第三章_海底管道
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K V F L N B P F I F D F L N B P KH
Q 01
取二者之最大值
当稳定压块间隔地盖压在管道上
Q 02
K V lF L K V l C F L N B P l FI FD F I F D F L l K H lC F Ll C N B P l KHl
动水作用力
• 海水对海底管线的作用力：
Morison公式
– 垂直力（升力）
FL 1 2
C L DU
2 e
– 水平力
• 速度力（阻力） • 惯性力
FD
1 2
C D DU
2 e
FI C m D
2
dU /4 dt
速度和加速度由波浪和海流复合作用引起。
3-2 海底管道的稳定性与设计
2、保持海底管道的稳定性的措施 • 稳定性设计
– 增加管道配重
• 加大钢管的壁厚——不经济
• 加重混凝土涂层的重量——增大浮力
– 稳定压块
– 埋设——尽可能埋置于海底面以下
– 机械锚固 ——遇有岩礁或坚硬土层，可利用
锚杆将管道与岩盘基础锚固在一起
稳定压块的设计与计算 当稳定压块在管道上连续盖压时，它的重 量（单位长管道上的压块水下重量）可为
海管的结构形式
• • • • 单层管 双层管（管中管） 管束 立管
管中管，管束
HPDE Jacket, Insulation, Inner pipe
Bundle
Flexible Riser (CSO)
结构设计中的难题
• 高温高压管道 （屈曲） • 深海立管设计 （动力与疲劳） 。。。
高温管道的变形特点——屈曲漂移
海底管道工程的特点
• 施工投资大：铺管船、开沟船和10余只辅助作业 的拖船组成的庞大的专业船队等 • 施工质量要求高：维修困难 • 施工环境多变：海况变化剧烈、迅速 • 施工组织复杂：管道的预制，船队的配件、燃料 和淡水的供应等（海陆联合组织）
浅海开发
导管架式平台
平台设于导管架的顶部，整体结 构刚性大，适用于各种土质，但 其尺度、重量随水深增加而急剧 增加，在深水中的经济性较差。
取二者之最大值
稳定压块型式
铰链式稳定压块
• 铰链式稳定压块， 它能比较容易地 在管子上保持其 自身稳定的位置， 安装时水下可以 张开，安装比较 容易。但加工制 作和压块组装困 难，成本比较高， 因而使用较少。
马鞍形稳定压块
• 各种马鞍形稳定
压块，根据断面
形状不同有如下
几种：例如，矩
形、梯形，拱形 等等。 • 坡侧方向的阻力 小，稳定性好
• 斯托克斯波
波浪理论的选择
– 二阶波 – 三阶波 – 四阶波 – 五阶波 （用来描述大振幅的 振荡波的性质）
• 椭圆余弦波
（用来描述长的、有 限振幅的波在浅水 中的传播）
• 线性波
（用来描述小振幅的 振荡波的性质）
海流
• 海流，是指由不同原因所产生的各种类型的海水 合成流动。 • 海流是一综合流，近岸海流一般以潮流和风海流 为主。在某些位置和某种情况下，其它类型的海 流也可能相当显著，如由于波浪破碎产生的顺岸 流和离岸流等。 • 对于海流（主要对潮流）的测量，要选择有代表 性的时间、季节、点位，测定海流的流速、流向， 并需测定沿垂直分布的流速、流向和随时间的变 化过程，必要时要进行“流路”测量。
第三章 海底管道
• 通过海底油气管道，把海上油气田的整个油气集
输与储运系统联系起来，也使海上油气田与整个
石油工业系统联系起来。 • 陆上油气管线在穿越江河处，也常采用水下敷设 的方式。 • 相对于陆地管道，海底管道往往处于极端的工作 条件。 • 海底管道的设计与陆地管道有很大的不同。
内容
• • • • • • 海底管道工程的特点 海洋平台、铺管船及铺管方式 载荷条件 海底管道的相关标准和规范 海底管道的结构形式 结构设计中的难题
有关海底管道的相关标准和规范
• SY/T4804-92 海底管道系统规范 • Recommended Practice DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection March 2001 • Recommended Practice DNV-RP-F101 Corroded pipeline protection 1999 • Recommended Practice DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection March 2001 • RP E305 On-bottom stability design of submarine pipeline October 1998 • Recommended Practice RP-B401 Cathodic Protection Design 1993 • RP-F106 Factory applied external pipeline coatings for corrosion control
1、海底管道的稳定性条件 作用力：
• 动水作用力
• 管道总重量
• 浮力
பைடு நூலகம்
• 摩擦力
作用力的计算 管道总重量
• • • •
WP
钢管重量 W S P 内、外防腐绝缘层的重量W S C 混凝土防护加重层的重量W C 介质的重量 W 0
W P W SP W SC W C W 0
浮力
BP
• 海底管道的结构分析指南中国船级社 • NACE Standard Recommended Practice RP0492-92 Metallurgical and Inspection Requirements for Offshore Pipeline Btaceled Anodes. • DNV Offshore Standard DNV-OS-F101,Submarine Pipeline System, 2000 • DNV Rule for Submarine Pipeline System 1996. • Guide for building and classing subsea pipeline systems and risers, ABS PR Guide,2001 • API RP 1111, 3th,1999 Design,construction,operation, and maintenance of offshore hydrocarbon pipelines (limit state design) • DNV-RP-F105, 2006 FREE SPANNING PIPELINES • Subsea Pipelines And Risers, Yong Bai and Iang Bai, Elsevier Science Ltd.
