姚 平, 范奉鑫, 李中陽(yáng), 李 磊, 曹玉龍, 劉 洋

(1．中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司生產(chǎn)部, 廣東 湛江 524057; 2．中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3．中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 環(huán)境力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

東方氣田海管懸跨段安全評(píng)估分析

姚 平1, 范奉鑫2, 李中陽(yáng)3, 李 磊3, 曹玉龍3, 劉 洋3

(1．中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司生產(chǎn)部, 廣東 湛江 524057; 2．中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3．中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 環(huán)境力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

從工程實(shí)際問(wèn)題出發(fā), 利用實(shí)際測(cè)量資料, 通過(guò)建立近底床懸跨海管的有限元模型, 計(jì)算了不同底床形狀下海管最大靜撓度隨海流流速變化的規(guī)律, 對(duì)東方 1-1氣田某標(biāo)段海管進(jìn)行了安全評(píng)估,篩選出了危險(xiǎn)懸跨段。這一計(jì)算結(jié)果對(duì)海管的防護(hù)維護(hù)工程實(shí)踐具有切實(shí)的指導(dǎo)意義。

東方1-1氣田; 海底懸跨管線; 評(píng)估分析; 有限元模型; 沙波

海底管道自從1954年正式投入運(yùn)行, 就以其經(jīng)濟(jì)性和便利性, 迅速成為海上石油天然氣集輸?shù)闹匾O(shè)施, 被譽(yù)為海上油氣開(kāi)發(fā)的生命線。海底管線的安全與否直接影響海上油氣運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境。位于南海北部灣海域的東方1-1氣田是中國(guó)海洋石油有限公司目前最大的自營(yíng)氣田。由于該海域海底沙脊沙波異常活躍, 非常容易造成海底管道懸跨, 海管在懸跨段很容易發(fā)生彎曲變形。為保證管道安全運(yùn)行, 中海油每年都要進(jìn)行潛水探測(cè), 隨時(shí)了解海管情況, 尤其是臺(tái)風(fēng)過(guò)后海管的懸跨狀況。為了研究海管跨長(zhǎng)與彎曲應(yīng)力的關(guān)系, 很多學(xué)者提出數(shù)值模型來(lái)進(jìn)行分析。Mouselli[1]提出了CAM方法, 通過(guò)管道強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)判斷海管靜態(tài)臨界安全跨長(zhǎng)。王維[2]提出了彎矩修正法, 在管道模型的邊界條件中加入約束, 以此來(lái)模擬埋設(shè)段對(duì)選跨段的影響。但是上述的學(xué)者研究都沒(méi)有考慮水動(dòng)力的影響, 而實(shí)際情況中海管懸跨段受到海水流動(dòng)的水動(dòng)力影響十分顯著。本文以某次探測(cè)結(jié)果為例, 建立起考慮水動(dòng)力影響的數(shù)值模型。并通過(guò)有限元計(jì)算, 分析各懸跨段的安全狀況, 指出可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的跨段。

1 模型參數(shù)

由于本文中建立起的數(shù)值模型是基于實(shí)際工程需要, 因此在建立模型之前需要將海管懸跨數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。表1、表2所列的是東方1-1氣田中的某條海管的設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際探測(cè)結(jié)果。該條海管總長(zhǎng)約 150 km, 由西向東鋪設(shè), 西側(cè)海管埋在沙中, 東側(cè)海管平放在海底之上。由表2可知, 該海管總共有21處懸跨, 其中最大懸跨高度為0.1 m的懸跨段占總段數(shù)的 57.1%, 懸跨高度為 0.2 m的占23.8%, 懸跨高度達(dá)到1 m以上的只有16號(hào)段。懸跨長(zhǎng)度20 m以下的懸跨段占總段數(shù)的28.6%, 懸跨長(zhǎng)度20～40 m的占38.1%, 懸跨長(zhǎng)度50 m以上的占19.1%, 即3, 11, 14, 16號(hào)段。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,懸跨段均位于淺海海域, 且相差不大, 從中篩選出相對(duì)危險(xiǎn)的懸跨段： 3, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16號(hào)段。其中7, 8, 10三段懸跨為一段比較長(zhǎng)的懸跨穿過(guò)兩個(gè)沙波形成, 沙坡大小和管道的掩埋深度未知。

