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海底长输油气管道的隆起屈曲分析

文档作者：余志兵，孙国民，王辉，高嵩文档来源：海洋石油工程股份有限公司		点击数：	更新时间： 2023年01月29日
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第30卷第2期
2015年04月
中国海洋平台
CHINA 0FFSHoRE PLATFoRM
V01．30 No．2
Apr．，2015
文章编号：1001-4500(2015)02—0064-06
海底长输油气管道的隆起屈曲分析
余志兵，孙国民，王辉，高嵩
(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)
摘要：该文基于Palmer等研究学者提出的半经验解析公式，探讨了海床几何初始缺陷、温降及土壤特
性等因素对分析结果的敏感性。结合工程计算所需的前提假设，通过使用自编程序对一工程实例进行分析，结
果表明该方法的计算量小、直观性强，对：r-g／i!￡计具有一定的指导意义。
关键词：长输海底管道；高温高压；初始几何缺陷；隆起屈曲
中图分类号：P756 文献标识码：A
Upheaval Buckling Analysis of Long Offshore
Multiphase Pipeline
YU Zhi—bing，SUN Guo—min，WANG H ui，GAO Song
(Offshore Oil Engineering Co．，Ltd，Tianjin 300452，China)
Abstract：Based on the semi—analytical formulation proposed by Palmer et al，the sensi—
tivity of analysis results influenced by geometry imperfection，temperature decreasing and soil
parameter were investigated．Combined with the assumption required in the practical proj ect，
an example will be analysed by in—house program，which can direct the engineering applica—
tion．
Key words：long offshore pipeline；high temperature and pressure；initial geometry im—
perfection；upheaval buckling
O 前言
随着海上油气资源不断地开发与利用，高温高压海底管道的工程应用逐渐增多，同时海底管道在温度与
压力下的变形问题也逐渐显现出来。对于埋设在海床以下的管道，受管沟不平整度及海床土壤约束的影响，
管线无法自由变形，应力不断累积，当应力值超过上覆盖土体抗力时，管线将发生竖直方向的弯曲大变形，最
终发生失效而破坏口’2J。
通常可以采取一些工程附加措施以避免海底管道发生隆起屈曲，例如加大管道埋设深度，增加管道配重
厚度，提高铺设后的残余张力及改变管道结构形式等D“3，特殊情况下还可以采取降低工艺输送要求的方
式，达到减小管道轴向压力的目的。而对于高温高压长输埋设海底管道，为抑制其隆起屈曲变形，考虑到工
程经济性，一般会选取增大管道埋设深度或增加上覆盖土厚度等方式。但在工程设计阶段，若过于保守地考
虑一些基础参数，同样会导致较高的工程施工费用。因此，在开展长输海底管线的隆起屈曲分析时，应着重
收稿日期：2013—11—22
基金项目：工信部高技术船舶科研项目“3 000米水深大型起重铺管船自主研发”资助。
作者简介：余志兵(1979一)，男，工程师。 
第2期余志兵，等海底长输油气管道的隆起屈曲分析
考虑环境因素变化的影响。
该文基于Palmer等学者提出的隆起屈曲分析中经典的孤立点支撑模型及半经验解析公式口]，假设了一
些必需的工程分析前提条件，结合工程实例，分析了管道路由的土壤特性、输送介质温度变化及海床沟槽位
置的几何初始缺陷等因素对抑制管线发生隆起屈曲所需的最小上覆盖土厚度的影响，数值计算得出的结果
可以用于指导工程实践。
1 上覆土体抗力
对于要求埋设的海底管线，一般会在铺设完成后执行挖沟作业。当管线沉入沟槽内，管沟周边的土壤受
海床表面波流的共同作用而自然回淤到管线上方，直至完全填满整个沟槽。若该土壤属性为粘性土，尽管经
过了扰动，但仍会对管线产生一定的垂向抗力。基于Sehaminee分析模型嘲建立的上覆盖土体抗力计算公
式被工程界普遍应用。
对于砂土
q一‰·H·D。(1+厂百／-／) (1)
对于粘土
q—c·D·min(3，万H) (2)
式中：q为垂直向上抗力；H为土壤覆盖高度；D为管道总外径；C为土壤的剪切强度；‰为土壤的浮重；
厂为修正系数，当为密致材料时取0．5，当为疏松材料时取0．1。由于挖沟及回填的影响，土壤会受到扰动，
所以粘土的剪切强度会有所减小。
2 埋设管线的有效轴力
海底管线内部碳水化合物的温度远超过周围环境海水的温度，因此，当其流过管线时，管线材料的两端
会产生较大的热膨胀位移，如图1所示，水平段管线(假设为直管)受到内外压力引起的作用力FP，温度效应
引起的作用力F丁，轴向摩擦力F，的共同作用口]。
”一‘一，， ％‘：一
入。口端锚固点
“
锚固点出号端
一弓， 海管0：一
图1埋设管线轴向受力分析
长输管线的沿线温降是由于输送介质与周围分质之间温差的热交换引起的，一般呈曲线变化，其温降
计算的表达式为[8]：
t2一to+(￡1一to)e-肚(3)
式中：t。为管道入口端温度；t。为管道出口端温度；t。为周围介质温度；L为管线长度；卢为温降指数。
对于埋设管线，土壤的摩擦阻力可按公式(4)进行计算[9]：
F，一卢×(詈．1D．g．^．D．(1+忌。)+(叫鼬--p．g．!；堡)) (4)
式中：户为土壤的摩擦系数；lD为土壤的密度；g为重力加速度；h为管道埋设深度(海床面至管中心)；D
为管道的总外径；无量纲参数k。一1一sincp，9为土壤的内摩擦角。
对于完全约束的管线和部分约束的管线，有效轴力可按式(5)和式(6)计算E10]：
P—N—hp；X A￡X(1—2×v)一A。×E X a X AT (5)

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