长输油气海底管线侧向屈曲蛇形铺设布置方法研究_李涛.pdf

2023年03月|1650 引言根据自然资源部数据统计，2021 年我国海洋原油产量为 5 464 万吨，同比增长 5.8%；海洋天然气产量为 196 万吨，同比增长 5.9%。我国海洋油气资源具有储备量高、开发时间晚的特点，仍存在较大的开发空间。因此，有必要采用合适方法，深入开发海洋油气资源，推动整个市场的稳定运行。1 研究背景长输油气海底管线工作环境是在海洋中，要时刻承受海底低温与内压荷载带来的影响，海底管线在和海床接触过程中，产生的土壤摩擦阻力又会对海底管线造成有效轴力。在三种外界因素不断叠加作用下，海底管线会出现侧向屈曲现象，变形幅度也会随着工作时间提升，逐渐扩大，直至发生断裂、破坏等现象，产生大规模的油气资源泄漏安全事故，污染周边海域生态环境，造成严重的经济损失。正因为海底管线存在这种潜在的破坏影响因素，近些年的海底管线设计与制造也在采用适当方法，合理规避这种安全事故。传统处理方法是对海底管线的屈曲现象进行限制，即通过挖沟埋设、堆石等方法，将海底管线固定在预设位置，可是这种方法可能会对海底管线造成损伤，也会增加后续维修成本。近些年，国际工程学界采用另一种方式处理海底管线屈曲现象，逐渐舍弃以往的“限制屈曲”，而是使用“控制屈曲”1。这种处理理念充分考虑到海底管线的工作环境与屈曲不可逆性，给予一定的屈曲空间，让海底管线在预设位置上发生适当的屈曲，并对海底管线的有效轴力与弯矩进行控制，规避管道破坏情况。实际应用的方法有蛇形铺设分布浮力等方法，本人在查阅大量相关文献后，认为蛇形铺设投资成本较小，可以对海底管线侧向屈曲起到良好控制作用。在实际应用中，可以利用虚拟锚点间距(virtual anchor spacing，VAS)数据，结合有限元计算，合理设计蛇形铺设布置间距，达到优化蛇形铺设方案的效果。长输油气海底管线 侧向屈曲蛇形铺设布置方法研究李涛(中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设中心，天津 300459)摘要：中国经济正处于快速发展的重要时期，需要更多优质油气资源满足各个领域发展需求。为此，文章将长输油气海底管线作为研究对象，从侧向屈曲、虚拟锚点间距、有限元分析三个维度研究侧向屈曲蛇形铺设布置方法，旨在为更多海洋资源开发单位提供技术指导，推动社会经济可持续发展。关键词：长输油气海底管线；侧向屈曲蛇形铺设；布置方法中图分类号：TE973.8 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)09-0165-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.09.045Study on the Layout Method of Lateral Buckling Snake Laying of Long Oil and Gas Submarine PipelineLI Tao(Engineering Construction Center of Tianjin Branch of CNOOC(China)Co.,Ltd.,Tianjin 300459,China)Abstract:Chinas economy is in an important period of rapid development,and more high-quality oil and gas resources are needed to meet the development needs of various fields.Therefore,this paper takes the long oil and gas submarine pipeline as the research object,and studies the lateral buckling snake laying layout method from three dimensions:lateral flexion,virtual anchor distance and finite element analysis,aiming to provide technical guidance for more marine resources development units and promote the sustainable development of social economy.Keywords:long oil and gas submarine pipeline;lateral buckling snake laying;layout method工程与施工166|2023年03月2 设计思路对长输油气海底管线侧向屈曲蛇形铺设布置方案，因为像蛇类动物的左右扭曲铺设，所以会比常规海底管线多出左侧、右侧的设计概念，涉及海底管线的左侧或右侧铺设半径，一个左侧与一个右侧构成的铺设间距，左侧与右侧构成的铺设幅值等几何参数。