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1、第三章 海底管道通过海底油气管道，把海上油气田的整个油气集输与储运系统联系起来，也使海上油气田与整个石油工业系统联系起来。 陆上油气管线在穿越江河处，也常采用水下敷设的方式。 相对于陆地管道，海底管道往往处于极端的工作条件。海底管道的设计与陆地管道有很大的不同。内容海底管道工程的特点海洋平台、铺管船及铺管方式载荷条件海底管道的相关标准和规范海底管道的结构形式结构设计中的难题 海底管道工程的特点施工投资大：铺管船、开沟船和10余只辅助作业的拖船组成的庞大的专业船队等施工质量要求高：维修困难施工环境多变：海况变化剧烈、迅速施工组织复杂：管道的预制，船队的配件、燃料和淡水的供应等（海陆联合组织） 浅
2、海开发导管架式平台导管架式平台平台设于导管架的顶部，整体结平台设于导管架的顶部，整体结构刚性大，适用于各种土质，但构刚性大，适用于各种土质，但其尺度、重量随水深增加而急剧其尺度、重量随水深增加而急剧增加，在深水中的经济性较差。增加，在深水中的经济性较差。典型深海海底油气开采FPSO（Floating Production shortage and Offloading）浮式生产、储油、卸油船浮式生产、储油、卸油船 机动性和运移性好，具有机动性和运移性好，具有适应深水采油的能力，在深水适应深水采油的能力，在深水域中较大的抗风浪能力、大产域中较大的抗风浪能力、大产量的油气水生产处理能力和大量的油气
3、水生产处理能力和大的原油储存能力。的原油储存能力。从左到右依次是导管架式平台，自升式平台，半潜式平台，钻井船，张力腿平台。国内典型起重铺管船装备蓝疆号 3800t国内典型起重铺管船装备华天龙 4000t国内典型起重铺管船装备海洋石油202号我国首艘自主研制的起重铺管船浅水1200t国内典型起重铺管船装备凯撒我国首艘超深水海洋铺管船铺管方式S-LayJ-LayReel-Lay S-LayS形铺设方法：适用于浅近海（10-450m）、深水区的小管径管线的铺设。管道在下海过程中呈S形变形曲线。 J-LayJ形铺设方法：适用于深海（1500m）大管径管线的铺设。需要J式托管架，托管架上必须有张紧器。
4、Reel-Lay卷盘式铺设方法：适用于深水区的小管径管线的铺设。 载荷条件压力;温度;海浪;海流;海床;风;冰;地震活动;平台移动;水深；支座沉降;意外荷载；捕鱼;海洋生物生长。有关海底管道的相关标准和规范SY/T4804-92 海底管道系统规范Recommended Practice DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection March 2001Recommended Practice DNV-RP-F101 Corroded pipeline protection 1999Recommended Practice DNV-RP-F
5、107 Risk assessment of pipeline protection March 2001RP E305 On-bottom stability design of submarine pipeline October 1998Recommended Practice RP-B401 Cathodic Protection Design 1993RP-F106 Factory applied external pipeline coatings for corrosion control海底管道的结构分析指南中国船级社NACE Standard Recommended Prac
6、tice RP0492-92 Metallurgical and Inspection Requirements for Offshore Pipeline Btaceled Anodes.DNV Offshore Standard DNV-OS-F101,Submarine Pipeline System, 2000DNV Rule for Submarine Pipeline System 1996.Guide for building and classing subsea pipeline systems and risers, ABS PR Guide,2001API RP 1111
