淺析海底管道的挖溝設(shè)計方法

1、淺析海底管道的挖溝設(shè)計方法淺析海底管道的挖溝設(shè)計方法主要內(nèi)容主要內(nèi)容一引言二設(shè)計方法概述三初始條件過濾四設(shè)計參數(shù)五沖擊負荷六拖曳負荷七鉤負荷八接受標準九定量風險評估一結(jié)論一、引言一、引言 海底管道的挖溝和埋設(shè)，是為增加在位坐底穩(wěn)定性，同時在漁業(yè)拖網(wǎng)等活動下提供保護。 漁業(yè)活動對于未做挖溝埋設(shè)處理的海底管道的影響等還是相當顯著。 目前，漁業(yè)活動（拖網(wǎng)載荷）對海底管道的影響，國內(nèi)、外都還沒有強制規(guī)范進行約定，只是在如API RP 1111、ASME B 31.8、DNV-OS-F101等國際規(guī)范中有部分建議。 傳統(tǒng)上，人們在界定管道能夠承受拖網(wǎng)載荷能力時，唯一根據(jù)是管徑，即人們熟知的16”法則：管

2、徑不小于16”的海底管道能夠承受拖網(wǎng)載荷，故無需進行挖溝保護 。 隨著海上油氣開發(fā)逐步向深海推進，高溫高壓油藏條件，使更多小管徑海底管道逐步得以應用，故有考慮對小管徑管道進行挖溝保護研究的必要 。二、設(shè)計方法概述二、設(shè)計方法概述（一）、適用范圍剛性鋼質(zhì)海底管道未粘合的柔性管道和捎帶捆綁式管道二、設(shè)計方法概述二、設(shè)計方法概述（二）、方法第一步是建立關(guān)于管道、環(huán)境和拖網(wǎng)的模型。 評估拖曳力與時間的關(guān)系，及其產(chǎn)生的管道彎曲評估沖擊能量、在管道上產(chǎn)生的凹痕評估由于拖網(wǎng)鉤住時產(chǎn)生的載荷和彎曲后果三個級別的評估監(jiān)控 二、設(shè)計方法概述二、設(shè)計方法概述總的設(shè)計方法示意圖頻率確定失效頻率生命周期成本評估整個生命

3、周期包含的成本風險分析結(jié)果確定的結(jié)果失效標準建立何種界限狀況已經(jīng)被超越鉤掛工程模型確定因鉤掛荷載產(chǎn)生的變形管道變形工程模型確定因熱膨脹和拖網(wǎng)荷載引起的變形撞擊工程模型確定因拖網(wǎng)撞擊產(chǎn)生的缺陷荷載工程模型確定作用在管道上的拖網(wǎng)荷載直接分析結(jié)果是/否判定確認不需要進一步分析的工況整個生命周期中漁業(yè)活動監(jiān)控拖網(wǎng)類型、速度和頻率輸入數(shù)據(jù) （管道、操作、環(huán)境、拖網(wǎng)尺寸）三、初始條件過濾三、初始條件過濾（一）、通過如滿足如下條件時，剛性管道也許可以不需要挖溝處理：1滿足：管道帶有混泥土配重層或者管道有保溫層（當采用普通拖網(wǎng)捕時，要求保溫層厚度大于20mm，例如，其沖擊的能量不超過14kN；當采用梁拖捕魚法

4、時，則要求保溫層不小于45mm，例如，其沖擊能量不超過38kN。）或者管道類型為管中管系統(tǒng)、或者采用集束內(nèi)管的方式三、初始條件過濾三、初始條件過濾2 滿足： 管徑不小于16”名義管徑或者管徑在10”-14”之間，所處區(qū)域的管道沒有懸跨，該區(qū)域也不會采用梁拖捕魚法3 管道的操作溫度不超過40柔性管和所有其他的剛性管的工況需要進一步評估。（二）、不通過 對于無鎧裝柔性管、2-3”的捎帶捆綁式管道，不大可能滿足決定性分析的接受標準。對于此類型管道，仍然可采用風險分析方法。四、設(shè)計參數(shù)四、設(shè)計參數(shù)（一）、總體鋼管參數(shù)管道運行策略環(huán)境條件和海床地形漁業(yè)活動成本（二）、鋼管參數(shù)鋼管直徑壁厚腐蝕裕量材料屈服

