深水管道安装期的沉降分析方法

第３１卷第５期　中国海洋平台　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．５　２０１６年１Ｏ月　ＣＨＩＮＡ　ＯＦＦＳＨＯＲＥ　ＰＬＡＴＦ０ＲＭ　０Ｃｔ．。２０１６　文章编号：１００１—４５００（２０１６）０５—００６３—０４　深水管道安装期的沉降分析方法　黄会娣，程寒生，赵　娜　（海洋石油工程股份有限公司，天津３００４５１）　摘要：深水海底管道安装时管道沉降直接影响其竖向、轴向和侧向力，管道沉降的分析方法是深水海底　管道设计中的重要内容。介绍了深水管道安装时沉降的作用原理，采用引入栽荷放大系数和敏感系数的方法　来分析管土的相互作用，重点研究了深水海底管道安装时的沉降计算方法，该方法被应用于西非某实际深水项　目海底管道系统的设计中。结合国外深水海底管道设计研究安装时管道的沉降，可以为我国南海类似深水项　目设计提供指导。　关键词：深水；管道安装；沉降；放大系数　中图分类号：Ｐ７５　文献标识码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　Ｐｈａｓｅ　ＨＵＡＮＧ　Ｈｕｉ—ｄｉ，ＣＨＥＮＧ　Ｈａｎ—ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｎａ　（Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｏｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４５　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｐｈａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ａ　ｄｉｒｅｃｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｆｏｒｃｅ，ｌａｔｅｒａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ａｘｉａｌ　ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｕｔｌｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｎｔｒｏｄｕ－　ｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｓ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ－－ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｉｎ—－　ｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｓｔ　ｏｆ　Ａｆｒｉｃａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｄｕｒｉｎｇ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｐｈａｓｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔ　ｌｏｃａｔｅｄ　ｉｎ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｓｅａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐｗａｔｅｒ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ；ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ；ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ　Ｏ　引言　深水海底管道一般不埋设，海底管道沉降量与管道所受的海洋环境载荷以及海床土体所能提供侧向阻　力的大小相关，并将最终影响管道在位稳定性。海底管道的布置、设计、侧向屈曲、安装方法及船舶的选择，　甚至影响整个项目的投资成本Ⅲ。波浪和海流引起的环境流体动力载荷会导致管道的附加沉降，在管道产　收稿日期：２０１５—１Ｉ－２６　作者简介：黄会娣（１９８０一），女，工程师。　中国海洋平台　第３ｌ卷第５期　生微量侧向位移的同时，管道下方的土体会发生侧向隆起　引。如何合理地分析和预测海底管道的沉降特性　是海底管道安装、设计和施工所面临的关键问题之一。在西非深水油气开发中，国外大的石油公司采用引入　载荷放大系数和敏感系数的方法来分析管道沉降。结合实际国外深水海底管道的项目经验，重点讨论深水　海底管道安装时的沉降分析，为安装方法、安装能力、侧向稳定性和侧向屈曲的评估提供依据，以期为国内南　海深水海底管道的安装设计提供借鉴。　１　沉降理论概述　管道沉降直接影响其轴向和侧向力，在管土作用分析中至关重要。通常根据土力学的基本原理和已有　文献记载的轴向、侧向和竖向力的计算方法分析管土的相互作用。影响管道沉降的主要因素包括安装时的　管道自重、动态效应和集中载荷。动态效应引起的　管道水平和竖向运动会增加沉降，在着泥点处的集　中载荷也会增加管道沉降，且动态效应和集中载荷　引起的管道沉降比自重引起的沉降要大【３］。