海底管道高温高压屈曲分析
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～ ～
关 键 词 ：有效轴力；垂向屈曲；侧向屈曲
０ 引 言
随着 海洋 石油 开发 的蓬勃 发 展 ，海 底管 道 的重要 性也 日益 凸显 。海 底 管道作 为海 洋石 油 的输送 大 动脉 ，由于 其特殊 的工 作环 境 ， 效后 修复 的 困难程 度 以及 所造 成 的经济 损 失、 境破 坏都 极其 巨大 ， 失 环 因此 对其 安全 性评估 尤 为重要 。
：：
ｓ２
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，
７ ２
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Ｏ Ｏ ４６ ．６
Ｓ
（） ８
当
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＝ ． ￣ ３３／ ９６ ｂ 一 ４￣ ４ ０［
将 无量 刚 因子 ， 代 入 以上 公式 可 以得 出最大 允许 的海地 面 隆起 高度 ：
中
困
造
船
学 术 论 文
当 —Ｌ ．
Ｑ． ６ ６ ０ ４ ｓ瓣 ２
１
＜ ．４ ～９ ４ ４
．
（） ４
（） ５
式中：ｑ 为土壤垂向约束力， Ｄ为土壤的水下重，ｈ为埋土的深度，ｆ为土壤的垂向约束因子， ｆ ｆ
为土壤的剪切强度；Ｄ为管道直径。
管 道 的垂 向稳 性荷 载为
ｗ
：
±
Ｓ Ｆ
（） ６
式中：
柚为管道 水下 重力 ，
为垂 向荷 载 安全 因子 。
心
海底 管道在 海底 受到 土壤 的垂 向约束 力 由以下两 种情 况 。 当土 壤为 无粘性 的沙 、土和 砾石 时 ，土 壤约 束力 为
ｇ＝
Ｄ． ＋ ， ） （ １
（） ３
当土壤 为粘 性土 时 ，土壤 约束 力 为
如果 ＜５ ｇ＿２ ，
否则， ｑ＝１ Ｓ Ｄ ０・ ・
５ ２卷
增刊 ２
中
国
造
船
Ｖｏ ． ２ Ｓｐ ｃ ａ １ ５ ｅ ｉｌ ２ Ｓｐ２ ｌ ｅ ． ０１
２ １ 年 ９月 ０ １
Ｓ Ｐ Ｉ ＤＩ ＨＩ ＨＩＢＵ Ｌ ＮＧ ＯＦＣ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２２ １）２０ ６ ．６ ００４ ８ （０ Ｓ ．０ ４０ １
＝
（
式中 为管 截面 矩，△ 海地 起高度， 为 道隆 长， ： 墨 ：， 道 惯性 为 面隆 管 起波 （
则有 关系 式 ：
＝
１ 。 ：
２・ ・ 兀
一８・ ・ 兀
（ ７）
用以下近似公式可以替代以上通用表达式：
当 ￡＜４４ ．９， 当 ４４ ＜８０ ．９＜ ．６， ＝０ ０ ４ ．６ ６ ＝５６ ．８ 一８ ．５ ８３
为 管道 截
为 管道热 传 导系 数 ， △ 为管道 内外 压 力差 ， △ 为管道 内外 温度 差 。
２ 垂 向屈 曲分 析
海底 面 隆起 是海底管 道发 生垂 向屈 曲的诱 导原 因 ，隆起 将 引起 管 道受 到垂 直 向上 的作 用力 ，当该
作用 力 大于管 道受 到 的垂 向约 束 （ 管道 刚 度 、 白重 、埋 土等 效应 ）时 ，管道 将产 生垂 向位 移 ，当该位 移 过大或 导致 管道 塑性变 形过 大时 ，管道 发 生垂 向屈 曲。
束 ，这段 长度 管道 的有 效轴 力可 以由 以下 公式 描述 ：
＾ ＝Ｎ 一△ ５ ｒ
（—２ ） ‘ ’ １ 一 Ｅ・ △
（） ２
５ ２卷
增刊 ２
夏 日长 ， 等 ： 海 底 管 道 高温 高压 屈 曲 分 析
６ ５
为管 式中 够为管 ：Ｓ 道有效 轴力，Ｎ为 残余拉力，Ｄ 为 管道外 径 ， ｆ 道名 义壁 厚 ， 管道 面积 ， Ｅ 为管 道弹 性模量 ，
△：
１１ ．６
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（ｏ １）
根据 以上 分析 得 出管道在 一 定埋 土深度 情 况下 允许 的最 大海地 面 隆起 高度 ， 埋土 深度和 隆起 高度 是互 相制 约 的两个变 量 ，可 以根 据 实际工 程 项 目的运行 工况 、海地 面情 况 以及埋 土深 度进行 判 别是 否
