黃 鈺， 孫國民， 余志兵

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

埋設(shè)海底管道在溫度、壓力、構(gòu)形缺陷、土壤抗力等因素的共同作用下[1]，出現(xiàn)管道拱出海床的總體屈曲現(xiàn)象，稱作隆起屈曲。隆起屈曲雖然本身不作為管道的失效模式，但是會誘發(fā)其他失效模式，如屈服、疲勞、局部屈曲等，從而對埋設(shè)海底管道的運營安全造成較大危害。

海底管道按照服役水深通常可分為近岸段、淺水段和深水段。其中，近岸段主要針對登陸的海底管道，即將從海底管道登陸點向外海方向延伸500 m～5 km的區(qū)域定義為近岸段。與淺水段和深水段相比，近岸段處于大陸架地帶，水深隨海床地形變化明顯，人類活動也更頻繁，根據(jù)運營期管道保護的需要，近岸段海底管道通常都需要進行回填保護。近岸段海底管道服役環(huán)境復雜，誘發(fā)隆起屈曲的因素也更多。隆起屈曲的保護措施對近岸段海底管道的整體設(shè)計方案有較大影響，有必要進行深入研究。

1 近岸段海底管道隆起屈曲評估

1.1 溫度和壓力對隆起屈曲的影響

近岸段海底管道在溫度和壓力作用下產(chǎn)生的有效軸力會使管道沿軸線方向處于受壓狀態(tài)[2]，當管道在長度方向存在構(gòu)型缺陷時，存在發(fā)生總體屈曲的風險。埋設(shè)管道在水平方向受到土壤的約束力較大，幾乎不發(fā)生水平位移，因此埋設(shè)的海底管道主要受垂直方向總體屈曲風險的影響，即隆起屈曲的影響[3]。

依據(jù)DNV GL-RP-F110規(guī)范，約束狀態(tài)下的管道受溫度和壓力的影響所產(chǎn)生的有效軸向力S0為

S0=H-ΔpiAi(1-2ν)-AsEαΔT

(1)

式中：H為安裝埋設(shè)殘余張力；Δpi為壓力差；Ai為管道內(nèi)截面積；ν為泊松比；As為鋼管截面積；E為彈性模量；α為熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度差。

管道在運營期間發(fā)生屈曲的臨界軸向力Seff為

(2)

式中：Rmax為土壤阻力；wp為運營期間水下重；wo為安裝期間水下重；I為截面慣性矩；δ為缺陷長度；k1和k2為常量。

當S0超過Seff時，管道即存在發(fā)生隆起屈曲的風險[4]，此時建議采用有限元方法進行進一步評估。與經(jīng)驗公式相比，有限元方法可考慮非線性管-土作用對管道總體屈曲的影響，而且對于長距離輸送的海底管道，在輸送過程中通常存在溫降和壓降的情況，這會對管道總體屈曲產(chǎn)生主導性影響，采用有限元方法可更準確地模擬沿管道布線溫度、壓力變化對管道總體屈曲的非線性影響，使計算結(jié)果更符合真實的管道輸送情況。在采用有限元方法進行隆起屈曲分析時，計算模型中管道與海床間的接觸可模擬為光滑接觸，同時用彈簧單元模擬管溝內(nèi)土壤和回填材料對管道的側(cè)向約束和垂向約束。

1.2 管道構(gòu)形對隆起屈曲的影響

由式(1)和式(2)可知，在海底管道隆起屈曲的評估中，除溫度和壓力的影響外，管道構(gòu)形缺陷也存在較大的影響。

管道構(gòu)形缺陷是管道發(fā)生初始屈曲的直接誘因。對于裸露的海底管道，可基于工程勘察到的水深數(shù)據(jù)應(yīng)用Fledermaus等商業(yè)軟件模擬三維海床，并通過與Abaqus等有限元軟件對接來準確模擬海底管道的海床在位缺陷[5]。但對于埋設(shè)的近岸段海底管道，管道安裝在預先挖好的管溝內(nèi)，溝底的平整度在設(shè)計階段難以評估。因此，無論是采用經(jīng)驗公式法還是采用有限元法，都需在隆起屈曲分析中假定初始垂向缺陷。在工程設(shè)計中，根據(jù)管道在位條件和挖溝施工方式的不同，垂向隆起缺陷一般假定為0.5～1.0 m。圖1為應(yīng)用Abaqus模擬的海床垂向隆起缺陷。