基本步骤：
(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。 缺点：沿管道路由取得足够精确的环境和工程地质数据极为困 难，有时甚至是不可能的。——半动态法 将动态分析中次要的因素忽略 目前，国际上流行2种方法:一种是以DnVRPE305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中 LEVEL2进行的分析方法。
高温管道的设计对策
• 增加管道横向或纵向的约束力，如加大埋深，外包 混凝土层以增加管道配重和摩擦力，在管道上方堆
积石块；
• 蛇形或水平面内的之字形敷设，或采用热补偿器；
• 采用管中管或者集束管以增加侧向/竖向约束力和
抗弯刚度；
• 安装时通过牵引或者用热介质在管道中预拉力；
• 以上两种或多种方法的结合。
N BP
——负浮力
• KV、KH—管道竖向和水平方向的稳定性系数，一
般取KV=1.05~1.10；KH＝1.10~1.15。 以上为海底管道稳定性的静态分析。
不足：对波浪-管道-土壤的联合作用分析不够，仅
仅用一个简单的摩擦系数来描述管土相互作用。
发展：动态法、半动态法
动态法
基本原理：波浪作为周期性动力荷载作用在管道上。 管道在波浪荷载的作用下，在海床上发生往复运动。
3-1 波浪、海流对管道的作用
波浪的各种参数定义
根据水深的不同将管道划分为三个区段
• 深水区段：在这区段的海底（地形、地质等）实 际上不再影响波浪的形状和尺度。 • 过渡区段：在此区段内波浪由深水波向浅水波过 渡，深水的三向波在海底水深等因素的影响下向 两向波过渡，有时波浪出现破碎。 • 浅水区段：在这区段内波浪在水深、地形的影响 下变化剧烈，波浪向岸边推进时，出现多次破波， 而达到最终破碎，并在岸坡附近形成上爬的击岸 水流。
国内典型起重铺管船装备
蓝疆号 3800t
国内典型起重铺管船装备
华天龙 4000t
国内典型起重铺管船装备
海洋石油202号 我国首艘自主研制的起重铺管船 浅水1200t
国内典型起重铺管船装备
凯撒 我国首艘超深水海洋铺管船
铺管方式
• S-Lay • J-Lay • Reel-Lay
S-Lay
• S形铺设方法：适用于浅近海（10-450m）、深水 区的小管径管线的铺设。管道在下海过程中呈S 形变形曲线。
典型深海海底油气开采 Production FPSO（Floating
shortage and Offloading） 浮式生产、储油、卸油船
机动性和运移性好，具有 适应深水采油的能力，在深水 域中较大的抗风浪能力、大产 量的油气水生产处理能力和大 的原油储存能力。
从左到右依次是导管架式平台，自升式平台，半潜式平台，钻井船，张力腿平台。
D
2 0
4
w
摩擦力 R f N
海床上保持稳定的管道须满足的方程 即:
W P B P F L N 0
R f N FI FD
W P B P F L F I F D
令: N BP W P B P K V F L
N BP K H FI FD FL
J-Lay
• J形铺设方法：适用于深海（≤1500m）大管径管 线的铺设。需要J式托管架，托管架上必须有张 紧器。
Reel-Lay
• 卷盘式铺设方法：适用于深水区的小管径管线的 铺设。
载荷条件
• • • • • • • 压力; 温度; 海浪; 海流; 海床; 风; 冰;
• • • • • • • 地震活动; 平台移动; 水深； 支座沉降; 意外荷载； 捕鱼; 海洋生物生长。
本章小结
• 海底管道强度设计的内容之一是对波、流情况出 估计，以此选出管道各项参数； • 波浪参数有波速、波长、波高； • 常见的波浪理论有：Airy波、Stokes二阶、三阶、 四阶和五阶波，椭圆余弦波（Cnoidal） 等； • 海水对管道的动水作用力：升力、阻力和惯性力； 动水作用力根据Morison方程计算； • 作用在海底管道上的力：重量、动水作用力、浮 力和摩擦力； • 海底管道的稳定性措施：配重、稳定压块、埋设 和机械锚固。
Q 01
取二者之最大值
当稳定压块间隔地盖压在管道上
Q 02
K V lF L K V l C F L N B P l FI FD F I F D F L l K H lC F Ll C N B P l KHl
动水作用力
• 海水对海底管线的作用力：
Morison公式
– 垂直力（升力）
FL 1 2
C L DU
2 e
– 水平力
• 速度力（阻力） • 惯性力
FD
1 2
C D DU
2 e
FI C m D
2
dU /4 dt
速度和加速度由波浪和海流复合作用引起。
3-2 海底管道的稳定性与设计
2、保持海底管道的稳定性的措施 • 稳定性设计
– 增加管道配重
• 加大钢管的壁厚——不经济
• 加重混凝土涂层的重量——增大浮力
– 稳定压块
– 埋设——尽可能埋置于海底面以下
– 机械锚固 ——遇有岩礁或坚硬土层，可利用
锚杆将管道与岩盘基础锚固在一起
稳定压块的设计与计算 当稳定压块在管道上连续盖压时，它的重 量（单位长管道上的压块水下重量）可为
海管的结构形式
• • • • 单层管 双层管（管中管） 管束 立管
管中管，管束
HPDE Jacket, Insulation, Inner pipe
Bundle