2 計(jì)算模型

海管管徑相對(duì)于管跨長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)是一個(gè)極小量。為了便于力學(xué)模擬計(jì)算, 在數(shù)值模型中可以將模型管道看作柔性管, 同時(shí)也可以將海底管道的振動(dòng)假定為梁式彎曲振動(dòng)。本文采用Euler-Bernoulli梁模型研究帶有水泥配重層海管的撓曲變形問(wèn)題。跨長(zhǎng)為L(zhǎng)的懸跨海管(如圖1所示)彎曲微分方程[3]為：

式中,E為海管的彈性模量;I為海管慣性矩。在海管的雙層結(jié)構(gòu)中, 鋼管剛度要遠(yuǎn)大于水泥層的剛度, 因此我們?cè)诜匠讨兄豢紤]鋼管剛度[4]。由此可得到海管的慣性矩：

表1 海管設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Parameters of the pipeline

表2 東方1-1氣田某段海管懸跨段實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)Tab. 2 Measurements of a spanning pipeline in Dong-Fang 1-1 gas field

式中ts為鋼管壁厚,Di為鋼管外徑, 由于海管兩端為彈性約束, 因此可以得出海管的邊界條件：

w為海管中點(diǎn)靜撓度;sρ為鋼管密度;M為海管總質(zhì)量。鋼管的質(zhì)量與水泥的質(zhì)量相差不大, 海管質(zhì)量應(yīng)為鋼管質(zhì)量和水泥質(zhì)量之和：

上式中A為海管外截面積;FL為海流對(duì)海管的升力, 與外流速度u、外流體密度ρ、海管外徑D、懸跨跨長(zhǎng)L有關(guān), 公式如下：

式(5)中的CL為升力系數(shù)。

圖1 兩端扭轉(zhuǎn)彈性約束的懸跨海管Fig. 1 An elastically mounted span

由于實(shí)測(cè)資料中海管的路由都為不穩(wěn)定的砂質(zhì)底床, 所以本文的有限元靜態(tài)模型將重點(diǎn)考慮底床對(duì)懸跨段受力的影響。Müller[5]基于勢(shì)流理論給出的升力解析解與實(shí)驗(yàn)差別比較大, 為了得到升力系數(shù)沿軸向的分布, 可以基于條帶法將海管沿軸向做均勻切片處理, 即對(duì)每一截面都用二維的修正勢(shì)流法得到升力, 進(jìn)而考察海管升力沿軸向的分布, 將升力加載至有限元模型, 計(jì)算得到海管變形沿軸線方向的分布。由修正勢(shì)流法得到的平底床海管升力系數(shù), 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)[6-7]非常接近, 具體推導(dǎo)過(guò)程可參看文獻(xiàn)[8]。

式中e為海管與底床的間隙(圖 1), 根據(jù)海管懸跨狀況確定兩端邊界條件。因?yàn)楹９芑蚴菙R在海床上或是穿過(guò)沙波, 所以海管兩端不能單純采用固支或者簡(jiǎn)支的約束條件, 更貼近實(shí)際的約束應(yīng)該是介于固支和簡(jiǎn)支之間的約束模式[9-10]。本文采用兩端帶有扭轉(zhuǎn)彈簧的簡(jiǎn)支約束條件。按實(shí)際狀態(tài)分為兩種情況討論： (1)海管埋入海床中時(shí)(如3, 7, 8, 10號(hào)段)。懸跨端部受到未懸跨部分的轉(zhuǎn)動(dòng)約束, 以及海床泥土的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。扭轉(zhuǎn)剛度k取為108Nm/rad。(2)海管擱在海床上時(shí)(如11, 13, 14, 16號(hào)段)。懸跨端部?jī)H受到未懸跨部分的轉(zhuǎn)動(dòng)約束, 故其扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)小于第一種情況。k取為0.2×107Nm/rad。

一般情況下海流速度為 1～2 kn, 即 0.514 4～1.028 9 m/s, 考慮到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣, 這里將分兩種情況討論海管的疲勞壽命, 一種為一般情況, 海流速度取為0.8 m/s, 另一種為極端海況(臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮),底床附近的海流速度取為1.5 m/s 。