圖1 Abaqus有限元模型中的隆起缺陷

1.3 回填對隆起屈曲的影響

埋設(shè)海底管道的回填設(shè)計對管道隆起屈曲也存在較大影響。當近岸段海底管道存在隆起屈曲風險時，可通過增加回填材料的重量來實現(xiàn)海底管道的隆起屈曲保護[6]。DNV GL-RP-F110規(guī)范通過判斷回填材料能否提供足夠的垂向約束阻力來評估管道是否存在隆起屈曲風險。增加回填材料的重量一般通過增加回填保護層的厚度或選擇密度較大的回填材料這兩種方法實現(xiàn)?；靥畈牧系倪x擇和回填保護層的設(shè)計也是海底管道近岸段設(shè)計中的重要內(nèi)容。

對于埋設(shè)海底管道抑制隆起屈曲發(fā)生所需的由回填材料提供的垂向約束力Rreq為

(3)

1.4 安裝作業(yè)對隆起屈曲的影響

海底管道的總體屈曲還應(yīng)該考慮安裝作業(yè)對管道在位狀態(tài)產(chǎn)生的力學影響。海底管道通常采用拖拉法或鋪管船法進行安裝。兩種方法都會受到鋪管船張緊器和管道自重的作用，管道在安裝過程中保持受拉狀態(tài)，當其就位于海床上時，受到海床土壤阻力的約束，在安裝過程中所受的拉力無法完全釋放，產(chǎn)生殘余張力。

海底管道總體屈曲的直接誘因是管道內(nèi)所產(chǎn)生的軸向壓力[7]，殘余張力可抵消部分由溫度、壓力所產(chǎn)生的軸向壓力。因此，在總體屈曲評估中考慮殘余張力的影響可使計算結(jié)果更接近工程實際[8]。然而，管道的殘余張力需通過鋪管計算或拖拉計算才能得到[9]，而且海床的平整度和管道布線的彎曲情況都會對殘余張力造成影響，因此對于殘余張力的選取需要通過計算準確評估。

2 隆起屈曲對海底管道近岸段設(shè)計的影響

2.1 隆起屈曲對管道機械保護的要求

在海底管道近岸段保護中，工程回填是一種重要的運營期管道機械保護措施。進行工程回填可對海底管道在運營期間的隆起屈曲[10]、坐底穩(wěn)定性、沖刷、漁業(yè)活動都起到良好的保護作用。對于管道隆起屈曲，主要關(guān)注的是回填材料的重量能否抑制管道隆起屈曲的發(fā)生?；靥畈牧现亓吭酱?，對隆起屈曲的抑制作用也越顯著[11]；但選擇過重的回填材料又會增加施工難度和工程成本，因此需要在設(shè)計中合理評估和選取。在通常情況下，為增加回填材料的重量，會選擇石塊等密度較大的回填材料；同時，需要結(jié)合沖刷和漁業(yè)活動的評估結(jié)果布置合理的拋石分層厚度。為避免拋石回填作業(yè)對海底管道外部涂層造成機械損壞，在管道和拋石層之間通常還須設(shè)置砂土墊層。在管道隆起屈曲評估中，砂土層的重量也應(yīng)該包含在回填材料的總重量之中。

圖2為近岸段海底管道隆起屈曲保護措施中典型的工程回填截面示例。

圖2 典型隆起屈曲回填保護截面示例

在隆起屈曲抑制措施中，除了增加回填材料的重量外，還可采用增加管道自身重量的方法。工程中一般采用增加管道混凝土配重層厚度的方式來增加管道重量，混凝土配重層的厚度主要基于管道的坐底穩(wěn)定性進行選取。除此之外還需要綜合考慮隆起屈曲、施工可行性等多方面因素的影響。

2.2 隆起屈曲對漁業(yè)活動的要求

漁業(yè)活動對海底管道隆起屈曲的影響主要包括拖網(wǎng)作業(yè)和拋錨作業(yè)。漁業(yè)拖網(wǎng)主要指在拖網(wǎng)過程中拖網(wǎng)板或桁拖網(wǎng)等拖網(wǎng)設(shè)施與海底管道發(fā)生干涉，從而對管道產(chǎn)生拖曳力，造成管道出現(xiàn)初始缺陷。與埋設(shè)海底管道相比，漁業(yè)拖網(wǎng)對裸露海底管道總體屈曲的影響更顯著。埋設(shè)海底管道由于覆蓋石塊、砂土等回填材料，在回填保護層未發(fā)生破壞的情況下，拖網(wǎng)設(shè)施通常難以直接與管道發(fā)生接觸。但是，與其他海域相比，近岸海域的漁業(yè)活動更頻繁，管道受漁業(yè)活動影響的風險也更高。對于漁船的拋錨作業(yè)，雖然在拋石回填厚度的設(shè)計中會考慮落錨撞擊的影響，但是如果出現(xiàn)較大噸位的魚錨破壞了回填保護層并與管道發(fā)生鉤曳，也可能造成管道初始屈曲。

