波浪作用下海底管道在位稳定性分析

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1、45卷增刊中国造船Vol.45Special2004年10月SHIPBUILDINGOFCHINAOct.,2004文章编号:1000-4882(2004)03-0245-9波浪作用下海底管道在位稳定性分析*高福平顾小芸吴应湘(中国科学院力学研究所)摘要墓于Gaoetal.(2002;2003)得到的描述波浪作用下海底管道在位失稳的Frb-Gb关系，本文提出一种改进的海底管道在位稳定性分析方法，并给出算例。与DnV管道稳定性设计方法不同，本分析方法考虑了“波浪一管道一砂质海床”之间的动力祸合作用。关健词:海底管道:在位稳定性;分析方法;波浪载荷;砂质海床1前言海底管

2、道作为输送油气的有效工具，其稳定性是保证海上油气田正常运营的关键。海底管道稳定性设计的主要目的是，选择合适的海底线路、管道材料、管道尺寸，以及管道加工安装和维护方法，使管道在运营期间能够抵御可能遇到的波浪、海流等恶劣环境荷载，并使投资费用最低。当海底管道铺设于较大波高的浅水海域时，波浪力将视为影响海底管道稳定性的主要环境载荷。在波浪作用下，海底管道稳定性与管道重量、环境荷载和海底土层阻力等多种因素相关。如果海床地基土所提供的阻力不能足以平衡波浪力，管道会从原位滑出而发生在位失稳现象。为防止管道失稳，必须提高管道的水下重量，或者采取锚固、压块等固定措施，或者在海床上开

3、设沟槽进行埋设。以上措施均会增加投资量。管道水下重量的提高一般是通过增加管道的混凝土覆盖层的厚度实现的，然而过大的管道重量又会对铺管设施和方法提出更高的要求。可见，合理的海底管道在位稳定性分析对海底管道设计和铺设施工方法的选择具有重要意义。目前国内外普遍采用的挪威船级社推荐的DnVRPE305管道稳定性设计规范’1.21，是以机械加载试验结果为基础的。在DnV规范中，管道所受波浪力与所受土体阻力是分开计算的。土体对管道阻力的计算采用机械加载试验得到的‘管一土’相互作用模型[310‘管一土’相互作用模型虽然较库仑摩擦理论有较大改进，但由于该模型只注重了管道与土体之间的

4、动力作用而忽略了波浪对海床的作用，因此不能全面反映波浪、管道和海床三者之间的祸合作用。近期开展的U型水槽模型试验发现，管道周围海床冲蚀是‘波浪一管道一海床’藕合作用的最直观体现‘4,5,61。可见，机械加载的潜在缺点使目前的规范仍需进一步改进。基于Gaoetal(2002;2003)通过水动力加载实验得到的描述管道在位稳定性的“波一管一土”相互作用Fr一G关系‘5,61，本文将提出一种有别于传统DnV设计规范的管道稳定性分析方法。.中国科学院“+五”知识创新工程项目(KJCX2-SW-L03)和教育部留学回国人员科研启动基金(2004)资助246一一一一一一一一一一

5、一一二翌am.⋯.⋯学术论文2描述波浪作用下管道在位失稳的Frb一Gb关系波浪作用下海底管道失稳是‘波浪一管道一海床’之间的动力祸合作用问题。在匀速增长的振荡流水动力载荷作用下，海底管道失稳一般经历四个阶段，即完全稳定、砂粒起动、管道轻微晃动和管道在位失稳。量纲分析理论和系统的试验研究表明，管道失稳时的临界Froude数(Frb)与管道重量无量纲参数Gb之间大致呈线性关系‘5,61，如图1所示。值得注意的是，KC数变化范围为0一200在管道两端自由和防止滚动两种约束条件下，F。与Gb有不同的线性关系。F。和Gb分别为UFr-一一八阴(lb一一-L，竺G(2b一一-一

6、泊产了名其中，U=,为波浪诱导水质点运动的最大速度，g为重力加速度，D为管道外径，WS为单位长度管道的水下重量，T为波浪周期，Y为饱和砂的浮容重。海床特性对管道的稳定性也产生影响(见图1)。另外，加载历史同样会影响管道的稳定性。与管土相互作用模型相比，以上Frb一几经验关系反映了波浪、管道和砂质海床三者之间的祸合作用，在物理机制上更明晰。035Frb=a+bGe0加025f0.20情况2止管道滚动0.10.20.30.40.50石070名Gb图1管道在不同端部约束条件和海床特性下的在位稳定性对于长距离铺设的管道，其不同位置的安全度要求是不同的。在关键位置附近，如安装

7、阀门连接件的位置、管道交叉处和管道与立管交叉处等，一般要求在管道安装就位后和运营期间不允许产生位移;而在管道的一般位置，可以允许管道有一定的横向位移[1,21。在特殊位置处，水平铺设的管道在不受端部约束下须保证侧向稳定性，因此可以用水动力藕合试验中两端自由的管道失稳临界线来估算对稳定性要求高的特殊位置处管道的稳定性。防止管道滚动约束下得到的管道临界失稳线则可考虑用来估算管道一般位置的稳定性(见图2)。图中给出的是中砂海床的试验结果。对不同海床而言，需结合土性参数对管道稳定性判别准则进行修正。4s卷增刊高福平顾小芸吴应湘:波浪作用下海底管道ft,稳定性分析0353