確定計(jì)算方法之后, 采用ANSYS有限元軟件建立起海管模型, 并對(duì)模型的靜撓度進(jìn)行求解。不同水深對(duì)海管的應(yīng)力分布以及撓度影響不大, 危險(xiǎn)懸跨段主要由懸跨長(zhǎng)度和懸空高度決定。下一步對(duì)從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中篩選出相對(duì)危險(xiǎn)的懸跨段： 3, 7, 8, 10, 11,13, 14, 16號(hào)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算, 評(píng)價(jià)其安全性。

3 計(jì)算結(jié)果分析

判斷海管是否安全有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)： (1)剛度失效：若海管的最大位移與海管長(zhǎng)度比值小于 0.004, 即則海管處于安全狀態(tài); (2)強(qiáng)度失效：若海管承受的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力, 即則海管處于安全狀態(tài)。

由于在平底床的條件下, 鋼管更容易發(fā)生剛度失效[4], 本文采用第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷海管是否安全。首先在考慮一般情況(海底海流速度為 0.8 m/s)的情況下計(jì)算海管在自重(空管狀態(tài)下)和浮力作用下的最大撓度wmax, 看其是否滿足的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。確定計(jì)算參數(shù)如表3、表4所示, 一般將質(zhì)量附加系數(shù)設(shè)為常數(shù)。

表3 模型鋼管計(jì)算參數(shù)Tab. 3 Parameters of the steel pipe model

表4 模型流場(chǎng)計(jì)算參數(shù)Tab. 4 Parameters of flow field in the model

海管設(shè)計(jì)參數(shù)中水泥負(fù)載厚度為 0.08～0.095 m,本次模擬計(jì)算將分別計(jì)算這兩種負(fù)載厚度情況下的海管變形。采用ANSYS有限元軟件中的靜態(tài)分析模塊來(lái)進(jìn)行求解[11], 計(jì)算的結(jié)果按照水泥負(fù)載厚度劃分。表5為 0.08 m時(shí)海管各危險(xiǎn)段的靜撓度值, 表6為0.095 m時(shí)海管各危險(xiǎn)段的靜撓度值。表中L為海管跨長(zhǎng),h為水深,hs為最大懸空高度,w為最大靜撓度。

表5 負(fù)載厚度0.08 m時(shí)靜撓度Tab. 5 Static deflections when the thickness of cement equals 0.08 m

表6 負(fù)載厚度0.095 m時(shí)靜撓度Tab. 6 Static deflections when thickness of cement equals 0.095 m

現(xiàn)實(shí)中底床形態(tài)有可能是由海水沖刷造成的沖刷坑, 因此對(duì)安全隱患較大的 11, 16號(hào)段和懸空高度為0.7 m的13號(hào)段進(jìn)行沖刷底床情況下的受力分析, 評(píng)價(jià)其安全性。在沖刷底床情況下, 升力系數(shù)為負(fù)[8]。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得11, 13, 16號(hào)段的靜撓度如表7所示, 表中h0為原始懸空高度。

表7 0.095 m負(fù)載厚度下11, 13, 16號(hào)段靜撓度Tab. 7 Static deflections of No. 12, 13, and 16 when the thickness equals 0.095 m

由結(jié)果可見(jiàn), 在沖刷底床情況下 11, 16號(hào)段海管不能滿足的標(biāo)準(zhǔn), 因此11, 16號(hào)段都是不安全的, 尤其是 16號(hào)段已經(jīng)嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn),十分危險(xiǎn)。13號(hào)段雖然懸空高度較高, 但是由于懸跨跨長(zhǎng)比較短, 因此海管中點(diǎn)的靜撓度還未到剛度失效的標(biāo)準(zhǔn)。7, 8號(hào)段跨長(zhǎng)與13號(hào)段基本相同, 但懸空高度只有0.2 m, 因此也可以斷定7, 8兩號(hào)段滿足的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

將所得結(jié)果按照懸跨長(zhǎng)度從小到大繪制出位移走勢(shì)曲線(圖 2), 可以看出隨著跨長(zhǎng)的增加, 海管的最大位移也在增加。

圖2 不同水泥厚度海管最大位移隨跨長(zhǎng)變化Fig. 2 Span-dependant pipeline displacements at two different thicknesses