5、強度材料的韌性涂層類型涂層厚度涂層材料特性管道長度管道走向 四、設(shè)計參數(shù)四、設(shè)計參數(shù)（三）環(huán)境因素土壤特性管道自埋的歷史數(shù)據(jù)管道沖刷的歷史數(shù)據(jù)海床地貌特征（四）、漁業(yè)活動漁具質(zhì)量分布漁具速度分布漁業(yè)活動的密集度拖網(wǎng)的方向分布變向拖曳能力和絞車載荷限制/剎車設(shè)定值管道所處海域內(nèi)，預期漁業(yè)活動發(fā)展和實際四、設(shè)計參數(shù)四、設(shè)計參數(shù)（五）管道營運策略管道調(diào)查要求，例如，調(diào)查類型和頻率智能清管預期的補救措施，例如，懸跨處理修補策略（六）、成本數(shù)據(jù)工程和項目管理材料建造和調(diào)試活動（管道鋪設(shè)、挖溝、拋石等檢測和調(diào)查（在營運中）懸跨修正應急維修不同輸送介質(zhì)溢油清理和賠償五、沖擊載荷五、沖擊載荷沖擊能量：產(chǎn)生凹痕

6、的能量是指被管壁吸收并產(chǎn)生變形的那部分能量，方法如下： 保守假定凹痕能量為50%的總沖擊能量，求得其產(chǎn)生的凹痕尺寸，檢查是否滿足接受標準 如果上述方法無法通過，則按下列步驟進行： 如果有已知試驗結(jié)果，則與其相比較； 對帶涂層的鋼管進行沖擊試驗； 通過詳細的模擬試驗確定凹痕能量。得到凹痕深度 ：21)(21212222221)(getoweIvumumE五、沖擊載荷五、沖擊載荷得到凹痕深度 ：模擬模型示意圖 梁單元給出的管道和土壤總體響應剛性物體（拖網(wǎng)質(zhì)量+附加質(zhì)量，同樣的初始拖網(wǎng)速度）涂層的彈性剛度管壁的彈性剛度32)25(tEDdymi六、拖曳載荷六、拖曳載荷可以通過有限元軟件建立拖網(wǎng)拖曳模

7、型，模擬拖網(wǎng)運動及其在管道上方拖曳過程中產(chǎn)生的拖曳力，從而得到拖曳力時間關(guān)系。端部約束側(cè)向屈曲多次跨越應變結(jié)果2.52.01.51.00.5025.020.015.010.05.00.0-5.0時間（ ）力（拖曳力-時間關(guān)系圖1730拖網(wǎng)以4節(jié)速度經(jīng)過8輸送管道七、鉤載荷七、鉤載荷當拖網(wǎng)被鉤在管道上時，產(chǎn)生的反作用力會使?jié)O船有“暫?！钡默F(xiàn)象，被稱為拖網(wǎng)阻礙，即鉤載荷。 拖網(wǎng)阻礙的載荷： 管道被網(wǎng)板鉤住后的運動示意圖 wvwwsnaglMAEvF/拖網(wǎng)捕魚板運動方向拖纜捕魚網(wǎng)板約束點管道最大變形為1/2網(wǎng)板長八、接受標準八、接受標準（一）、凹痕沖擊載荷管道內(nèi)壓為常壓時，管壁上的凹痕應不超過：4%

8、 當D/t 182% 當18 D/t 30八、接受標準八、接受標準（二）、拖曳載荷和側(cè)向屈曲時，其應變應滿足 其中， 是彎曲應變， 是臨界彎曲應變 ，P是外部超壓，Pc是導致靜水力壓潰的特征壓力 ： 13 . 1nxcxcbcbFFPPbbctDfPPPPPPycycec022113212DtEPeDtPyy2yttDFxcDtn3001八、接受標準八、接受標準（三）鉤載荷管道承受側(cè)向屈曲和鉤載荷時，其應變應滿足 無需考慮在同一點有多次鉤負荷產(chǎn)生的情況 1nxcxcbcbFFPP九、定量風險評估九、定量風險評估在進行確定性分析時，考慮最惡劣的參數(shù)組合工況。當分析表明拖網(wǎng)活動對管道造成的損壞可能