7、, 3th,1999 Design,construction,operation, and maintenance of offshore hydrocarbon pipelines (limit state design)DNV-RP-F105, 2006 FREE SPANNING PIPELINESSubsea Pipelines And Risers, Yong Bai and Iang Bai, Elsevier Science Ltd.单层管双层管（管中管）管束立管海管的结构形式管中管，管束HPDE Jacket, Insulation, Inner pipeBundleFlexi
8、ble Riser (CSO)结构设计中的难题高温高压管道 （屈曲）深海立管设计 （动力与疲劳）。高温管道的变形特点屈曲漂移高温管道的设计对策 增加管道横向或纵向的约束力，如加大埋深，外包混凝土层以增加管道配重和摩擦力，在管道上方堆积石块；蛇形或水平面内的之字形敷设，或采用热补偿器；采用管中管或者集束管以增加侧向/竖向约束力和抗弯刚度；安装时通过牵引或者用热介质在管道中预拉力；以上两种或多种方法的结合。 3-1 波浪、海流对管道的作用 波浪的各种参数定义 根据水深的不同将管道划分为三个区段深水区段：在这区段的海底（地形、地质等）实际上不再影响波浪的形状和尺度。过渡区段：在此区段内波浪由深水波向
9、浅水波过渡，深水的三向波在海底水深等因素的影响下向两向波过渡，有时波浪出现破碎。浅水区段：在这区段内波浪在水深、地形的影响下变化剧烈，波浪向岸边推进时，出现多次破波，而达到最终破碎，并在岸坡附近形成上爬的击岸水流。 波浪理论的选择斯托克斯波二阶波三阶波四阶波五阶波（用来描述大振幅的振荡波的性质）椭圆余弦波（用来描述长的、有限振幅的波在浅水中的传播）线性波（用来描述小振幅的振荡波的性质）海流 海流，是指由不同原因所产生的各种类型的海水合成流动。海流是一综合流，近岸海流一般以潮流和风海流为主。在某些位置和某种情况下，其它类型的海流也可能相当显著，如由于波浪破碎产生的顺岸流和离岸流等。对于海流（主要
10、对潮流）的测量，要选择有代表性的时间、季节、点位，测定海流的流速、流向，并需测定沿垂直分布的流速、流向和随时间的变化过程，必要时要进行“流路”测量。 动水作用力 海水对海底管线的作用力：Morison公式垂直力（升力）水平力速度力（阻力）惯性力速度和加速度由波浪和海流复合作用引起。 3-2 海底管道的稳定性与设计 1、海底管道的稳定性条件 作用力： 动水作用力 管道总重量 浮力 摩擦力作用力的计算管道总重量钢管重量 内、外防腐绝缘层的重量混凝土防护加重层的重量 介质的重量 浮力摩擦力海床上保持稳定的管道须满足的方程 即:令:KV、KH管道竖向和水平方向的稳定性系数，一般取KV=1.051.10
11、；KH1.101.15。 负浮力以上为海底管道稳定性的静态分析。不足：对波浪-管道-土壤的联合作用分析不够，仅 仅用一个简单的摩擦系数来描述管土相互作用。发展：动态法、半动态法 动态法 基本原理：波浪作为周期性动力荷载作用在管道上。 管道在波浪荷载的作用下，在海床上发生往复运动。 基本步骤： (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。 缺点：沿管道路由取得足够精确的环境和工程地质数据极为困难，有时甚至是不可能的。半动态法 将动态分析中次要的因素忽略 目前，国际上流行2种方法:一种是以DnVRPE305为基础的分析方法;另一
12、种是按照美国天然气协会开发的稳定性计算机程序中LEVEL2进行的分析方法。2、保持海底管道的稳定性的措施 稳定性设计增加管道配重 加大钢管的壁厚不经济加重混凝土涂层的重量增大浮力稳定压块埋设尽可能埋置于海底面以下机械锚固 遇有岩礁或坚硬土层，可利用 锚杆将管道与岩盘基础锚固在一起 稳定压块的设计与计算 当稳定压块在管道上连续盖压时，它的重量（单位长管道上的压块水下重量）可为 取二者之最大值 当稳定压块间隔地盖压在管道上取二者之最大值 铰链式稳定压块铰链式稳定压块，它能比较容易地在管子上保持其自身稳定的位置，安装时水下可以张开，安装比较容易。但加工制作和压块组装困难，成本比较高，因而使用较少。 稳定压块型式马鞍形稳定压块各种马鞍形稳定压块，根据断面形状不同有如下几种：例如，矩形、梯形，拱形等等。坡侧方向的阻力小，稳定性好本章小结海底管道强度设计的内容之一是对波、流情况出估计，以此选出管道各项参数；波浪参数有波速、波长、波高；常见的波浪理论有：Airy波、Stokes二阶、三阶、四阶和五阶波，椭圆余弦波（Cnoidal） 等；海水对管道的动水作用力：升力、阻力和惯性力；动水作用力根据Morison方程计算；作用在海底管道上的力：重量、动水作用力、浮力和摩擦力；海底管道的稳定性措施：配重、稳定压块、埋设和机械锚固。