管道　周期性水平运动，对于有限的循环次数（１０次以　内），也可能产生管径深度２０　～３Ｏ　的额外沉　降。在安装时空管或者充水状态下，国外学者通常　用承载力计算公式分析管道沉降。该文介绍的方　法都假定土壤处于未排水的状态，分析管土相互作　ｂ　用的主要参数如图１所示＿｛］。　图１主要参数　图１中：Ｄ为钢管外径；ｚ为管道沉降深度，泥　面到管底的高度；ｂ为与土壤接触的管道宽度；　为管道沉降的角度。　２　沉降的计算方法　由于部分土壤扰动，考虑空管静重的放大系数，分析安装期管道的沉降。另外，考虑浅层地质岩土参数　的不确定性和管道安装的影响，管道沉降需按照最大、最小土壤强度分析。安装期管道在自重条件下，考虑　放大系数，用最大、最小扰动剪切强度计算承载力，如式１所示　。　ＲＮ—ｂ×（Ｓ　／￣／Ｓ　×Ｎｃ＋ｙ　×　）　口：　≤　／２　（１）　Ｓ　一Ｄ／ｂ‘『ｓ　（口）・ｃ。ｓ（ａ）・ｄａ　不排水的土壤）；Ｎｃ为承载力系数，用于管道的承载力系数　量。　（２）　式中：ｓ　为土壤不固结不排水的剪切强度；Ｓ　为粘土敏感性（１／￣／　是部分土壤扰动系数，用于不固结　一２／３×５．１４；　为水下土壤的有效单位重　由于着泥点处载荷集中，必须将放大系数应用于管道水下重量。因此，需要选择一个合适的放大系数进　行着泥点处的分析，可以采用式３来计算管道在着泥点处的放大系数［。ｌ６＿。　Ｋ　一Ｗ　／ｗ　一０．６＋０．４（ＥＩ・　／ＴＺｏ）　。。　（３）　式中：Ｋ　为放大系数；Ｗ　为安装时管道的水下重量；肼为管道的弯曲刚度；ｋ为海床垂直刚度；　为　管道的残余铺设张力。　由式３可以看出：安装时在着泥点处，放大系数的变化与管道、土壤的刚度有关，而与管道的重量无关。　放大系数随着管道弯曲刚度和土壤刚度的增加而增加，随着铺设张力的增加而减少，随管道水下重与管道外　径比值的增加而减少。在设计阶段，很难估算出管道的残余铺设张力。因此用管重ｗ　，管道半径和弯曲应　变（取Ｏ．２　）的函数代替。图２中的曲线给出了放大系数与归一化参数ＥＩＫ／（Ｗ＇Ｒ）。的关系。　第５期　黄会娣。等深水管道安装期的沉降分析方法　ＥＩＫ／（Ｒ　Ｗ　）　（．）　１　０ｘ１０’　ｌ　１．５　１．０ｘｌ０。　２．５　３　３　５　４　４．５　图２　管道土壤刚度与放大系数的关系　在充满水（水压试验）情况下，仅考虑静态情况，算出管道重量最大时的沉降，如果管道的沉降值比自重　和集中载荷引起的沉降值之和大，在以后的操作工况分析时，考虑这一情况。　３　项目应用　某西非项目设计水深１　７５０　ｍ，满足工艺流动保障要求，设计选取ｌ２”（Ｏ．３０　ｍ）生产管道，外径ＯＤＸ壁　厚ｗＴ为３５５．６　ｍｍ×２０．７　ｍｍ，防腐保温层厚１００　ｍｍ，空管水下单重６５５．６　ｋＮ／ｍ，充水管水下单重　１　３７３．９　ｋＮ／ｍ。为了计算评估管道安装时的稳定性，为选取铺管设备提供依据，必须计算管道安装时的沉降　量和承载力。分析时，土壤参数见表１。　表ｌ土壤剪切强度Ｓ　土壤深度／ｍ　Ｏ　下限值／ｋＰａ　０．１　０．４　７　平均值／ｋＰａ　０．５　ｌ　９　上限值／ｋＰａ　ｌ　２　ｌ１．５　８．５　ｌＯ　Ｏ．１　０．５　１．５　３　５　７　６．５　８．５　采用最大、最小土壤强度方法分析管道的沉降量，得到的结果如图３所示。　根据土壤强度上限值、平均值、下限值分析，得到相应沉降量的变化趋势一致。当沉降量小于０．１倍管　道外径时，其随着土壤剪切强度的增加而增加；当沉降大于０．１倍的管道外径而小于０．２５倍的管道外径时，　其随着土壤剪切强度的增加而减少；当沉降到大于０．２５倍的管道外径时，其随着土壤剪切强度的增加而增　加，但较第一个阶段的变化幅度减小。　安装期管道在自重条件下考虑放大系数，采用最大、最小扰动剪切强度计算承载力（见表２），得到相应　承载力的变化趋势一致，均随着沉降量的增加而增加，但增加幅度减少。保守考虑，应将沉降量下限值应用　到其他相关分析计算中。　・　６６・　中国海洋平台　第３ｌ卷第５期　未排水剪切强度／ｋＰａ　Ｏ　Ｏ　２　４　６　８　１０　１２　１４　Ｉ６　ｌ８　２Ｏ　Ｏ－２　ｕ／斑世嚼　Ｏ．４　Ｏ　６　Ｏ　８　１．２　１．４　ｌ　６　１．８　２　２　２　２．４　２．６　２．８　图３土壤剪切强度与沉降量的关系　表２承载力和沉降量　（下转第７９页）　第５期　代志双，等非粘结海洋复合软管铺设分析方法研究　中的重量，同时考虑海流对浮子的作用力，保证软管的坐底稳性，进而控制浮子数量，以免浮子太多起到反作　用，增大软管牵拉力。　５　结语　通过对海洋复合软管的计算分析，得到软管在铺设时所需要的最小和最大牵拉力以及相应工况下软管　所能出现的最小弯曲半径和着泥点水平距离，从而保证软管在铺设时满足规范要求。在实际铺设时，以铺设　分析的结果为标准，对软管的牵拉力进行实时监测，水深较深的海域可通过水下ＲＯＶ来观测软管着泥位置　的姿态，以保证软管的正常铺设。　参考文献　［１］ＡＰＩ－ＲＰ一１７Ｊ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｕｎｂｏｎｄｅｄ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｐｉｐｅ，Ｆｏｕｒｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｓ］．２０１４．　［２］　白海洋，沙勇，周巍伟，等．非粘结海洋复合软管最小弯曲半径计算方法研究［Ｊ］．建筑技术开发，２０１３，４０（１１）：２０—２１．　