淺析海底管道的挖溝設(shè)計(jì)方法

1、淺析海底管道的挖溝設(shè)計(jì)方法淺析海底管道的挖溝設(shè)計(jì)方法主要內(nèi)容主要內(nèi)容一引言二設(shè)計(jì)方法概述三初始條件過(guò)濾四設(shè)計(jì)參數(shù)五沖擊負(fù)荷六拖曳負(fù)荷七鉤負(fù)荷八接受標(biāo)準(zhǔn)九定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)在漁業(yè)拖網(wǎng)等活動(dòng)下提供保護(hù)。 漁業(yè)活動(dòng)對(duì)于未做挖溝埋設(shè)處理的海底管道的影響等還是相當(dāng)顯著。 目前，漁業(yè)活動(dòng)（拖網(wǎng)載荷）對(duì)海底管道的影響，國(guó)內(nèi)、外都還沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)范進(jìn)行約定，只是在如API RP 1111、ASME B 31.8、DNV-OS-F101等國(guó)際規(guī)范中有部分建議。 傳統(tǒng)上，人們?cè)诮缍ü艿滥軌虺惺芡暇W(wǎng)載荷能力時(shí)，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(wú)需進(jìn)行挖溝保護(hù) 。 隨著海上油氣開(kāi)發(fā)逐步向深海推進(jìn)，高溫高壓油藏條件，使更多小管徑海底管道逐步得以應(yīng)用，故有考慮對(duì)小管徑管道進(jìn)行挖溝保護(hù)研究的必要 。二、設(shè)計(jì)方法概述二、設(shè)計(jì)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(jì)方法概述二、設(shè)計(jì)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(píng)估拖曳力與時(shí)間的關(guān)系，及其產(chǎn)生的管道彎曲評(píng)估沖擊能量、在管道上產(chǎn)生的凹痕評(píng)估由于拖網(wǎng)鉤住時(shí)產(chǎn)生的載荷和彎曲后果三個(gè)級(jí)別的評(píng)估監(jiān)控 二、設(shè)計(jì)方法概述二、設(shè)計(jì)方法概述總的設(shè)計(jì)方法示意圖頻率確定失效頻率生命周期成本評(píng)估整個(gè)生命

3、周期包含的成本風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果確定的結(jié)果失效標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)不需要進(jìn)一步分析的工況整個(gè)生命周期中漁業(yè)活動(dòng)監(jiān)控拖網(wǎng)類(lèi)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(guò)濾三、初始條件過(guò)濾（一）、通過(guò)如滿(mǎn)足如下條件時(shí)，剛性管道也許可以不需要挖溝處理：1滿(mǎn)足：管道帶有混泥土配重層或者管道有保溫層（當(dāng)采用普通拖網(wǎng)捕時(shí)，要求保溫層厚度大于20mm，例如，其沖擊的能量不超過(guò)14kN；當(dāng)采用梁拖捕魚(yú)法

4、時(shí)，則要求保溫層不小于45mm，例如，其沖擊能量不超過(guò)38kN。）或者管道類(lèi)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(guò)濾三、初始條件過(guò)濾2 滿(mǎn)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(méi)有懸跨，該區(qū)域也不會(huì)采用梁拖捕魚(yú)法3 管道的操作溫度不超過(guò)40柔性管和所有其他的剛性管的工況需要進(jìn)一步評(píng)估。（二）、不通過(guò) 對(duì)于無(wú)鎧裝柔性管、2-3”的捎帶捆綁式管道，不大可能滿(mǎn)足決定性分析的接受標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于此類(lèi)型管道，仍然可采用風(fēng)險(xiǎn)分析方法。四、設(shè)計(jì)參數(shù)四、設(shè)計(jì)參數(shù)（一）、總體鋼管參數(shù)管道運(yùn)行策略環(huán)境條件和海床地形漁業(yè)活動(dòng)成本（二）、鋼管參數(shù)鋼管直徑壁厚腐蝕裕量材料屈服

5、強(qiáng)度材料的韌性涂層類(lèi)型涂層厚度涂層材料特性管道長(zhǎng)度管道走向 四、設(shè)計(jì)參數(shù)四、設(shè)計(jì)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(dòng)漁具質(zhì)量分布漁具速度分布漁業(yè)活動(dòng)的密集度拖網(wǎng)的方向分布變向拖曳能力和絞車(chē)載荷限制/剎車(chē)設(shè)定值管道所處海域內(nèi)，預(yù)期漁業(yè)活動(dòng)發(fā)展和實(shí)際四、設(shè)計(jì)參數(shù)四、設(shè)計(jì)參數(shù)（五）管道營(yíng)運(yùn)策略管道調(diào)查要求，例如，調(diào)查類(lèi)型和頻率智能清管預(yù)期的補(bǔ)救措施，例如，懸跨處理修補(bǔ)策略（六）、成本數(shù)據(jù)工程和項(xiàng)目管理材料建造和調(diào)試活動(dòng)（管道鋪設(shè)、挖溝、拋石等檢測(cè)和調(diào)查（在營(yíng)運(yùn)中）懸跨修正應(yīng)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(mǎn)足接受標(biāo)準(zhǔn) 如果上述方法無(wú)法通過(guò)，則按下列步驟進(jìn)行： 如果有已知試驗(yàn)結(jié)果，則與其相比較； 對(duì)帶涂層的鋼管進(jìn)行沖擊試驗(yàn)； 通過(guò)詳細(xì)的模擬試驗(yàn)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?jiǎn)卧o出的管道和土壤總體響應(yīng)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(guò)有限元軟件建立拖網(wǎng)拖曳模

