)海底管道，為抑制其隆起屈曲變形，考慮到工
程經(jīng)濟(jì)性，一般會選取增大管道埋設(shè)深度或增加上覆蓋土厚度等方式。但在工程設(shè)計階段，若過于保守地考
慮一些基礎(chǔ)參數(shù)，同樣會導(dǎo)致較高的工程施工費用。因此，在開展長輸海底管線的隆起屈曲分析時，應(yīng)著重
收稿日期：2013—11—22
基金項目：工信部高技術(shù)船舶科研項目“3 000米水深大型起重鋪管船自主研發(fā)”資助。
作者簡介：余志兵(1979一)，男，工程師。 
第2期余志兵，等海底長輸油氣管道的隆起屈曲分析
考慮環(huán)境因素變化的影響。
該文基于Palmer等學(xué)者提出的隆起屈曲分析中經(jīng)典的孤立點支撐模型及半經(jīng)驗解析公式口]，假設(shè)了一
些必需的工程分析前提條件，結(jié)合工程實例，分析了管道路由的土壤特性、輸送介質(zhì)溫度變化及海床溝槽位
置的幾何初始缺陷等因素對抑制管線發(fā)生隆起屈曲所需的最小上覆蓋土厚度的影響，數(shù)值計算得出的結(jié)果
可以用于指導(dǎo)工程實踐。
1 上覆土體抗力
對于要求埋設(shè)的海底管線，一般會在鋪設(shè)完成后執(zhí)行挖溝作業(yè)。當(dāng)管線沉入溝槽內(nèi)，管溝周邊的土壤受
海床表面波流的共同作用而自然回淤到管線上方，直至完全填滿整個溝槽。若該土壤屬性為粘性土，盡管經(jīng)
過了擾動，但仍會對管線產(chǎn)生一定的垂向抗力?；赟ehaminee分析模型嘲建立的上覆蓋土體抗力計算公
式被工程界普遍應(yīng)用。
對于砂土
q一‰·H·D。(1+廠百／-／) (1)
對于粘土
q—c·D·min(3，萬H) (2)
式中：q為垂直向上抗力；H為土壤覆蓋高度；D為管道總外徑；C為土壤的剪切強(qiáng)度；‰為土壤的浮重；
廠為修正系數(shù)，當(dāng)為密致材料時取0．5，當(dāng)為疏松材料時取0．1。由于挖溝及回填的影響，土壤會受到擾動，
所以粘土的剪切強(qiáng)度會有所減小。
2 埋設(shè)管線的有效軸力
海底管線內(nèi)部碳水化合物的溫度遠(yuǎn)超過周圍環(huán)境海水的溫度，因此，當(dāng)其流過管線時，管線材料的兩端
會產(chǎn)生較大的熱膨脹位移，如圖1所示，水平段管線(假設(shè)為直管)受到內(nèi)外壓力引起的作用力FP，溫度效應(yīng)
引起的作用力F丁，軸向摩擦力F，的共同作用口]。
”一‘一，， ％‘：一
入。口端錨固點
“
錨固點出號端
一弓， 海管0：一
圖1埋設(shè)管線軸向受力分析
長輸管線的沿線溫降是由于輸送介質(zhì)與周圍分質(zhì)之間溫差的熱交換引起的，一般呈曲線變化，其溫降
計算的表達(dá)式為[8]：
t2一to+(￡1一to)e-肚(3)
式中：t。為管道入口端溫度；t。為管道出口端溫度；t。為周圍介質(zhì)溫度；L為管線長度；盧為溫降指數(shù)。
對于埋設(shè)管線，土壤的摩擦阻力可按公式(4)進(jìn)行計算[9]：
F，一盧×(詈．1D．g．^．D．(1+忌。)+(叫鼬--p．g．!；堡)) (4)
式中：戶為土壤的摩擦系數(shù)；lD為土壤的密度；g為重力加速度；h為管道埋設(shè)深度(海床面至管中心)；D
為管道的總外徑；無量綱參數(shù)k。一1一sincp，9為土壤的內(nèi)摩擦角。
對于完全約束的管線和部分約束的管線，有效軸力可按式(5)和式(6)計算E10]：
P—N—hp；X A￡X(1—2×v)一A。×E X a X AT (5)

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