Flexible Riser (CSO)
结构设计中的难题
• 高温高压管道 （屈曲） • 深海立管设计 （动力与疲劳） 。。。
高温管道的变形特点——屈曲漂移
海底管道工程的特点
• 施工投资大：铺管船、开沟船和10余只辅助作业 的拖船组成的庞大的专业船队等 • 施工质量要求高：维修困难 • 施工环境多变：海况变化剧烈、迅速 • 施工组织复杂：管道的预制，船队的配件、燃料 和淡水的供应等（海陆联合组织）
浅海开发
导管架式平台
平台设于导管架的顶部，整体结 构刚性大，适用于各种土质，但 其尺度、重量随水深增加而急剧 增加，在深水中的经济性较差。
取二者之最大值
稳定压块型式
铰链式稳定压块
• 铰链式稳定压块， 它能比较容易地 在管子上保持其 自身稳定的位置， 安装时水下可以 张开，安装比较 容易。但加工制 作和压块组装困 难，成本比较高， 因而使用较少。
马鞍形稳定压块
• 各种马鞍形稳定
压块，根据断面
形状不同有如下
几种：例如，矩
形、梯形，拱形 等等。 • 坡侧方向的阻力 小，稳定性好
• 斯托克斯波
波浪理论的选择
– 二阶波 – 三阶波 – 四阶波 – 五阶波 （用来描述大振幅的 振荡波的性质）
• 椭圆余弦波
（用来描述长的、有 限振幅的波在浅水 中的传播）
• 线性波
（用来描述小振幅的 振荡波的性质）
海流
• 海流，是指由不同原因所产生的各种类型的海水 合成流动。 • 海流是一综合流，近岸海流一般以潮流和风海流 为主。在某些位置和某种情况下，其它类型的海 流也可能相当显著，如由于波浪破碎产生的顺岸 流和离岸流等。 • 对于海流（主要对潮流）的测量，要选择有代表 性的时间、季节、点位，测定海流的流速、流向， 并需测定沿垂直分布的流速、流向和随时间的变 化过程，必要时要进行“流路”测量。
第三章 海底管道
• 通过海底油气管道，把海上油气田的整个油气集
输与储运系统联系起来，也使海上油气田与整个
石油工业系统联系起来。 • 陆上油气管线在穿越江河处，也常采用水下敷设 的方式。 • 相对于陆地管道，海底管道往往处于极端的工作 条件。 • 海底管道的设计与陆地管道有很大的不同。
内容
• • • • • • 海底管道工程的特点 海洋平台、铺管船及铺管方式 载荷条件 海底管道的相关标准和规范 海底管道的结构形式 结构设计中的难题
有关海底管道的相关标准和规范
• SY/T4804-92 海底管道系统规范 • Recommended Practice DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection March 2001 • Recommended Practice DNV-RP-F101 Corroded pipeline protection 1999 • Recommended Practice DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection March 2001 • RP E305 On-bottom stability design of submarine pipeline October 1998 • Recommended Practice RP-B401 Cathodic Protection Design 1993 • RP-F106 Factory applied external pipeline coatings for corrosion control
1、海底管道的稳定性条件 作用力：
• 动水作用力
• 管道总重量
• 浮力
பைடு நூலகம்
• 摩擦力
作用力的计算 管道总重量
• • • •
WP
钢管重量 W S P 内、外防腐绝缘层的重量W S C 混凝土防护加重层的重量W C 介质的重量 W 0
W P W SP W SC W C W 0
浮力
BP
• 海底管道的结构分析指南中国船级社 • NACE Standard Recommended Practice RP0492-92 Metallurgical and Inspection Requirements for Offshore Pipeline Btaceled Anodes. • DNV Offshore Standard DNV-OS-F101,Submarine Pipeline System, 2000 • DNV Rule for Submarine Pipeline System 1996. • Guide for building and classing subsea pipeline systems and risers, ABS PR Guide,2001 • API RP 1111, 3th,1999 Design,construction,operation, and maintenance of offshore hydrocarbon pipelines (limit state design) • DNV-RP-F105, 2006 FREE SPANNING PIPELINES • Subsea Pipelines And Risers, Yong Bai and Iang Bai, Elsevier Science Ltd.