本文 主要 针 对海 底 管 道众 多失效 形 式 的一 种 （ 曲） 行 了详细 的理 论 推 导， 介绍 了几种 常 用预 屈 进 并 防屈 曲 的施工方 法 。
当海底 管道 运行 在 高温高 压 的介质 环境 中，管道 要产 生热膨 胀 。如 果管 道两端 受到 约束 ，不 能 自
由膨胀 ，那 么 管道必 然受 到一 个轴 向压 力 ，当管道 的轴 向压 力超过 了土 壤 、水 下重 量 、自身 刚度 的约
束 ，管道 即发 生屈 曲。管道 的 屈 曲形 式 有两种 （ 见下 图 ）：垂 向屈 曲和侧 向屈 曲，以下就 是对这 两 详
种 屈 曲原理 及计 算方法 的描述 。
／ 一一 、
／
／
／
一
海 底Ｉ （ 酊 水平 ）
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一
图 １ 垂 向屈 曲和 侧 向屈 曲形 式
１ 管 道 有 效 轴 力 分 析
管道有 效轴 力 是管道 受到 外 部荷载 、土壤 约束 等 的综 合 效应 ，是 管道屈 曲分 析 的重要 组成 部分 ， 管道 在高温 高 压环境 下 产生 的有 效轴 力为
＝
Ⅳ一 ｉ Ｐ４＋ＰＭ ＝ （ｆ ２）－ ｅ ｅｅ Ⅳ一 （ Ｄ－ ｔ ｐＤ ） 。
叶
（） １
由于管 道 受到 土壤 摩擦 ，随着 管道 长 度 的增 加 ，摩 擦力 也相 应增 加 ，在管道 中 间部分 将被 完全 约
海底管道 高温高压屈 曲分析
夏 日长， 潘晓东
（ 海洋石油工程股份有限公司，天津 ３０５ ） ０ ４ １
㈣
摘
要
／ ～ 一
一
对海底 管道在高温高压情况下 的屈 曲进 行 了分析 ，对屈 曲发生 的两种形 式 （ 垂向屈 曲和侧 向屈 曲 ）给 出 了理 论推 导；针 对实际工程项 目中发 生屈 曲的管道 ，推荐 了多种处理措施 ，并详细描述 了各 种处理措 施 ＝ ＝ 、 的原理和优缺点 ，所述原则可供工程项 目在确定最终 的实施方案时参考。
关 键 词 ：有效轴力；垂向屈曲；侧向屈曲
０ 引 言
随着 海洋 石油 开发 的蓬勃 发 展 ，海 底管 道 的重要 性也 日益 凸显 。海 底 管道作 为海 洋石 油 的输送 大 动脉 ，由于 其特殊 的工 作环 境 ， 效后 修复 的 困难程 度 以及 所造 成 的经济 损 失、 境破 坏都 极其 巨大 ， 失 环 因此 对其 安全 性评估 尤 为重要 。
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将 无量 刚 因子 ， 代 入 以上 公式 可 以得 出最大 允许 的海地 面 隆起 高度 ：
中
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（） ４
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式中：ｑ 为土壤垂向约束力， Ｄ为土壤的水下重，ｈ为埋土的深度，ｆ为土壤的垂向约束因子， ｆ ｆ
为土壤的剪切强度；Ｄ为管道直径。
管 道 的垂 向稳 性荷 载为
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式中：
柚为管道 水下 重力 ，
为垂 向荷 载 安全 因子 。
心
海底 管道在 海底 受到 土壤 的垂 向约束 力 由以下两 种情 况 。 当土 壤为 无粘性 的沙 、土和 砾石 时 ，土 壤约 束力 为
ｇ＝
Ｄ． ＋ ， ） （ １
（） ３
当土壤 为粘 性土 时 ，土壤 约束 力 为
如果 ＜５ ｇ＿２ ，
否则， ｑ＝１ Ｓ Ｄ ０・ ・
５ ２卷
增刊 ２
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Ｖｏ ． ２ Ｓｐ ｃ ａ １ ５ ｅ ｉｌ ２ Ｓｐ２ ｌ ｅ ． ０１
２ １ 年 ９月 ０ １
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文 章 编 号 ： １０ —８２２ １）２０ ６ ．６ ００４ ８ （０ Ｓ ．０ ４０ １
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式中 为管 截面 矩，△ 海地 起高度， 为 道隆 长， ： 墨 ：， 道 惯性 为 面隆 管 起波 （