7、型，模擬拖網(wǎng)運(yùn)動(dòng)及其在管道上方拖曳過(guò)程中產(chǎn)生的拖曳力，從而得到拖曳力時(shí)間關(guān)系。端部約束側(cè)向屈曲多次跨越應(yīng)變結(jié)果2.52.01.51.00.5025.020.015.010.05.00.0-5.0時(shí)間（ ）力（拖曳力-時(shí)間關(guān)系圖1730拖網(wǎng)以4節(jié)速度經(jīng)過(guò)8輸送管道七、鉤載荷七、鉤載荷當(dāng)拖網(wǎng)被鉤在管道上時(shí)，產(chǎn)生的反作用力會(huì)使?jié)O船有“暫?！钡默F(xiàn)象，被稱(chēng)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(yùn)動(dòng)示意圖 wvwwsnaglMAEvF/拖網(wǎng)捕魚(yú)板運(yùn)動(dòng)方向拖纜捕魚(yú)網(wǎng)板約束點(diǎn)管道最大變形為1/2網(wǎng)板長(zhǎng)八、接受標(biāo)準(zhǔn)八、接受標(biāo)準(zhǔn)（一）、凹痕沖擊載荷管道內(nèi)壓為常壓時(shí)，管壁上的凹痕應(yīng)不超過(guò)：4%

8、 當(dāng)D/t 182% 當(dāng)18 D/t 30八、接受標(biāo)準(zhǔn)八、接受標(biāo)準(zhǔn)（二）、拖曳載荷和側(cè)向屈曲時(shí)，其應(yīng)變應(yīng)滿(mǎn)足 其中， 是彎曲應(yīng)變， 是臨界彎曲應(yīng)變 ，P是外部超壓，Pc是導(dǎo)致靜水力壓潰的特征壓力 ： 13 . 1nxcxcbcbFFPPbbctDfPPPPPPycycec022113212DtEPeDtPyy2yttDFxcDtn3001八、接受標(biāo)準(zhǔn)八、接受標(biāo)準(zhǔn)（三）鉤載荷管道承受側(cè)向屈曲和鉤載荷時(shí)，其應(yīng)變應(yīng)滿(mǎn)足 無(wú)需考慮在同一點(diǎn)有多次鉤負(fù)荷產(chǎn)生的情況 1nxcxcbcbFFPP九、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估九、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在進(jìn)行確定性分析時(shí)，考慮最?lèi)毫拥膮?shù)組合工況。當(dāng)分析表明拖網(wǎng)活動(dòng)對(duì)管道造成的損壞可能

9、會(huì)持續(xù)不斷，則可以運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)來(lái)確定該損壞的概率，并確定管道在生命周期的維護(hù)成本。如果風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果表明拖網(wǎng)對(duì)管道的損壞的風(fēng)險(xiǎn)足夠低，而且后續(xù)的維護(hù)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(jì)只是管道整體安全性中的一環(huán)。 目前針對(duì)海底管道挖溝與否的設(shè)計(jì)，還基本都是基于以往成功的工程經(jīng)驗(yàn)。但隨著海上油氣開(kāi)發(fā)逐步開(kāi)發(fā)利用，僅限于以往的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)際的工程要求，需要進(jìn)行定量分析。 本文所述的海底管道挖溝設(shè)計(jì)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(jìn)行大量細(xì)致的收集、分析和研究工作，以逐步實(shí)現(xiàn)管道挖溝保護(hù)設(shè)計(jì)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(jì)方法概述三初始條件過(guò)濾四設(shè)計(jì)參數(shù)五沖擊負(fù)荷六拖曳負(fù)荷七鉤負(fù)荷八接受標(biāo)準(zhǔn)九定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一結(jié)論二、設(shè)計(jì)方法概述二、設(shè)計(jì)方法概述總的設(shè)計(jì)方法示意圖頻率確定失效頻率生命周期成本評(píng)估整個(gè)生命周期包含的成本風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果確定的結(jié)果失效標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)不需要進(jìn)一步分析的工況整個(gè)生命周期中漁業(yè)活動(dòng)監(jiān)控拖網(wǎng)類(lèi)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(jì)參數(shù)四、設(shè)計(jì)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(dòng)漁具質(zhì)量分布漁具速度分布漁業(yè)活動(dòng)的密集度拖網(wǎng)的方向分布變向拖曳能力和絞車(chē)載荷限制/剎車(chē)設(shè)定值管道所處海域內(nèi)，預(yù)期漁業(yè)活動(dòng)發(fā)展和實(shí)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(mǎn)足接受標(biāo)準(zhǔn) 如果上述方法無(wú)法通過(guò)，則按下列步驟進(jìn)行： 如果有已知試驗(yàn)結(jié)果，則與其相比較； 對(duì)帶涂層的鋼管進(jìn)行沖擊試驗(yàn)； 通過(guò)詳細(xì)的模擬試驗(yàn)確定凹痕能量。得到凹痕深度 ：21)(21212222221)(getoweIvumumE七、鉤載荷七、鉤載荷當(dāng)拖網(wǎng)被鉤在管道上時(shí)，產(chǎn)生的反作用力會(huì)使?jié)O船有“暫?！钡默F(xiàn)象，被稱(chēng)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(yùn)動(dòng)示意圖 wvwwsnaglMAEvF/拖網(wǎng)捕魚(yú)板運(yùn)動(dòng)方向拖纜捕魚(yú)網(wǎng)板約束點(diǎn)管道最大變形為1/2網(wǎng)板長(zhǎng)十、結(jié)十、結(jié) 論論 海底管道挖溝設(shè)計(jì)只是管道整體安全性中的一環(huán)。