焦向民

（中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

灘淺海輸油管道懸空隱患不停輸治理

焦向民

（中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

文章結(jié)合工程實際，在運用ABAQUS軟件對海底管道進(jìn)行應(yīng)力和渦流激振懸跨分析的基礎(chǔ)上，提出了海底管道懸空隱患不停輸治理方案 （懸跨段管道路由修正設(shè)計→懸空段碎石回填→水力噴射挖溝→管道檢測→應(yīng)力復(fù)核），并在工程中實施，治理施工完成后的管道應(yīng)力復(fù)核計算結(jié)果表明，外管應(yīng)力最大為100.4 MPa，內(nèi)管最大彎曲應(yīng)力為72.3 MPa，混輸管道外管修正后的應(yīng)力滿足了規(guī)范要求。

海底管道；懸空治理；不停輸；應(yīng)力分析；渦流激振懸跨分析

0 引言

冀東南堡油田位于渤海灣北岸，唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)附近，位于近岸淺水區(qū)。NP1-3D/NP1-1D海管海纜工程位于河北省唐?？h南堡鄉(xiāng)西偏南4 km的0～5 m淺水海域。海底輸油管道全長6.7 km，混輸管道采用雙層管結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均為API 5L X65 PSL2，外管徑為559 mm，內(nèi)管徑為406 mm，壁厚15.9 mm，環(huán)形空間為50 mm厚聚氨酯泡沫保溫層，混輸管道外管采用3LPE防腐，設(shè)計壽命20年。該管道于2009年7月建成投產(chǎn)，油氣混輸，液量950 t/d，氣89.1萬m3/d，外輸壓力0.76 MPa，溫度43℃。

2010年7月對該段管道進(jìn)行了路由調(diào)查，發(fā)現(xiàn)中南部由于人工吸砂，形成大面積的凹坑區(qū)。吸砂區(qū)水深變化幅度大，局部形成陡坎。吸砂區(qū)內(nèi)水深最高達(dá)10 m。在測區(qū)范圍內(nèi)，最大吸砂區(qū)面積約為57 700 m2，吸砂區(qū)總面積約為63 800 m2。管道局部懸空高度達(dá)5.15 m，懸空區(qū)段的輸油管道總長約為370 m，為間斷性不連續(xù)懸空，共有7段，其中最長懸空長度為67 m。形成管道懸空的主要原因是采砂船的非法取砂，給管道運營帶來極大風(fēng)險。

1 懸跨管道在位應(yīng)力分析

1.1 條件假設(shè)

根據(jù)海管海纜檢測報告，對海底管道采用通用有限元程序ABAQUS進(jìn)行了受力分析。分析時按如下條件考慮：

（1）由于吸砂引起的不平海床采用剛性邊界模擬。

（2）海底管道采用梁單元模擬，并在懸跨的遠(yuǎn)端施加約束。

（3）海底管道最初的零應(yīng)力狀態(tài)按平直狀態(tài)考慮。在管道水下自重+管內(nèi)液體重量狀態(tài)下，進(jìn)行管道與海床的邊界非線性接觸分析。

分析所得的管道變位與檢測報告檢測的管道變形吻合較好，證明了分析的正確性?；燧敼艿赖姆治瞿Ｐ图胺治鼋Y(jié)果見圖1，懸跨管道的在位應(yīng)力分析結(jié)果見表1。

圖1 混輸管道分析模型及分析結(jié)果示意

1.2 等效應(yīng)力校核

根據(jù)DNV 1981 Rules for Submarine PipelineSystem規(guī)范 （以下簡稱DNV 1981規(guī)范），管道的等效應(yīng)力應(yīng)滿足以下校核公式，管道功能荷載組合等效應(yīng)力校核結(jié)果見表2。

表1 懸跨管道在位應(yīng)力分析結(jié)果

式中σe——等效應(yīng)力；

σy——環(huán)向應(yīng)力；

σL——軸向應(yīng)力；

η——安全系數(shù)，取0.72；

σF——屈服強(qiáng)度。

表2 管道功能荷載組合等效應(yīng)力校核結(jié)果

由以上分析可知，海底管道功能荷載組合等效應(yīng)力已超出了規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，但還未超出屈服強(qiáng)度。

2 渦流激振懸跨分析

2.1 分析方法

當(dāng)海水以穩(wěn)態(tài)形式 （在波浪、海流的作用下）流經(jīng)懸跨管道時，管道可能發(fā)生振動 （渦流激振），管道激振通常分為兩種形式：沿流速方向的振動（順流激振，In-line）；垂直流速方向的振動 （與流正交激振，Cross-flow）。