因此對于漁業(yè)活動頻繁的海域，還應(yīng)考慮漁網(wǎng)拖曳及鉤曳的影響，并在回填設(shè)計中考慮魚錨落物對管道撞擊的影響，對于落錨風險較大的海域應(yīng)對管道進行有針對性的拋石回填保護，選擇合適厚度的回填保護層。

2.3 隆起屈曲對海床平整度的要求

在近岸區(qū)域，海床平整度缺陷對于管道隆起屈曲的影響受施工工序的制約，難以在工程設(shè)計階段準確模擬。近岸區(qū)域通常采用預挖溝的方式進行挖溝作業(yè)，為避免海床平整度對管道隆起屈曲造成不利影響，在挖溝過程中應(yīng)盡可能保持溝底平整，并在工程勘察階段對管道布線所在區(qū)域進行充分的海床淺剖調(diào)查，避免海床以下存在較大石塊或巖石層，對挖溝作業(yè)造成不利影響。在管溝挖掘完畢后，建議重新對溝底平整度進行物探勘察，并應(yīng)用Sage Profile 3D等商業(yè)軟件對海床平整度進行復核，結(jié)合原設(shè)計方案識別是否存在較大的海床平整度缺陷，以便在海底管道安裝前及時進行工程預處理。

海床平整度缺陷所導致的隆起可分為挖溝前和挖溝后兩個階段進行評估。對于挖溝前的評估，由于缺少真實的海床平整度數(shù)據(jù)，評估的主要內(nèi)容為抑制管道隆起屈曲所需的最小回填厚度或回填重量。對于挖溝后的評估，由于已經(jīng)掌握了真實的海床平整度信息，評估的主要內(nèi)容為先前所設(shè)計的回填保護方案是否滿足抑制隆起屈曲的要求。

2.4 隆起屈曲對管道挖溝的要求

近岸段海底管道挖溝作業(yè)會對海床原始土壤造成擾動[12]，當采用挖溝原土作為工程回填材料時，挖溝方式的選擇會對近岸段海底管道的隆起屈曲評估造成影響，需要在近岸段設(shè)計中進行考慮。

海底管道的挖溝方式根據(jù)挖溝機具的不同通常分為犁式和噴射式兩種。犁式挖溝機通過挖溝犁直接將土壤從海床鏟出，對于原始土壤狀態(tài)相對保持較好，不會產(chǎn)生土壤液化[13]；噴射式挖溝機通過噴射水流將海床土壤吹走，從而產(chǎn)生管溝，在挖溝過程中海床土壤呈液化狀態(tài)，對原始土壤強度影響較大。

管道隆起屈曲保護對回填材料的重量和承載力都有要求。當采用挖溝原土進行工程回填保護時，需要考慮回填土擾動狀態(tài)對管道隆起保護的影響。在采用噴射式挖溝機挖出的原土進行回填之前，需重新對挖溝后的土壤進行液化評估，判斷液化后的土壤是否滿足回填材料的強度要求。結(jié)合實際，推薦采用犁式挖溝機進行挖溝作業(yè)。

上述挖溝方式受施工船舶作業(yè)水深限制，在水深極淺的區(qū)域難以應(yīng)用。對于海陸分界區(qū)域或部分水深極淺的海域，建議采用水陸兩棲抓斗式挖掘機進行挖溝作業(yè)，以最大限度地減小挖溝施工作業(yè)對海床土壤原始強度的破壞，從而提升回填土的力學性能。

3 結(jié) 論

對于存在于近岸段的高溫、高壓輸送狀態(tài)的海底管道，在近岸區(qū)域存在發(fā)生隆起屈曲的風險。近岸段管道的隆起屈曲保護措施與管道坐底穩(wěn)定性、海床沖刷、落錨落物等設(shè)計方案均存在相互影響，需要在近岸段海底管道設(shè)計中逐一進行評估。

隆起屈曲的初步評估可依據(jù)DNV GL-RP-F110規(guī)范推薦的方法進行判斷。對于初步評估不滿足要求的管道或運行環(huán)境較為惡劣的管道，建議采用有限元方法進行更為詳細的數(shù)值模擬。對于近岸段海底管道的隆起屈曲評估，挖溝前可采用最小回填厚度或最小回填重量進行控制，挖溝后可依據(jù)真實的海床平整度評估所考慮的回填設(shè)計是否滿足抑制隆起屈曲的需求。當近岸段海底管道采用挖溝原土作為工程回填材料時，推薦采用犁式挖溝方式。