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1、,海底管道工程讲座,报告人：艾尚茂（）,目录,1.1、海底管道的功能,海洋油气田开发输送管道 海洋油气田开发输送管道的特点是：管道内输送的流体，其流速、流量、压力等变化范围大。(a)油气田外输管道(b)油气田内部连接管道进出口油气输送管道 这种管道与油气田开发无关，是用来把商业油气通过海底油气管道输送到预定位置，大多用在油气的进出口输送工程中。进出口油气输送管道的特点是：管道内输送的流体，其流速、流量、压力等变化范围小，流量大。,1.1、海底管道的功能,油田内部管道通常用于输送油气田开发过程中产生的流体（油、气、水或者它们的混合物）,内部管道,深水开发中的海底管道及立管示意图,1.1、海底管道
2、的功能,1.1、海底管道的功能,外输管道用于输送油气田初处理后的原油和天然气，一般较长,外输管道,1.2、海底管道类型及特点,A、按输送流体分类：输油管道、输气管道、输水管道 油水混输管道、油气水混输管道、油气混输管道,B、按结构分类：双层钢管保温管道单层钢管保温管道非保温有混凝土配重管道非保温无混凝土配重管道管束及挠性软管,1.2 海底管道类型及特点,1.3、Pipe-In-Pipe,1.4、集束管道,Carrier pipe Sleeve pipe Flowlines Service lines Control tubings Insulation system Spacer Bulkhe
3、ad Appurtenances Ballast chain,1.5、海底管道设计简介,明确设计要求业主提出的限定条件；设计寿命；使用钢管的等级和类别（与造价直接相关）；设计采用的标准、规范（入级）管道是否埋设等壁厚与材料等级选择根据项目的设计输量要求或典型年份的油田配产，进行初步的水力、热力计算，并根据计算结果以及管道上下游工艺流程对温度、压力的要求，选取经济合理的管径。考虑因素：造价（建造、安装和操作）材料等级越高，壁厚越薄，建造造价越高材料等级低，铺设造价也低抗腐蚀能力内部腐蚀（硫化氢导致等）内部磨损等重量要求可焊性,2.1、路由选择,挪威Ormen Lange gas field的深水
4、管道工程示意图,根据油气管道的用途和总体布局在海图上进行路由预选。在路由预选时应根据尽可能得到的路由海区已有的自然环境资料、海洋开发活动及其规划资料、已建海底电缆管道资料等，综合考虑进行路由预选，在情况复杂的海域，可选择2-3个比较方案，待路由调查后确定。对于有登陆的管道应进行登陆点现场踏勘，选择有利于管道登陆的区段作为登陆点。,2.2、路由勘察,国家技术质量监督局于1998年10月颁布了中华人民共和国国家标准海底电缆管道路由勘察规范（GB175021998）主要内容如下:(1)工程地球物理探测(2)工程地质取样和土工试验(3)海洋水文气象要素观测和推算(4)腐蚀环境参数测定,2.2、路由勘察
5、,（1）工程地球物理探测在路由预选的基础上,进行工程地球物理探测。工程地球物理探测包括水深测量、侧扫声纳探测、地层剖面探测和磁法探测。工程地球物理探测的目的是：查明海底地形地貌、海底面状况、海底障碍物、海底浅地层特征和不良地质现象等。水深测量、侧扫声纳探测、地层剖面探测和磁法探测所得到的数据，应进行综合分析、解释。,2.2、路由勘察,（2）工程地质取样和土工试验工程地质取样的目的是：获得海底土质的工程类型和物理化学性质及力学性质。工程地质取样的方法可采用重力式取样、振动式取样和钻孔取样等方式。土工试验的基本内容包括：-含水量-容重-比重-液限和塑限-颗粒分析-贯入级数-抗剪强度,2.2、路由勘