激振判斷：

（1）管道的順流激振可按下述進(jìn)行判斷：

當(dāng)1.0＜Vr＜3.5， Ks＜1.8， 發(fā)生順流激振。

當(dāng) 1.0＜Vr＜2.2， Ks＜1.8， 激振是對稱的， 衰減速率Vr可由DNV1981附錄A附圖A.3查得。

（2） 管道與流正交的激振按下述判斷：

當(dāng)Ks＜16時，發(fā)生與流正交的激振，衰減速率Vr由DNV 1981附錄A附圖A.5查得。

其中控制管道響應(yīng)穩(wěn)定參數(shù)Ks由以下公式定義：

式中Ks——穩(wěn)定參數(shù)；

me——單位長度管道有效質(zhì)量；

δ——管道側(cè)向撓度變形；

ρw——海水密度；

Dtot——管道外徑。

管道由于受渦流激振影響，允許的最大懸跨長度Lcr可由下式得出：

式中Lcr——渦流激振允許懸跨長度；

Vr——衰減速率；

U——水質(zhì)點速度；

B——管道固有頻率；

C——邊界條件因子，取15.42；

E——管材彈性模量；

I——管材截面抗彎剛度。

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)DNV 1981規(guī)范及以上分析方法計算混輸管道操作期的渦流激振懸跨長度，計算結(jié)果為Lcr=20 m。

管道懸跨在控制渦激懸跨長度Lcr以內(nèi)，不會引起渦激振動。如果懸跨長度超過Lcr則可能引起渦激振動，從而導(dǎo)致管道的疲勞損傷。對于渦激引起的疲勞分析可參照 DNV-RP-F 105-2007 Free Spanning Pipelines進(jìn)行分析。

3 治理方案

根據(jù)海底管道路由調(diào)查數(shù)據(jù)，對懸空段海底管道應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，混輸管道在管道自重及浮力作用下，外管的懸跨肩部最大應(yīng)力330 MPa，懸跨中部最大應(yīng)力280 MPa，相應(yīng)內(nèi)管受力懸跨肩部最大應(yīng)力240MPa，懸跨中部最大應(yīng)力204MPa。分析表明，海底管道由于懸空產(chǎn)生的應(yīng)力處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，海底管道在操作期的功能荷載等效應(yīng)力已經(jīng)超出了規(guī)范的許用應(yīng)力范圍，但未超過管道的屈服強(qiáng)度；管道的懸跨長度已經(jīng)超出了管道的控制渦激振動長度，波浪和海流引起的渦激振動會引起管道疲勞損傷。應(yīng)抓緊治理，降低管道現(xiàn)有的應(yīng)力狀態(tài)，以防出現(xiàn)安全環(huán)保事故。

以管道現(xiàn)狀為初始狀態(tài)，采用ABAQUS軟件模擬削平支點開挖過程中管道的應(yīng)力變化。通過管道現(xiàn)狀受力分析和管道施工中的受力分析，按照規(guī)范要求確定了以下安全可行的施工方案和施工步驟：

懸跨段管道路由修正設(shè)計→懸空段碎石回填→水力噴射挖溝→管道檢測→復(fù)核應(yīng)力。

3.1 懸跨段管道路由修正設(shè)計

在工程實施前根據(jù)實測的海底管道路由、海床和海底管道縱曲線形狀進(jìn)行詳細(xì)的路由縱剖面設(shè)計，目的是減少管道現(xiàn)存狀態(tài)下的管道應(yīng)力，見圖 2。