［３－１　Ｊｏｓ６　Ｒ　Ｍ，Ｇｉｌｂｅｒｔｏ　Ｂ　Ｅ，Ｅｄｉｓｏｎ　Ｃ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｌｏｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｏｆ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｐｉｐｅｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｌｏａｄｓ　［Ｃ］．２０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｒｔｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｒｉｏ　ｄｅ　Ｊａｎｅｉｒｏ，２００１．　［４］　ＡＰＩ－ＲＰ－２ＳＫ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　Ｐｒａｃｉｔｃｅ　ｆｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｔａｔｉｏｎｋｅｅｐｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　Ｆｌｏａｔｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｓ］．２００５．　［５］ＡＰＩ－ＲＰ一１７Ｂ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｐｉｐｅ，Ｆｉｆｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｓ］．２０１４．　（上接第６６页）　４　结论　绝对侧向稳定性分析保证了管道对于运动的抵抗力，在海况下可以承受最大的流体荷载，受极限单一波　流所诱导的周期振动时不会产生侧向位移。但是，在横向位移的要求下，需增加管道重量。另外，考虑土壤、　安装等不确定因素，管道沉降量对管道的稳定性分析起着至关重要的作用，采用沉降量上、下限值方法来分　析水平阻力，合理给出管道重量增加的依据，可为深水海底管道稳定性的设计提供依据。　深水情况下，随着设计温度和设计压力的不断增加，海底管道的有效轴向力也不断增大。侧向屈曲变形　会对海底管道的完整性造成严重后果，包括局部屈曲、疲劳破坏和棘轮效应等。但是，随着设计水深的不断　增加，一般浅水工况下所采用的挖沟、埋设、抛石或设置膨胀弯等抑制侧向屈曲的措施变得不再现实，而且存　在土壤和其他参数的不确定性，因此采用沉降量上、下限值方法对管道侧向屈曲分析有较大的帮助，为有效　控制侧向屈曲的发生和发展提供一定的依据。　考虑浅层地质岩土参数的不确定性和管道安装等因素的影响，该文采用最大、最小土壤剪切强度和放大　系数法来进行管道的承载力和沉降分析，为安装期安装方法的选择、安装稳定性分析和安装能力评估提供一　定依据，同时降低了设计和施工的风险及成本。这种方法被应用于西非实际深水项目的海底管道设计中，取　得了良好的应用效果，可以为我国南海的深水海底管道的设计提供参考。　参考文献　［１］任艳蓉，刘玉标．海底管土相互作用研究概述［Ｊ］．中国海洋平台，２００６，２１（３）：１８—２２．　［２］王联伟，张雷，董绍华．管土接触作用下管道沉陷复杂应力分析［Ｊ］．油气储运，２０１３，３２（儿）：１１７９—１１８２．　［３］ＡＰＩ－ＲＰ一２Ａ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　Ｆｉｘｅｄ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ［Ｓ］．２００７．　［４］Ｂｒｕｔｏｎ　Ｄ，ｗｈｉｔｅ　Ｄ，Ｌａｎｇｆｏｒｄ　Ｔ　Ｌ，ｅｔ　ａ１．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｉｐｅ－ｓｏｉｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅｓ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｅｐｗａ—　ｔｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ［Ｃ］．０ＴＣ　ｐａｐｅｒ，Ｈｏｕｓｔｏｎ，２００９．　［５］Ｄｅｎｄａｎｉ　Ｈ，Ｊａｅｃｋ　Ｃ．Ｐｉｐｅ－Ｓｏｉｌ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｈｉｇｈｌｙ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｃｌａｙｓ，Ｐｒｏｃ［Ｃ］．ＳＵＴ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｓｉｔｅ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａ－　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉａｓ，ＯＳＩＧ，Ｌｏｎｄｏｎ，２００７．　［６］ＤＮＶ—ＲＰ—Ｆ１０５．Ｆｒｅｅ　Ｓｐａｎｎｉｎｇ　Ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ［Ｓ］．２００２．