6、察,（3）海洋水文气象要素观测和推算海洋水文气象要素包括：气象、波浪、潮位、海流、水温、泥温、海冰等项目。海洋水文气象要素观测和推算的目的是：获得海洋水文气象的统计参数值。获得海洋水文气象的统计参数值的的步骤是：收集和整理已有的海洋水文气象资料，包括路由区附近气象站资料、船舶测报资料和附近潮位站资料；资料不足时，应在路由区设立临时观测站进行实际观测；根据收集到资料和实际观测资料进行统计学的推算。,2.2、路由勘察,（4）腐蚀环境参数测定腐蚀环境参数包括：底层水化学、沉积物化学、沉积物电阻率、沉积物中硫酸盐还原菌、污损生物等。腐蚀环境参数测定目的是：通过腐蚀腐蚀环境参数测定，给出腐蚀环境参数。底
7、层水化学包括：PH、Eh、溶解氧和氧饱和度。沉积物化学包括：PH、Eh、Fe3/Fe2、盐度、碳酸盐、有机质。腐蚀环境参数是依靠对相应路由区的水质取样和海床土质取样测定，一般可以在工程地质取样的同时进行。将取得样品进行试验室分析。,2.3、路由保护,管道跨越,添加支撑，缩短悬空段,2.3、路由保护,2.3、路由保护,海底油气管道强度分析与设计，目前有两种法：允许应力法，以DnV1981为代表的，包括ASEM31.4和ASEM31.8（截止到2005年底）在内的规范和作法。极限状态法，以DnV OS F101 和API-RP 1111规范和作法为代表。采用允许应力法，在世界范围内设计了众多的海底
8、管道，现在仍然被工程设计单位应用。由于该方法比较成熟，国际上的工程公司和科研结构开发出大量的与之配套的计算机软件，并且这些软件已经商业化，和容易购买和使用。,海底油气管道强度分析与设计方法的发展趋势是极限状态法，允许应力法随着时间的推移将会被极限状态法所代替。但目前在海底油气管道强度计算的某些领域，诸如地震作用下的强度计算等还没有成熟的极限状态法计算公式。,3.1、概述,3.2、允许应力法,允许应力法的基本准则是：f式中：=在荷载作用下产生管道产生的应力=使用因子（0.5 0.96）f=钢管的屈服强度以DnV1981规范为例，基本的公式如下：（1）环向应力公式：=(pi-pe)D/2t（2）相
9、当应力公式：=(x2+y2 xy+3xy2)1/2（3）施工应力公式=(N/A+0.85M/W)2+y2(N/A+0.85M/W)y)1/2式中：pi=内压 pe=外压 D=管道公称外径 t=管道公称壁厚 x=管道的轴向应力 y=管道的环向应力 xy=管道的剪切应力 N=轴力 A=钢管的截面积 M=弯矩 W=钢管的截面模量,3.3、极限状态法,根据DnV OS F101规范的划分，极限状态分为：（1）操作极限状态（SLS）：如果超过该状态，不再适于正常运行。（2）极端极限状态（ULS）：如果超过该状态，管道完整性将遭到破坏。（3）疲劳极限状态（FLS）：考虑累积循环荷载效应的极端极限状态。（4
10、）偶然极限状态（ALS）；由偶然荷载导致的极端极限状态 对于强度分析分为以下几类：压力控制荷载控制（包括弯矩，有效轴力和内外部超压力）位移控制,极限状态法（也称荷载抗力系数法）是2000年以后才开始得到初步的应用，由于该方法的理论是基于可靠度理论上的，在理论体系上比允许应力法复杂，目前虽然已经设计了一些海底油气管道，但在具体分析方法和设计中，国际上各工程设计单位也不尽相同，目前也没有与之配套的商业化计算机软件。随着该方法越来越多的应用，采用极限状态法会逐步成熟起来。,3.3、极限状态法,（1）操作极限状态（SLS）椭圆度棘齿极限状态。累积塑性应变极限状态。由于配重层的破坏或者配重层损失。屈服。
11、（2）极端极限状态（ULS)破裂极限状态。椭圆度棘齿极限状态（如果导致整体破坏）。局部屈曲极限状态（管壁屈曲极限状态）。总体屈曲极限状态（通常对于荷载控制条件）。不稳定断裂和塑性压溃极限状态。（3）疲劳极限状态（FLS）交变荷载导致的疲劳（4）偶然极限状态（ALS）落物。拖网渔具的破坏。地震。,3.4、悬跨/涡激振动,悬跨所受载荷：1.重力、浮力2.操作压力、热膨胀等3.水动力（波浪、流作用）4.海床支持力5.轴向力,3.4、悬跨/涡激振动,计算难点,1、管土耦合（或者弹簧刚度和阻尼）怎么确定？,2、如何确定波浪及流对悬空段管道的作用？因素很多：管道外径（影响雷诺数）、悬空高度、流速等等,4.