则有 关系 式 ：
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２・ ・ 兀
一８・ ・ 兀
（ ７）
用以下近似公式可以替代以上通用表达式：
当 ￡＜４４ ．９， 当 ４４ ＜８０ ．９＜ ．６， ＝０ ０ ４ ．６ ６ ＝５６ ．８ 一８ ．５ ８３
为 管道 截
为 管道热 传 导系 数 ， △ 为管道 内外 压 力差 ， △ 为管道 内外 温度 差 。
２ 垂 向屈 曲分 析
海底 面 隆起 是海底管 道发 生垂 向屈 曲的诱 导原 因 ，隆起 将 引起 管 道受 到垂 直 向上 的作 用力 ，当该
作用 力 大于管 道受 到 的垂 向约 束 （ 管道 刚 度 、 白重 、埋 土等 效应 ）时 ，管道 将产 生垂 向位 移 ，当该位 移 过大或 导致 管道 塑性变 形过 大时 ，管道 发 生垂 向屈 曲。
束 ，这段 长度 管道 的有 效轴 力可 以由 以下 公式 描述 ：
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５ ２卷
增刊 ２
夏 日长 ， 等 ： 海 底 管 道 高温 高压 屈 曲 分 析
６ ５
为管 式中 够为管 ：Ｓ 道有效 轴力，Ｎ为 残余拉力，Ｄ 为 管道外 径 ， ｆ 道名 义壁 厚 ， 管道 面积 ， Ｅ 为管 道弹 性模量 ，
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１１ ．６
（
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根据 以上 分析 得 出管道在 一 定埋 土深度 情 况下 允许 的最 大海地 面 隆起 高度 ， 埋土 深度和 隆起 高度 是互 相制 约 的两个变 量 ，可 以根 据 实际工 程 项 目的运行 工况 、海地 面情 况 以及埋 土深 度进行 判 别是 否
本文 主要 针 对海 底 管 道众 多失效 形 式 的一 种 （ 曲） 行 了详细 的理 论 推 导， 介绍 了几种 常 用预 屈 进 并 防屈 曲 的施工方 法 。
当海底 管道 运行 在 高温高 压 的介质 环境 中，管道 要产 生热膨 胀 。如 果管 道两端 受到 约束 ，不 能 自
由膨胀 ，那 么 管道必 然受 到一 个轴 向压 力 ，当管道 的轴 向压 力超过 了土 壤 、水 下重 量 、自身 刚度 的约
束 ，管道 即发 生屈 曲。管道 的 屈 曲形 式 有两种 （ 见下 图 ）：垂 向屈 曲和侧 向屈 曲，以下就 是对这 两 详
种 屈 曲原理 及计 算方法 的描述 。
／ 一一 、
／
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一
海 底Ｉ （ 酊 水平 ）
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一
图 １ 垂 向屈 曲和 侧 向屈 曲形 式
１ 管 道 有 效 轴 力 分 析
管道有 效轴 力 是管道 受到 外 部荷载 、土壤 约束 等 的综 合 效应 ，是 管道屈 曲分 析 的重要 组成 部分 ， 管道 在高温 高 压环境 下 产生 的有 效轴 力为
＝
Ⅳ一 ｉ Ｐ４＋ＰＭ ＝ （ｆ ２）－ ｅ ｅｅ Ⅳ一 （ Ｄ－ ｔ ｐＤ ） 。
叶
（） １
由于管 道 受到 土壤 摩擦 ，随着 管道 长 度 的增 加 ，摩 擦力 也相 应增 加 ，在管道 中 间部分 将被 完全 约
海底管道 高温高压屈 曲分析
夏 日长， 潘晓东
（ 海洋石油工程股份有限公司，天津 ３０５ ） ０ ４ １
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／ ～ 一
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对海底 管道在高温高压情况下 的屈 曲进 行 了分析 ，对屈 曲发生 的两种形 式 （ 垂向屈 曲和侧 向屈 曲 ）给 出 了理 论推 导；针 对实际工程项 目中发 生屈 曲的管道 ，推荐 了多种处理措施 ，并详细描述 了各 种处理措 施 ＝ ＝ 、 的原理和优缺点 ，所述原则可供工程项 目在确定最终 的实施方案时参考。