针对我国大多数海域与海底管线使用情况下，铺设半径可以设为 1 500 m，铺设幅值可以设为 200 m2。而铺设间距会对海底管线屈曲活动产生较大影响，这也是蛇形铺设优化方案的重要内容，需要额外注意。首先，需要确认海底管线所在位置的屈曲现象临界有效轴力，以此分析当前海底管线设计方案是否存在屈曲可能性；其次，对临界有效轴力与海底管线有效轴力分布进行对比，确认出现屈曲现象影响的具体长度，也就是蛇形铺设设计长度；最后，通过计算 VAS，明确蛇形铺设的最佳间距，完成整个蛇形铺设布置方案的优化。根据以上分析内容，可以发现需要先做理论计算，完成基础的初步估算，再通过有限元，对数据做细化分析，最后才能明确在该海域条件下，匹配海底管线运行需求的最佳蛇形铺设布置方案。3 方法研究3.1 侧向屈曲如果施加给海底管线的有效轴力大于海底管线可以承受的临界屈曲有效轴力，就可以认为海底管线会出现侧向屈曲现象3。现分析海底温度与海底管线内部压力两种影响因素，海底管线两端膨胀部分有效轴力 P膨与中间完全锚固处理部分有效轴力 P固，可以用公式(1)、公式(2)计算：P膨=WUaLa(1)P固=H-piAi(1-2v)-AsE T(2)式(1)(2)中：W 为浮重(kN/m)；Ua为轴向摩擦系数；La为膨胀段长度(m)；H 为有效铺设的残余轴力(kN)；pi为相对初始状态的内压差(MPa)；Ai为海底管线内径面积(m2)；v 为泊松比，即海底管线材料受到压力影响，横向正应变与轴向正应变的比值；As 为海底管线管壁截面积(m2)；E 为海底管线材料弹性模量(MPa)；为海底管线材料膨胀系数；T为相对初始状态的温差()。在海底管线发生侧向屈曲时，计算临界有效轴力需要考虑到不同的模态，可以将其划分为五类：第一类，单侧屈曲；第二类，前后位置拥有对侧屈曲；第三类，单侧大屈曲，前后位置有对侧小屈曲；第四类，在第二类基础上，在更前方与更后方，有对侧小屈曲；第五类，第二类的无穷模式4。屈曲外有效轴力 P外与屈曲内有效轴力 P内可以用公式(3)(5)进行表示，公式(6)表示屈曲位置弯矩 M，单位 kNm；公式(7)表示屈曲位置的侧向位移 y，单位 m。P内=k1EI/(L2)(3)P外=P内+k1UaWL(G-1)G=25221()saEAULWLkUEI+(4)其中，k1为海底管线的单侧屈曲情况，在实际应用中需要根据侧向屈曲状态，替换成 k1k4。P外=P内+4.70510-5AsE(UaW/EI)2L6(5)对 P外，是海底管线侧向屈曲无穷模式下的屈曲有效轴力。M=k5ULWL2(6)Y=k1ULWL4/(EI)(7)式(3)(7)中：I 为截面惯性矩(m4)；UL 为土壤侧向摩擦系数；L 为海底管线屈曲长度(m)；k1k5为不同侧向屈曲模态下的模态常数。通过公式(3)(5)，可以获得海底管线有效轴力与屈曲长度的关系数值，并将其绘制成图，如图 1 所示，关系曲线最低点即为海底管线的临界有效轴力。如果海底管线的有效轴力超过这个阈值，海底管线就会出现屈曲现象。图1 海底管线有效轴力与屈曲长度的关系图2023年03月|1673.2 虚拟锚点间距如图 2 所示，通过图 2 可以对海底管线是否发生屈曲现象的有效轴力曲线进行分析。如果海底管线发生屈曲现象，会产生大量的虚拟锚点，屈曲与虚拟锚点的关系为 12，屈曲间距就是 VAS。而在 VAS 范围内，海底管线出现任何程度的膨胀情况，都会对其屈曲后反应产生直接影响，比如海底管线的侧向变形幅度，屈曲有效轴力等。如果 VAS 拥有较大的数值，产生的反应变化也会越大。将海底管线的屈曲反应与荷载控制准则(load controlled criteria，LCC)进行综合分析，就可以获得在即将发生屈曲现象时的最大允许VAS，即LCC值为1。当海底管线采用蛇形铺设时，在曲线段会出现屈曲现象，通常情况下会保持等间距分布状态5。直线段与中心线，即图 2 中的虚线，其交叉点位置就是虚拟锚点所在位置。也可以从图 2 中分析管线中部含有单个间距的蛇形铺设布置有效轴力分布情况。在每个蛇形铺设布置的间距当中，都会产生 2 个屈曲，且具有等间距特性，即蛇形铺设间距与 2 倍 VAS 相同。这也意味着想要对蛇形铺设布置方案进行优化，核心内容是明确最大允许 VAS，利用2 倍关系，确定蛇形铺设的最大允许间距。图2 海底管线屈曲有效轴力示意图可以通过比较 VAS 和 LCC 曲线方式，获得最大允许 VAS，如图 3 所示，并用公式(8)表示 VAS：VAS=2(P外-P内)/(UaW)(8)如果已经拥有海底管线屈曲长度，可以使用公式(3)和公式(6)，计算屈曲位置有效轴力与弯矩，获得相应的 LCC 值。图 3 采用最常见的第三类侧向屈曲模态，即单侧大屈曲，前后位置有对侧小屈曲，可以发现，LCC 值和 1.0 对应的最大允许 VAS 值相等，而且 LCC 曲线和图 2 中的有效轴力曲线相似，都呈现为 U 型分布。