12、1、概述,海底油气管道的稳定性是指海底油气管道铺设到海床上或者进行挖沟埋设后，在海流、波浪、土壤、重力和浮力等作用下，保持长期的稳定性。不包括由于海床本身在海流、波浪和地震等作用下，发生的海床冲刷和淤积塌陷、断裂和移动等不稳定造成的海底油气管道的稳定性问题。海床本身的稳定性也是海底油气管道工程的重要课题，但并不属于海底油气管道在海床上的稳定性范围内。海底油气管道在海床上的稳定性主要有两个方面的内容：海底油气管道在海床上的稳定性海底油气管道在挖沟埋设后的稳定性,4.1、概述,（1）垂向稳定性,水中：,管道埋设后沉浮的稳定性埋管：in soils which are or may be lique
13、fied,the specific weight of the pipe should not beless than that of the soil if burial is required.裸露管Exposed lines：同上原则：不能浮起！,（2）侧向稳定性,侧向稳定性：浪流的作用下侧向运动。,4.1、概述,管道在海床上的稳定性分析方法有三种：静态分析方法、动态分析方法和半动态分析方法。（一）静态分析方法海底管道稳定性的静态分析方法是一种传统的分析方法，即对管道在自身重力（Wsub）、波浪和海流产生的升力（FL）、阻力（FD）、惯性力（FI）以及土的摩擦力作用下的静态平衡进行分析的
14、方法，其公式如下：,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,式中：是土壤与管道之间的横向摩擦因数，对于砂性土，其值在0.50.9之间，对于黏性土，其值在0.300.75之间；S是安全系数，取1.1；FL、FD和FI是按Morison方程计算的。需要说明的是，在FL、FD和FI的计算中涉及到相关系数CL、CD和CI；这3个系数由于受海底边界的影响，与一般孤立桩柱受波浪和海流力作用时的数值不一样。1981年以前，一般认为这3个系数与海流的雷诺数、管子的粗糙度、管子与海底的距离有关；1981年以后，则认为除了与这3个系数有关外，还引入了一个称为KC的数。这样就使波浪和海流对管道的作用在理论和计算方法上
15、基本完备起来，用这种方法设计了大量海底管道。,（二）动态分析方法海底管道稳定性动态分析的基本原理是：波浪作为周期性荷载的作用下，在海床上发生往复运动。管道的这种运动对海床土壤产生扰动，而这种扰动使海床土壤的抗力大大降低，管道就在这种海床上逐步下沉。当管道下沉到一定程度后，波浪管道土壤的相互作用达到一种新的平衡。在这种动态分析中，水动力是时间的函数，管道下沉和土壤阻力也是时间的函数。动态分析的基本步骤为：1.根据给定的波浪条件模拟出波浪谱；2.用波浪谱计算出力谱；3.用力谱结合土壤类型计算出管道的动力响应。,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,（三）半动态分析方法海底管道稳定性的半动态分析是将
16、动态分析中次要的因素忽略，采用静态分析公式的形式，它用较短的计算时间即可获得精确的结果。目前，国际上流行2种方法：一种是以挪威船级社(DnV)的推荐作法海底管道在海床上的稳定性设计（DnV RP E 305）为基础的分析方法；另一种是按照美国天然气协会开发的稳定性计算机程序（AGA On-bottom stability analysis ofsubmarine pipeline）中LEVEL 2 进行的分析方法。,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,DnV的方法是将实验得到的各种数据和数值模拟得到的数据制成图表，来表示波浪、管道和土壤之间的相互作用关系，利用这些图表确定相关参数，把这些参数
