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1、,海底管道工程讲座,报告人： 艾尚茂（）,目录,1.1 、海底管道的功能,海洋油气田开发输送管道海洋油气田开发输送管道的特点是：管道内输送的流体，其流速、流量、压力等变化范围大。(a) 油气田外输管道(b) 油气田内部连接管道进出口油气输送管道这种管道与油气田开发无关，是用来把商业油气通过海底油气管道输送到预定位置，大多用在油气的进出口输送工程中。进出口油气输送管道的特点是：管道内输送的流体，其流速、流量、压力等变化范围小，流量大。,1.1、 海底管道的功能,油田内部管道通常用于输送油气田开发过程中产生的流体（油、气、水或者它们的混合物）,内部管道,深水开发中的海底管道及立管示意图,1.1 、
2、海底管道的功能,1.1、海底管道的功能,外输管道用于输送油气田初处理后的原油和天然气，一般较长,外输管道,1.2、 海底管道类型及特点,A、按输送流体分类：输油管道、输气管道、输水管道油水混输管道、油气水混输管道、油气混输管道,B、按结构分类： 双层钢管保温管道 单层钢管保温管道 非保温有混凝土配重管道 非保温无混凝土配重管道 管束及挠性软管,1.2 海底管道类型及特点,1.3、Pipe-In-Pipe,1.4、集束管道,Carrier pipeSleeve pipeFlowlinesService linesControl tubingsInsulation systemSpacerBulk
3、headAppurtenancesBallast chain,1.5、海底管道设计简介,明确设计要求 业主提出的限定条件； 设计寿命； 使用钢管的等级和类别（与造价直接相关）； 设计采用的标准、规范（入级） 管道是否埋设等 壁厚与材料等级选择 根据项目的设计输量要求或典型年份的油田配产，进行初步的水力、热力计算，并根据计算结果以及管道上下游工艺流程对温度、压力的要求，选取经济合理的管径。 考虑因素： 造价（建造、安装和操作） 材料等级越高 ，壁厚越薄，建造造价越高 材料等级低，铺设造价也低 抗腐蚀能力 内部腐蚀（硫化氢导致等） 内部磨损等 重量要求 可焊性,2.1、路由选择,挪威Ormen L
4、ange gas field的深水管道工程示意图,根据油气管道的用途和总体布局在海图上进行路由预选。 在路由预选时应根据尽可能得到的路由海区已有的自然环境资料、海洋开发活动及其规划资料、已建海底电缆管道资料等，综合考虑进行路由预选，在情况复杂的海域，可选择2-3个比较方案，待路由调查后确定。对于有登陆的管道应进行登陆点现场踏勘，选择有利于管道登陆的区段作为登陆点。,2.2、路由勘察,国家技术质量监督局于1998年10月颁布了中华人民共和国国家标准海底电缆管道路由勘察规范（GB175021998）主要内容如下: (1)工程地球物理探测 (2)工程地质取样和土工试验 (3)海洋水文气象要素观测和推
5、算 (4)腐蚀环境参数测定,2.2、路由勘察,（1）工程地球物理探测 在路由预选的基础上,进行工程地球物理探测。工程地球 物理探测包括水深测量、侧扫声纳探测、地层剖面探测和 磁法探测。工程地球物理探测的目的是：查明海底地形地 貌、海底面状况、海底障碍物、海底浅地层特征和不良地 质现象等。水深测量、侧扫声纳探测、地层剖面探测和磁 法探测所得到的数据，应进行综合分析、解释。,2.2、路由勘察,（2）工程地质取样和土工试验 工程地质取样的目的是：获得海底土质的工程类型和物理化学性质及力学性质。工程地质取样的方法可采用重力式取样、振动式取样和钻孔取样等方式。 土工试验的基本内容包括： -含水量 -容重