可以将最低 S 点作为界限，划分为两类失稳类型，左侧的 A 段是不稳定变形状态，在海洋管线实际运营中很难出现，仅作为理论分析模型出现；右侧的 B 段是稳定变形状态，常出现在原本设计、制造就存在几何缺陷的海洋管线上。所以，可以通过分析 B 段 LCC 值，获得 VAS 的最大允许值。图3 VAS曲线和LCC曲线3.3 有限元分析对 3.1 节与 3.2 节的理论分析，是以变形小坡角作为分析基础，进行海底管线材料线弹性的假设分析，考虑到在理想状态下，海底管线没有几何缺陷，发生侧向屈曲后，产生的力平衡与位移协调相关内容。但是在实际情况中，海底管线是存在一定的初始几何缺陷，如果产生较大幅度的侧向屈曲情况，会扩大 3.1 节与 3.2 节的理论分析的局限性，仅能用于进行初步判断与内容估算，无法成为后续蛇形铺设布置方案的指导工具。为此，本人要以 3.1 章节与 3.2 节的初步分析为基础，通过有限元分析方法，进一步细化蛇形铺设布置方案内容。使用 ABAQUS 软件设计海底管线的有限元模型，注意到海底管线制造材料具有弹塑性特征，需要使用材料试验，获得想要的应力-应变曲线。又因为海底管线的屈曲分析研究重点是发生屈曲现象一段区域的变形情况，所以屈曲段的单元长度选择 1 倍的海底管线外直径即可，屈曲段以外的单元长度则要逐步提升。管道单位选择 PIPE31H，海床选择刚性平面，单元选择 R3D4，具体计算数据则要在获得海床勘察信息后，在 ABAQUS 软件中进行模拟。考虑到海底管线发生侧向屈曲时，会受到较为复杂的海床土壤阻力影响，本人将选择等效库伦摩擦公式进行计算：工程与施工168|2023年03月F=WU(9)式中：F 为海底管线受到的摩擦力(kN)；U 为海底管线轴向或侧向的摩擦系数。在海底管线初始位移当中，摩擦系数会不断提升，直到上升到最大阈值后，摩擦系数会保持长时间的平稳状态6。4 案例分析4.1 工程简介某长输油气海底管线项目需要铺设 120 km 的海底管线，管线外径为 812.8 mm，壁厚为 20.6 mm，生产使用 APIX65 材料材质，海底管线的铺设深度为70 m。4.2 分析讨论通过初步分析，可以知道该项目的海底管线临界轴力为 3 500 kN，沿着海底管线的最大有效轴力为 6 500 kN，在后续使用中会发生屈曲现象。初步估算的最大允许 VAS 值为 2 700 m。应用有限元进行分析，要使用 ABAQUS 软件建设海底管线在直管模式下的模型与蛇形布置模式下的 VAS 模型。通过分析直管模型，可以明确在直管铺设状态下，海底管线发生侧向屈曲现象时的临界有效轴力，以及可能受到屈曲现象影响的管线长度；通过分析蛇形布置 VAS 模型，这里使用一半铺设间距进行分析，可以在获得最大允许 VAS 数据后，再分析海底管线蛇形铺设布置间距。对直管模型的有效轴力，在 38.5 的临界屈曲温度中，存在临界有效轴力，数值为 5 100 kN。将临界有效轴力和沿着海底管线没有发生屈曲现象的有效轴力进行对比，可以预估屈曲现象的海底管线长度约为 6.9 km。使用 VAS 模型，可以分析最大允许 VAS为 2 000 m。所以，在设计海底管线蛇形铺设布置间距时，则要以 2 倍的最大允许 VAS 为标准，即间距为 4 000 m7。在海底管线发生屈曲现象时，其最大侧向位移为 9 m。充分考虑到海域环境的各方面影响，海底管线的蛇形铺设布置方案可以整理为如下内容：半径设为 1 500 m，幅值设为 200 m，间距设为 4 000 m的布置形式，以 2 组模式，布置 8 km。5 结语长输油气海底管线需要考虑多个环节，例如：设计、布置、运营、维护等，文章研究的侧向屈曲蛇形铺设布置方法仅是其中一环，在实际应用中还需要考虑到工作环境、使用寿命等多种因素，设计一套完整的使用方案。希望更多从业人员可以对长输油气海底管线做深入研究，提升我国海洋油气资源开发质量与效率，向市场供给高品质油气资源，助力各个领域的蓬勃发展。参考文献：1 张峰,孙志鹏,王德宝.海底管线钢CTOD 性能探讨J.物理测试,2021,39(4):10-13.2 王文龙,熊指南.声学探测技术在海底石油管线铺设后调查中的应用J.海洋科学,2021,45(7):110-120.3 张宇,薛方,王慧斌,等.沙特阿美油田海底管线铺设前后处理方法综述J.化工装备技术,2021,42(3):60-63.4 夏宝莹,齐红波,齐兵兵,等.海底管线保护技术方案J.中国水运(下半月),2020,20(6):241-242.5 姜学录,李晓明,宏常军,等.海底管线膨胀弯安装关键技术分析J.珠江水运,2020(10):35-36.6 陈海登,陶祥海,李玲.稳定流态下海底管线局部冲刷有限元数值模型J.水利水电科技进展,2020,40(3):50-54.7 赵刚.浅水域双层海底管线S 型正常铺设静态分析方法研究J.石油和化工设备,2019,22(9):44-47.作者简介:李涛(1979-)，男，汉族，山东成武人，中级工程师，本科，研究方向：项目管理、管缆施工管理。