17、代入静态分析公式，计算出管道的稳定性。美国天然气协会开发的计算机程序分析步骤为：1.用5种波高模拟设计海况生成前4小时的海况，海管在这种海况下发生下沉，计算出管道的下沉量；2.用4种波高模拟设计海况生成后3小时的海况，用这种海况条件计算出水动力；3.根据土壤数据及管道的下沉量计算出土壤的阻力；4.将上述结果代入静态分析公式，求出管道的稳定性。,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,3种方法的评价：静态分析方法的不足之处是波浪管道土壤的联合作用分析不够，仅仅用一个简单的摩擦因数来描述管土相互作用，显然是不够精确的。动态分析方法要求以完整的海况过程为条件，即使用计算机计算也要耗时也较长。DnV的方
18、法与美国天然气协会方法虽然不同，但是，得到的结果比较接近。在大多数场合下，DnV的方法比美国天然气协会方法略为保守些。用美国天然气协会半动态计算机程序进行管道的稳定性分析，每种工况大约需要2分钟，比动态分析大大地节省了时间。,4.2、管道在海床上的稳定性分析方法,如果管道在海流、波浪和浮力的作用下不能保持在海床上的稳定性可以采用以下措施：（一）给管道施加混凝土配重涂层：该方法是最常用和最成熟的方法，其作法是在钢管的防腐涂层外面涂上混凝土配重涂层，涂层的厚度和密度根据前述的计算得到。,4.3、保持稳定性主要措施,（二）给管道压块（垫）或者锚固给管道压块（垫）是在已铺设的管道上压上混凝土块体或者混
19、凝土充填的袋体（也可以用其他材料充填）。由于压块或者压垫是不规则形状，因此在理论上计算压块或者压垫所受的海流力和波浪力比较困难。在实际的应用中，通常以重力和浮力的比值1.5-2.0来控制。在岩石构成的海床上，也可以采用锚固管道的方式，该方式适合于海流力和波浪力较大的海域。,4.3、保持的稳定性主要措施,（三）抛石覆盖和挖沟埋设抛石覆盖是在已铺设的管道上施以抛石覆盖管道。石块的名义直径5-200厘米，密度应不小于2000公斤/立方米。抛石覆盖所形成的坡角不应大于30，直径小的石块放在底层，直径大的石块放在上层。挖沟埋设是通过挖沟的方式将管道沉入到海床以下一定深度，通常12米，有特殊要求的，按照特
20、殊要求处理。如果管道挖沟沉入到海床以下一定深度可以满足稳定要求，可以不采用人工回填埋设，管道在敞开的沟中稳定性分析可以按照“管道在海床上的稳定性分析方法”计算。如果计算不满足要求，可以采用人工回填埋设的方式。,4.3、保持的稳定性主要措施,（四）其他措施除了上述的三种常用措施外，还可以采用管道内充水来保持施工期间的稳定性，也可以采用在管道上安装阻流板保持管道的长期稳定性。阻流板（英文为spoiler，也翻译成海底管道自埋器）技术是一项新技术，下图是该技术产品的应用示意图。该项技术的基本原理是，在海流的作用下，产生向下的力，使管道下沉，逐渐埋入海床以下，保持管道的长期稳定性。,4.3、保持的稳定
21、性主要措施,5.1、海底管道铺设方法,海底管道投资规模大、工期长。施工方法的选择尤为重要，好的施工方法能够控制成本、保证进度和降低风险。施工方法的选择需要综合评价，需要从技术、投资和工期等因素综合考虑。,海底管道主要铺设方法有：拖管法。（浮拖法、近底拖法、底拖法）；铺管船铺设法；（S型铺管法、J型铺管法和卷管式铺管法）围堰法,5.1、海底管道铺设方法,（一）、拖管法（牵引法铺设技术）,在近海浅水区铺设海底管道时，通常采用拖管法。拖管法中的管道一般在陆上组装场地或在浅水避风水域中的铺管船上组装成规定的长度，然后用起吊装置将管道吊到发送轨道上，再绑上浮筒和拖管头，用拖船将管道拖下水，按预定航线将管