6、 -比重 -液限和塑限 -颗粒分析 -贯入级数 -抗剪强度,2.2、路由勘察,（3）海洋水文气象要素观测和推算 海洋水文气象要素包括：气象、波浪、潮位、海流、水温、泥温、海冰等项目。 海洋水文气象要素观测和推算的目的是：获得海洋水文气象的统计参数值。 获得海洋水文气象的统计参数值的的步骤是： 收集和整理已有的海洋水文气象资料，包括路由区附近气象站资料、船舶测报资料和附近潮位站资料； 资料不足时，应在路由区设立临时观测站进行实际观测；根据收集到资料和实际观测资料进行统计学的推算。,2.2、路由勘察,（4）腐蚀环境参数测定 腐蚀环境参数包括：底层水化学、沉积物化学、沉 积物电阻率、沉积物中硫酸盐还
7、原菌、污损生物等。腐蚀环境参数测定目的是：通过腐蚀腐蚀环境参数测定，给出腐蚀环境参数。 底层水化学包括：PH、Eh、溶解氧和氧饱和度。 沉积物化学包括：PH、Eh、Fe3/Fe2、盐度、碳酸盐、有机质。 腐蚀环境参数是依靠对相应路由区的水质取样和海床土质取样测定，一般可以在工程地质取样的同时进行。将取得样品进行试验室分析。,2.3、路由保护,管道跨越,添加支撑，缩短悬空段,2.3、路由保护,2.3、路由保护,海底油气管道强度分析与设计，目前有两种法： 允许应力法，以DnV1981为代表的，包括ASEM31.4和ASEM31.8（截止到2005年底） 在内的规范和作法。 极限状态法，以DnV O
8、S F101 和API -RP 1111规范和作法为代表。采用允许应力法，在世界范围内设计了众多的海底管道，现在仍然被工程设计单位应用。由于该方法比较成熟，国际上的工程公司和科研结构开发出大量的与之配套的计算机软件，并且这些软件已经商业化，和容易购买和使用。,海底油气管道强度分析与设计方法的发展趋势是极限状态法，允许应力法随着时间的推移将会被极限状态法所代替。但目前在海底油气管道强度计算的某些领域，诸如地震作用下的强度计算等还没有成熟的极限状态法计算公式。,3.1、概述,3.2、允许应力法,允许应力法的基本准则是：f 式中：= 在荷载作用下产生管道产生的应力 = 使用因子（0.5 0.96）
9、f= 钢管的屈服强度 以DnV1981规范为例，基本的公式如下： （1）环向应力公式： =(pi-pe)D/2t （2）相当应力公式：=(x2 + y2 xy +3xy2)1/2 （3）施工应力公式=(N/A +0.85M/W)2+y2 (N/A +0.85M/W) y) 1/2 式中：pi= 内压 pe= 外压 D= 管道公称外径t =管道公称壁厚 x = 管道的轴向应力y =管道的环向应力 xy =管道的剪切应力N =轴力 A =钢管的截面积M = 弯矩 W = 钢管的截面模量,3.3、极限状态法,根据DnV OS F101规范的划分，极限状态分为： （1）操作极限状态（SLS）：如果超过
10、该状态，不再适于正常运行。 （2）极端极限状态（ULS）：如果超过该状态，管道完整性将遭到破坏。 （3）疲劳极限状态（FLS）：考虑累积循环荷载效应的极端极限状态。 （4）偶然极限状态（ALS）；由偶然荷载导致的极端极限状态 对于强度分析分为以下几类： 压力控制 荷载控制（包括弯矩，有效轴力和内外部超压力） 位移控制,极限状态法（也称荷载抗力系数法）是2000年以后才开始得到初步的应用，由于该方法的理论是基于可靠度理论上的，在理论体系上比允许应力法复杂，目前虽然已经设计了一些海底油气管道，但在具体分析方法和设计中，国际上各工程设计单位也不尽相同，目前也没有与之配套的商业化计算机软件。随着该方法
11、越来越多的应用，采用极限状态法会逐步成熟起来。,3.3、极限状态法,（1）操作极限状态（SLS）椭圆度棘齿极限状态。累积塑性应变极限状态。由于配重层的破坏或者配重层损失。屈服。 （2）极端极限状态（ULS)破裂极限状态。椭圆度棘齿极限状态（如果导致整体破坏）。局部屈曲极限状态（管壁屈曲极限状态）。总体屈曲极限状态（通常对于荷载控制条件）。不稳定断裂和塑性压溃极限状态。 （3）疲劳极限状态（FLS）交变荷载导致的疲劳 （4）偶然极限状态（ALS）落物。拖网渔具的破坏。地震。,3.4 、悬跨/涡激振动,悬跨所受载荷： 1.重力、浮力 2.操作压力、热膨胀等 3.水动力（波浪、流作用） 4.海床支持