將海管的長(zhǎng)度固定, 通過(guò)改變海流流速可以得到海管中點(diǎn)最大位移隨著外流速度的變化規(guī)律(圖3)?？梢钥闯霾煌状残螤钕? 海管中點(diǎn)最大位移變化規(guī)律有顯著區(qū)別。在平底床條件下海管中點(diǎn)位移隨著外流速度的增大而減小, 當(dāng)外流速度從 0增加到 2.0 m/s時(shí), 海管的中點(diǎn)位移減小了 2.36%, 在沖刷底床條件下, 隨著流速的增加, 海管中點(diǎn)最大位移會(huì)逐漸變大, 當(dāng)流速?gòu)?增加到2.0 m/s時(shí), 海管的中點(diǎn)位移增加了13.4%。這是因?yàn)樵谄降卮矖l件下,海管升力系數(shù)為正, 隨著海流流速的增加, 正向升力會(huì)FL增大, 從而抵消掉一部分重力; 在沖刷底床條件下, 升力總的效果為負(fù), 所以隨著流速的增加,海管中點(diǎn)最大位移變大。

圖3 海管最大位移隨流速變化Fig. 3 Velocity-dependant displacements of pipeline at two different sea beds

4 結(jié)論

本文從實(shí)際問(wèn)題出發(fā), 對(duì)東方氣田某標(biāo)段海管的海底懸跨實(shí)際情況進(jìn)行分析, 篩選出一些重點(diǎn)懸跨段, 建立有水動(dòng)力影響的海管懸跨安全計(jì)算的靜態(tài)模型并且確定了計(jì)算參數(shù)。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果, 可以得出如下結(jié)論： (1)對(duì)于篩選出的各重點(diǎn)懸跨段, 3,11, 14, 16號(hào)段是不安全的。建議對(duì)通過(guò)本文計(jì)算所得出的不安全號(hào)段海管盡快進(jìn)行加固維護(hù)。(2)相對(duì)于水泥負(fù)載厚度0.08 m, 水泥負(fù)載厚度0.095 m時(shí)海管更容易發(fā)生危險(xiǎn)。(3)在平底床情況下, 隨著流速的增加, 海管受到的正向升力增加, 其中點(diǎn)位移會(huì)減小; 在沖刷底床情況下, 海管會(huì)受到負(fù)向升力, 其中點(diǎn)最大位移會(huì)增加。

[1]Mouselli A H. Offshore pipeline design analysis and methods[M]. United States： Penn Well Books, 1981.

[2]王維. 確定海底埋設(shè)輸油管線允限沖刷長(zhǎng)度的一種實(shí)用方法[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào), 1996, 18(3)： 94-97.

[3]Lin Mian, Cao Yulong, Li Lei, et al. Investigating of a Near-bed Submarine Pipeline in current[C]// the ASME.Proceedings of the ASME 2009 28thInternational Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering.Honolulu, Hawaii, USA： ASME, 2009： 191-195.

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Security analysis for the spanning pipelines located in Dong-Fang 1-1 Gas Field

YAO Ping1, FAN Feng-xin2, LI Zhong-yang3, LI Lei3, CAO Yu-long3, LIU Yang3
(1. China National Offshore Oil Corporation, Limited-Zhanjiang Production Department, Zhanjiang 524057, China;2. Key Laboratory of Marine Geology & Environment, Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Science,Qingdao 266071, China; 3. Key Laboratory of Environment Mechanics, Institute of Mechanics, the Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)

Feb., 02, 2010

Dong-Fang 1-1 Gas Field; submarine spanning pipelines; assessment analysis; finite element model; sand waves

Submarine pipelines are major instruments for transporting oil and gas. A finite element model was established for the spanning pipelines near a seabed. The variations of pipeline deformation with current velocity was calculated according to the measurement data of Dong-Fang 1-1 Gas Field. The security assessments was analyzed. The dangerous segments of a spanning pipeline were pinpointed. This result will guide the company in preventive measures for dangerous spanning pipelines.

P756.2

A

1000-3096(2011)08-0058-05

2010-02-02;

2010-06-11

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-212-2); 國(guó)家科技部“863”目標(biāo)導(dǎo)向類項(xiàng)目(2006AA09Z301); 國(guó)家基金委自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40776057)

姚平(1965-), 男, 陜西彬縣人, 工程師, 從事海洋工程設(shè)施安全保障研究工作,電話： 0759-3902040, E-mail： yaoping@cnooc.com.cn

劉珊珊)