22、道就位、下沉，最后将各段管道对接，完成管道铺设全过程。目前，拖管法又可分为以下几种方法：浮拖法(surface tow)、水面下拖法(below surface tow)、离底拖法(off-bottom tow)、底拖法(bottom tow)、控制深度拖法(CDTM)复合式拖法(combined tow)。,5.1、海底管道铺设方法,1.浮拖法管道漂浮在水面，首部由首拖轮通过拖缆拖航，尾部用尾拖船通过拖缆控制管道在水中的摇摆。这种方法适用于海面平静、风浪较小的海域，拖航速度较快，但波浪引起的管道疲劳损伤较大。,5.1、海底管道铺设方法,2.底拖法：管道紧贴着海底，由拖船通过拖缆将管道拖航前进
23、，其需要的拖力最大，但疲劳损伤最小。,5.1、海底管道铺设方法,3.离底拖法：利用浮筒和压载链将管道悬浮在距海床一定高度上，再由拖轮拖航。这种方法适用于海底地形已知情况，需要的拖力很小，疲劳损伤也较小。,5.1、海底管道铺设方法,5.水面下拖法：此方法与浮拖法相似，只是为了避免波浪对管道的影响，利用浮筒将管道悬浮在距海面一定深度下。相对于浮拖法，此方法可使管道的运动和疲劳损伤都大大减小。6.复合式拖法：复合式拖法是几种拖航方法的组合，根据离海岸距离及水深的不同，综合采用多种拖管法，从而充分发挥各种拖管法的优势。,4.控制深度拖法：管道被控制在水面以下一定深度悬浮着，由水面拖轮牵引。拖航时水对压
24、载链的拖曳力产生一种升力，减小了管道水下重量。拖速越大，拖缆与垂直方向夹角也越大。这种方法在国外应用最多，研究也最广泛。,5.1、海底管道铺设方法,(二)、铺管船铺设,铺设海底管道的最常用的方法是铺管船法。目前有3种不同类型的铺管船，包括传统的箱型铺管船、船型铺管船以及半潜式铺管船，按定位形式又可分为锚泊定位和动力定位两种形式铺管船。（最常用的四种类型的铺管船：常规铺管船、半潜式铺管船、动力定位式铺管船和卷管式铺管船。）普通船型式铺管船吃水深度相对较深，适合需要承载较重设备或高起吊力时使用。半潜式铺管船通常是非自航式，但也可采用动力定位系统。半潜式铺管船船型巨大，作业线多设置在船的中央，其最大
25、的特点就是稳定性强，可以在比较恶劣的环境中以及深海海域施工作业。铺管船法铺管主要有3种铺设方式：S型铺管法J型铺管法卷管式铺管法,5.1、海底管道铺设方法,5.1、海底管道铺设方法,S型铺管法S型铺管法一般需要在船艉部增加一个很长的圆弧形托管架，管道在重力和托管架的支撑作用下自然的弯曲成“S形曲线。目前，S型铺管法是技术最成熟、应用最广泛的深水铺管法。1998年建成的“Solitaire”号代表了最新一代的S型铺管船，该船载重量达22 000 t，采用动力定位系统，已经完成了大量海底管道铺设工程，保持着2 775 m 的海底管道铺设水深最大纪录。,5.1、海底管道铺设方法,2、J型铺管法是2O
26、世纪80年代以来为了适应铺管水深不断增加而发展起来的一种铺管方法。目前，J型铺管法主要有2种：一种是钻井船J型铺管法；另一种是带倾斜滑道的J型铺管法。在铺设过程中，借助于调节托管架的倾角和管道承受的张力来改善悬空管道的受力状态，达到安全作业的目的,5.1、海底管道铺设方法,3、卷管式铺管法卷管式铺管法是一种在陆地预制场地将管道接长，卷在专用滚筒上，然后送到海上进行铺设的方法。卷管式铺管法铺设效率高、费用低、可连续铺设、作业风险小卷管法所用滚筒一般有水平放置和竖直放置两种，为减小管道卷绕后的塑性变形滚筒直径一般比较大。由于受到铺管船尺寸和滚筒直径的限制，卷管式铺管法中的管道直径较小,5.1、海底管道铺设方法,5.2、铺设过程中管线力学分析,国内外学者对海底管道铺设技术进行了广泛研究，提出了很多有效的计算方法，今后的研究方向主要有以下几方面：(1)综合利用多种计算方法求解管道铺设问题，根据不同铺管条件选择最优方法，在满足计算精度的前提下，使计算更有效率，适用范围更广。(2)应进一步研究海流、波浪、内波及铺管船运动等环境荷载作用下管道的动力响应，以及管道与铺管船之间的动力耦合问题。(3)随着铺管水深越来越大，管道承受的静水压力迅速增加，有必要研究铺管过程中管道局部屈曲、屈曲传播现象及管道止屈器的优化选型。,5.3、挖沟/掩埋,5.3、挖沟/掩埋,5.3、挖沟/掩埋,谢谢您的关注,