12、力 5.轴向力,3.4 、悬跨/涡激振动,计算难点,1、管土耦合（或者弹簧刚度和阻尼）怎么确定？,2、如何确定波浪及流对悬空段管道的作用？因素很多：管道外径（影响雷诺数）、悬空高度、流速等等,4.1、概述,海底油气管道的稳定性是指海底油气管道铺设到海床上或者进行挖沟埋设后，在海流、波浪、土壤、重力和浮力等作用下，保持长期的稳定性。不包括由于海床本身在海流、波浪和地震等作用下，发生的海床冲刷和淤积塌陷、断裂和移动等不稳定造成的海底油气管道的稳定性问题。海床本身的稳定性也是海底油气管道工程的重要课题，但并不属于海底油气管道在海床上的稳定性范围内。海底油气管道在海床上的稳定性主要有两个方面的内容：
13、海底油气管道在海床上的稳定性 海底油气管道在挖沟埋设后的稳定性,4.1、概述,（1）垂向稳定性,水中：,管道埋设后沉浮的稳定性 埋管：in soils which are or may be liquefied, the specific weight of the pipe should not be less than that of the soil if burial is required. 裸露管Exposed lines：同上原则：不能浮起！,（2）侧向稳定性,侧向稳定性：浪流的作用下侧向运动。,4.1、概述,管道在海床上的稳定性分析方法有三种：静态分析方 法、动态分析方法和半动
14、态分析方法。 （一）静态分析方法 海底管道稳定性的静态分析方法是一种传统的分析方 法，即对管道在自身重力（Wsub）、波浪和海流产生的升力（FL）、阻力（FD）、惯性力（FI）以及土的摩擦力作用下的静态平衡进行分析的方法，其公式如下：,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,式中：是土壤与管道之间的横向摩擦因数，对于砂性土，其值在0.50.9之间，对于黏性土，其值在0.300.75之间；S是安全系数，取1.1；FL、FD和FI是按Morison方程计算的。 需要说明的是，在FL、FD和FI的计算中涉及到相关系数CL、CD和CI；这3个系数由于受海底边界的影响，与一般孤立桩柱受波浪和海流力作用时的
15、数值不一样。1981年以前，一般认为这3个系数与海流的雷诺数、管子的粗糙度、管子与海底的距离有关；1981年以后，则认为除了与这3个系数有关外，还引入了一个称为KC的数。这样就使波浪和海流对管道的作用在理论和计算方法上基本完备起来，用这种方法设计了大量海底管道。,（二）动态分析方法 海底管道稳定性动态分析的基本原理是：波浪作为周 期性荷载的作用下，在海床上发生往复运动。管道的这 种运动对海床土壤产生扰动，而这种扰动使海床土壤的 抗力大大降低，管道就在这种海床上逐步下沉。当管道 下沉到一定程度后，波浪管道土壤的相互作用达到 一种新的平衡。 在这种动态分析中，水动力是时间的函数，管道下沉 和土壤阻
16、力也是时间的函数。动态分析的基本步骤为： 1. 根据给定的波浪条件模拟出波浪谱； 2. 用波浪谱计算出力谱； 3. 用力谱结合土壤类型计算出管道的动力响应。,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,（三）半动态分析方法 海底管道稳定性的半动态分析是将动态分析中次要的因 素忽略，采用静态分析公式的形式，它用较短的计算时 间即可获得精确的结果。 目前，国际上流行2种方法： 一种是以挪威船级社(DnV) 的推荐作法海底管道在海床上的稳定性设计（DnV RP E 305 ）为基础的分析方法； 另一种是按照美国天然气协会开发的稳定性计算机程序（AGA On-bottom stability analysis ofsubmarine pipeline）中LEVEL 2 进行的分析方法。,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,