9、會持續(xù)不斷，則可以運用風險分析技術(shù)來確定該損壞的概率，并確定管道在生命周期的維護成本。如果風險分析結(jié)果表明拖網(wǎng)對管道的損壞的風險足夠低，而且后續(xù)的維護成本比挖溝成本要低的情況下，則可能為管道不挖溝提供支持。十、結(jié)十、結(jié) 論論 海底管道挖溝設(shè)計只是管道整體安全性中的一環(huán)。 目前針對海底管道挖溝與否的設(shè)計，還基本都是基于以往成功的工程經(jīng)驗。但隨著海上油氣開發(fā)逐步開發(fā)利用，僅限于以往的經(jīng)驗已經(jīng)不能滿足實際的工程要求，需要進行定量分析。 本文所述的海底管道挖溝設(shè)計定量分析方法，目前還只是處在初步的概念和探索階段，需要進行大量細致的收集、分析和研究工作，以逐步實現(xiàn)管道挖溝保護設(shè)計的數(shù)字化、系統(tǒng)化和規(guī)范化

10、，從而為管道安全提供更為可靠的保障。主要內(nèi)容主要內(nèi)容一引言二設(shè)計方法概述三初始條件過濾四設(shè)計參數(shù)五沖擊負荷六拖曳負荷七鉤負荷八接受標準九定量風險評估一結(jié)論二、設(shè)計方法概述二、設(shè)計方法概述總的設(shè)計方法示意圖頻率確定失效頻率生命周期成本評估整個生命周期包含的成本風險分析結(jié)果確定的結(jié)果失效標準建立何種界限狀況已經(jīng)被超越鉤掛工程模型確定因鉤掛荷載產(chǎn)生的變形管道變形工程模型確定因熱膨脹和拖網(wǎng)荷載引起的變形撞擊工程模型確定因拖網(wǎng)撞擊產(chǎn)生的缺陷荷載工程模型確定作用在管道上的拖網(wǎng)荷載直接分析結(jié)果是/否判定確認不需要進一步分析的工況整個生命周期中漁業(yè)活動監(jiān)控拖網(wǎng)類型、速度和頻率輸入數(shù)據(jù) （管道、操作、環(huán)境、拖網(wǎng)

11、尺寸）四、設(shè)計參數(shù)四、設(shè)計參數(shù)（三）環(huán)境因素土壤特性管道自埋的歷史數(shù)據(jù)管道沖刷的歷史數(shù)據(jù)海床地貌特征（四）、漁業(yè)活動漁具質(zhì)量分布漁具速度分布漁業(yè)活動的密集度拖網(wǎng)的方向分布變向拖曳能力和絞車載荷限制/剎車設(shè)定值管道所處海域內(nèi)，預期漁業(yè)活動發(fā)展和實際五、沖擊載荷五、沖擊載荷沖擊能量：產(chǎn)生凹痕的能量是指被管壁吸收并產(chǎn)生變形的那部分能量，方法如下： 保守假定凹痕能量為50%的總沖擊能量，求得其產(chǎn)生的凹痕尺寸，檢查是否滿足接受標準 如果上述方法無法通過，則按下列步驟進行： 如果有已知試驗結(jié)果，則與其相比較； 對帶涂層的鋼管進行沖擊試驗； 通過詳細的模擬試驗確定凹痕能量。得到凹痕深度 ：21)(21212222221)(getoweIvumumE七、鉤載荷七、鉤載荷當拖網(wǎng)被鉤在管道上時，產(chǎn)生的反作用力會使?jié)O船有“暫?！钡默F(xiàn)象，被稱為拖網(wǎng)阻礙，即鉤載荷。 拖網(wǎng)阻礙的載荷： 管道被網(wǎng)板鉤住后的運動示意圖 wvwwsnaglMAEvF/拖網(wǎng)捕魚板運動方向拖纜捕魚網(wǎng)板約束點管道最大變形為1/2網(wǎng)板長十、結(jié)十、結(jié) 論論 海底管道挖溝設(shè)計只是管道整體安全性中的一環(huán)。