基本步骤：
(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。 缺点：沿管道路由取得足够精确的环境和工程地质数据极为困 难，有时甚至是不可能的。——半动态法 将动态分析中次要的因素忽略 目前，国际上流行2种方法:一种是以DnVRPE305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中 LEVEL2进行的分析方法。
高温管道的设计对策
• 增加管道横向或纵向的约束力，如加大埋深，外包 混凝土层以增加管道配重和摩擦力，在管道上方堆
积石块；
• 蛇形或水平面内的之字形敷设，或采用热补偿器；
• 采用管中管或者集束管以增加侧向/竖向约束力和
抗弯刚度；
• 安装时通过牵引或者用热介质在管道中预拉力；
• 以上两种或多种方法的结合。
N BP
——负浮力
• KV、KH—管道竖向和水平方向的稳定性系数，一
般取KV=1.05~1.10；KH＝1.10~1.15。 以上为海底管道稳定性的静态分析。
不足：对波浪-管道-土壤的联合作用分析不够，仅
仅用一个简单的摩擦系数来描述管土相互作用。
发展：动态法、半动态法
动态法
基本原理：波浪作为周期性动力荷载作用在管道上。 管道在波浪荷载的作用下，在海床上发生往复运动。
3-1 波浪、海流对管道的作用
波浪的各种参数定义
根据水深的不同将管道划分为三个区段
• 深水区段：在这区段的海底（地形、地质等）实 际上不再影响波浪的形状和尺度。 • 过渡区段：在此区段内波浪由深水波向浅水波过 渡，深水的三向波在海底水深等因素的影响下向 两向波过渡，有时波浪出现破碎。 • 浅水区段：在这区段内波浪在水深、地形的影响 下变化剧烈，波浪向岸边推进时，出现多次破波， 而达到最终破碎，并在岸坡附近形成上爬的击岸 水流。
国内典型起重铺管船装备
蓝疆号 3800t
国内典型起重铺管船装备
华天龙 4000t
国内典型起重铺管船装备
海洋石油202号 我国首艘自主研制的起重铺管船 浅水1200t
国内典型起重铺管船装备
凯撒 我国首艘超深水海洋铺管船
铺管方式
• S-Lay • J-Lay • Reel-Lay
S-Lay
• S形铺设方法：适用于浅近海（10-450m）、深水 区的小管径管线的铺设。管道在下海过程中呈S 形变形曲线。
典型深海海底油气开采 Production FPSO（Floating
shortage and Offloading） 浮式生产、储油、卸油船
机动性和运移性好，具有 适应深水采油的能力，在深水 域中较大的抗风浪能力、大产 量的油气水生产处理能力和大 的原油储存能力。
从左到右依次是导管架式平台，自升式平台，半潜式平台，钻井船，张力腿平台。
D
2 0
4
w
摩擦力 R f N
海床上保持稳定的管道须满足的方程 即:
W P B P F L N 0
R f N FI FD
W P B P F L F I F D
令: N BP W P B P K V F L
N BP K H FI FD FL
J-Lay
• J形铺设方法：适用于深海（≤1500m）大管径管 线的铺设。需要J式托管架，托管架上必须有张 紧器。
Reel-Lay
• 卷盘式铺设方法：适用于深水区的小管径管线的 铺设。
载荷条件
• • • • • • • 压力; 温度; 海浪; 海流; 海床; 风; 冰;
• • • • • • • 地震活动; 平台移动; 水深； 支座沉降; 意外荷载； 捕鱼; 海洋生物生长。
本章小结
• 海底管道强度设计的内容之一是对波、流情况出 估计，以此选出管道各项参数； • 波浪参数有波速、波长、波高； • 常见的波浪理论有：Airy波、Stokes二阶、三阶、 四阶和五阶波，椭圆余弦波（Cnoidal） 等； • 海水对管道的动水作用力：升力、阻力和惯性力； 动水作用力根据Morison方程计算； • 作用在海底管道上的力：重量、动水作用力、浮 力和摩擦力； • 海底管道的稳定性措施：配重、稳定压块、埋设 和机械锚固。