圖2 混輸海底管道路由修正縱剖面示意 （縱1∶1000，橫1∶50）

混輸管道路由修正縱剖面曲率半徑R=3000m，并與兩端平滑過渡?？v剖面曲線引起的外管應(yīng)力為19.5 MPa。

3.2 懸空段碎石回填

（1）在碎石回填前要做好管道定位工作，先由潛水員在懸空管段綁定位浮漂，回填時用GPS系統(tǒng)定位，將碎石拋擲在管道的兩側(cè)，避免直接砸到管道上。

（2）路由修正后管道位置以上回填的碎石粒徑不應(yīng)太大，以保證水力噴射挖溝機(jī)能順利挖溝。

（3）回填高程應(yīng)為路由修正前管底高程，見圖3。

圖3 管道懸空段碎石回填標(biāo)準(zhǔn)斷面

3.3 水力噴射挖溝

（1）針對回填后的管道，應(yīng)根據(jù)計算分析確定管道合理的挖溝方案。原則上先采用水力噴射挖溝機(jī)對管道中間高支點和懸跨兩側(cè)過渡區(qū)域按設(shè)計挖溝順序和挖溝深度進(jìn)行削挖，使管道曲線進(jìn)一步光順，為了不使挖溝時管道產(chǎn)生的應(yīng)力過大，挖溝的深度不宜大于0.5 m。按挖溝順序完成懸空段削平支點處理后，可按由一側(cè)至另一端側(cè)的正常順序進(jìn)行挖溝下放作業(yè)。為控制挖溝應(yīng)力，每次挖溝的深度不宜大于0.5 m，根據(jù)施工情況可調(diào)整每次挖溝的深度，但最大不應(yīng)大于1 m。

（2）挖溝機(jī)的技術(shù)性能必須保證整個施工過程期間不損傷海底管道，使用的傳感器系統(tǒng)應(yīng)包括：前后方的可視聲納、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，與管道相關(guān)的數(shù)據(jù)采集為挖溝機(jī)自動控制提供了可靠保證。挖溝機(jī)上的儀器應(yīng)不間斷地監(jiān)視和記錄挖溝機(jī)的控制情況，以便使挖溝過程中管道的應(yīng)力始終在允許的水平之下。在任何時候，若儀器顯示管道可能出現(xiàn)損壞，應(yīng)該停止挖溝操作，并派潛水員或用遠(yuǎn)程控制潛水器進(jìn)行調(diào)查。

（3）挖溝時施工船必須精準(zhǔn)定位于管道路由上，施工路由與管道路由一致，最大偏移不超過1 000 mm，夾角不大于5°。

（4）挖溝時須嚴(yán)格按照預(yù)先制訂好的挖溝順序，不得隨意改動。

（5）由于施工管道在治理期間未停輸，故施工時將施工速度控制在0.5 m/min以內(nèi)，以保證管道安全。

3.4 應(yīng)力復(fù)核

管道路由修正完成以后，需要對管道路由重新調(diào)查，結(jié)果見圖4（局部）。

圖4 管道路由的重新調(diào)查結(jié)果 （局部）

根據(jù)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核見表3，并得出結(jié)論如下：

（1）根據(jù)有限元計算結(jié)果可以看出，外管應(yīng)力最大為100.4MPa，內(nèi)管最大彎曲應(yīng)力為72.3 MPa。

表3 懸跨混輸管道處理后應(yīng)力分析結(jié)果

（2）混輸管道外管修正后的應(yīng)力已經(jīng)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

在此管段的功能荷載組合等效應(yīng)力計算結(jié)果超出規(guī)定范圍的條件下，通過詳細(xì)的復(fù)核、合理的治理措施以及完善的組織監(jiān)控，一次成功地完成了冀東南堡油田灘淺海輸油管道懸空隱患的治理施工，這在國內(nèi)尚屬首次，為海上油田生產(chǎn)清除了安全隱患，為國內(nèi)類似工程施工提供了范例。

[1]JTJ213-1998，港口工程水文規(guī)范[S].

[2]朱繼偉，邱長林，閆澍旺.液化土中海底管線的運動與受力分析[J].石油工程建設(shè)，2000，26（1）：11-14.

Suspension Problem Treatment of Submarine Oil Pipelines in Beach and Shallow Water under Nonstop Transportation Condition

JIAO Xiang-min（PetroChina Jidong Oilfield Co.， Tangshan 063200， China）

Based on the application of the software ABAQUS to analyze the stress and vertex-incited vibration of a suspension submarine pipeline section，the treatment scheme for the suspension section under nonstop transportation condition is brought forward.The treatment procedure is as follows:pipeline route readjustment design， rubble refilling at the section， trenching with hydraulic jetting， pipeline inspection and stress checkup.The treatment scheme is put into engineering practice，the maximum external pipe stress at the treated pipeline suspension section is 100.4 MPa， and the maximum internal pipe bending stress is 72.3 MPa，both satisfy related standard requirements.

submarine pipeline;pipeline suspension treatment;nonstop transportation;stress analysis;analysis on vertex-excited vibration of suspension section

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.003

焦向民 （1962-），男，天津人，高級工程師，1983年畢業(yè)于華東石油學(xué)院，現(xiàn)從事油田基本建設(shè)管理工作。

2011-06-06