海底管道悬跨长度的计算

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1、第15卷第6期中国海上油气(工程)Vol115,No162003年12月CHINAOFFSHOREOILANDGAS(ENGINEERING)Dec.,2003海底管道悬跨长度的计算董丽丽徐慧郭振邦天津大学建工学院,天津,300072摘要总结目前常用的几种海底管道悬跨长度的评估方法,阐述DNV在2002年最新提出的海底管道悬跨长度评估指导性文件(DNVRPF105)的特点以及当前的最新研究进展。论述内容有较强的实用性,可供工程设计人员参考。关键词海底管道临界跨长涡激振动疲劳评估工程临界分析3直接裸露海底的管道,在自身重量、内部流体以RmRm10111

2、Lc,0[[01835。及外部环境荷载作用下将会出现静力及动力响应问RcRc题[1,2],而管道悬跨的长度又是决定管道静、动响应海底障碍物导致管道悬跨的临界跨长2程度的关键因素。在工程设计中考虑到悬跨长度对100DRmRm=0102323+11251+52118-LcRcRc管道弯曲变形以及管道固有频率的影响,对悬跨问3RmRm题的评估采取以下方式:1)直接计算静态情况下管16102,0[[01405。(1)RcRc道的临界跨长;2)从避免涡激共振的角度直接计算式中:L为静态分析临界悬跨长度;Lc=管道的临界跨长;3)利用线性累积损伤理论详细计1/3

3、(EI/W);Rm=018Sy;Rc=EI/Lc;I为钢管惯算疲劳寿命,间接地对管道悬跨长度进行校核(当海性矩;底管道悬跨长度大于计算临界跨长时,常采用此种P2222方法进行校核)。W=[(DD-Di)QOS+(DDOF-DD)QOC+422DiQOCN-DDOFQOW];1直接计算海底管道悬跨的临界跨长QOS、QOC、QOCN、QOW为管道质量密度、涂层的密度、在众多海底管道临界跨长计算方法中,美国管道输送油气的密度、海水密度;DD、Di、DDOF为管MMS(UnitedStatesDepartmentoftheInterior道外径、管道内径、包

4、括涂层厚度的管道外径;Sy为MineralsManagementService)1997年提出的CAM管材最小屈服应力;B为表征轴向力大小的参数。[1]方法是具有代表性的方法之一。该方法从管道当B在0与10之间时,可采用线性插值方法确定。所处位置海流速度情况以及形成管道悬跨的原因出计算中,首先通过式(1)得到管道允许的最大升发,将管道悬跨临界长度计算分成静态、动态2类。高D,然后按表1计算悬跨的临界跨长。111从静态角度出发计算海底管道悬跨临界跨长112从避免发生涡激共振角度出发确定海底管道该方法采用了Mouselli经过大量实际工程的实悬跨的临界跨

5、长验得到的海床凹陷及海底障碍物导致管道悬跨长度美国MMS的CAM方法以避开管道可能发生[2]与管道内静弯曲应力之间的函数关系,从管道最横向涡激共振为原则,提出了以DNV1981年及大静弯曲合应力不超过材料许用应力的角度出发确1997年指导性文件为依据的海底管道临界跨长确定临界长度。该计算适用于因海床凹陷及海底障碍定性和可靠性的计算方法。物导致的管道悬跨,并可忽略不计海流速度较小工1)第1种确定性悬跨管道临界跨长计算方法况的悬跨。在使用中不考虑悬跨的边界约束情况。根据DNV1981、1991年指导性文件,横向涡激计算公式如下。振动多发生在简化速度vr位

6、于3.0~5.0区域内。海床凹陷导致管道悬跨的临界跨长临界跨长计算公式为2RmRmu-1L=01112+10198-16171+vr=>3.0~5.0及fn(017)fs。(2)RcRcfnD第15卷第6期董丽丽等:海底管道悬跨长度的计算17表1海底管道悬跨的临界跨长计算轴向力参数管道允许的最大升高管道悬跨的临界跨长100D100D100D2100D30[[1L=51667-71600+31733TLcLcLcLcB==0WLc100D100D-2100D2-3100D31[L[7L=11409+014239-31437@10+11042@10cL

7、cLcLc100D100D100D2100D30[[1L=51150-51100+21000TLcLcLcLcB==10WLc100D100D100D2100D31[[7L=11609+014239-31437@10-2+11042@10-3LcLcLcLc式中:u为垂直于管道的流速;D为管道外径;fn为式中:m(x)为单位长度质量;C1、C2、C3、C4为与C边界条件相关的参数,可根据悬跨边界条件确定。利用单跨梁理论估算的管道固有频率,fn=2#L从上述计算管道悬跨临界跨长公式看,边界约EI,当悬跨边界约束为铰支或刚性固定约束时,束状况对计算结果影

8、响较大。在实际计算中,没有M详细土壤及边界约束数据时,多采用铰支座约束或C值分别为1.54或3.50;fs为