基于深水海底管道压溃破坏的结构可靠性研究

基于深水海底管道压溃破坏的结构可靠性研究

摘要：深水管道所处的特殊海洋环境容易导致管道发生压溃屈曲破坏。本文对深水海底管道压溃问题进行了结构屈曲压溃试验分析。采用JC法计算深水海底管道结构的可靠度指标，研究其径厚比、初始凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等因素对管道压溃的影响。

关键词：深水海底管道；压溃破坏；可靠性

极端深海环境下管道的稳定性失效是管道破坏的主要模式，管道一旦发生局部压溃，就会引起屈曲传播，致使管道的整体失效，后果非常严重。因此，防止管道压溃破坏是确保深海结构安全需要解决的关键问题。基于此，本文采用数值模拟及全比例压力试验相结合的方法，运用JC法对深海管道的安全性和可靠性进行了全面分析。

一、海底管道要求

海底管道是通过密闭的管道在海底连续地输送大量油油（气）的管道，是海上油（气）田开发生产系统的主要组成部分，也是最快捷、最安全和经济可靠的海上油气运输方式。海底管道的优点是可连续输送，几乎不受环境条件的影响，不会因海上储油设施容量限制或穿梭油轮的接运不及时而迫使油田减产或停产。故输油效率高，运油能力大。另外海底管道铺设工期短，投产快，管理方便和操作费用低。其缺点是：管道处于海底，多数又需要埋设于海底土中一定深度，检查和维修困难，某些处于潮差或波浪破碎带的管段，受风浪、潮流、冰凌等影响较大，有时可能被海中漂浮物和船舶撞击或抛锚遭受破坏。

海底管道设计所遵循的标准是《海底管道系统规范》（SY/T 10037）。为了设计出安全可靠的海底管道，需取得以下的资料和数据：

1、输送流体：包括油气类别、流量、组分、密度、黏度、露点、温度、压力、比热容及导热性。

2、工程地质：海床土壤类别和力学特性、海床的垂直和水平摩阻特性、海床表层土壤结构组成、海床地貌、海底管道路径纵断面图及地震烈度。

3、海洋学资料：水深图、海流、波浪、潮汐、冰、水温、海水盐度、海域内的动植物分布及海水可见度。

4、气象资料：风向与风速、气温、气压及可见度。

5、其他资料：所在海域的海图、需要穿越的海底电缆或管道、水下障碍物、航道、捕渔区及政府的有关法规。

二、可靠性研究思路

管道压溃失效受两个因素的影响，一方面，初始结构缺陷对管道稳定性非常敏感；另一方面深水环境中复杂的载荷条件。管道生产运行过程中各种随机因素造成的实际稳定承载力的不确定性，直接影响管道的安全可靠性。其中，结构随机因素包括钢的屈服极限、管材加工厚度误差、制造或安装引起的椭圆度缺陷等；

载荷随机因素包括安装或环境荷载引起的轴向力、不同水深的静水压力等。因现有规范

中的安全系数法无法有效解决深海管道在极端条件下的稳定性问题，因而有必要对深海管道

压溃破坏规律进行深入研究，同时考虑各种不确定因素的影响，从结构可靠性的角度出发，

构建深海管道压溃破坏的可靠性分析方法，以满足深水工程结构设计的要求。

对于深海管道，随机变量的分布特征并不都是正态分布，因此采用国际上推荐的JC法

计算可靠性指标。JC法的基本思想是根据已知的结构安全裕度方程及随机参数的统计分布，

将非正态随机变量转化为等效的正态随机变量，以结构在设计点处的切平面代替极限状态面，再采用改进的一次二阶矩法求解可靠度指标。

结构的安全裕度方程为：

式中：R为管道的压溃压力；S为管道的净外压。

三、安全裕度方程的建立

建立管道压溃安全裕度方程需解决两方面问题，首先，确定各种随机参数下的结构承载力；其次，建立结构承载力的显式表达式，便于代入安全裕度方程中。将外荷载（净外压）

直接作为初始变量代入安全裕量方程中。

1、管道承载力分析。以管道压溃破坏安全裕度方程为基础，在结构分析的基础上，采

用数值模拟与全比例试件试验相结合的方法，研究管道压溃破坏的相关规律。

（1）数值模拟。采用ABAQUS有限元软件建立实体单元模型，与壳单元相比，C3D8I单元沿壁厚方向可划分更多的网格，提高了分析精度。利用对称性建立管道模型，在管道两端

施加约束，圆柱壳外表面施加均布压力，并采用RIKS方法进行计算。

（2）试件试验。试验采用1：1管道模型，其外径及厚度尺寸为325mm×10mm、

406mm×10mm、325mm×6mm等3种。本试验以深海管道在内部中空而外部高压条件下的压

溃破坏最危险情况为模拟条件。试件的边界条件为两端固定支约束，不主动施加轴向力及弯矩。整个试验过程可分为试样的初步准备、管道进入压力舱体、前后端盖固定、注水加压试验、前后端盖拆卸、管道出舱及后处理六个步骤。在注水加压的情况下，水压按设定的水压

值连续加压，每增加一定的压力值，水压力保持一段时间的稳定，并进行观察，若有明显压

溃现象，试验结束并完成数据采集。

（3）压溃压力数据结果的比较。将数值分析与试验结果对比可知，海底管线压溃破坏

数值分析与全比例试验结果吻合较好，该模型可用于批量数据计算。

2、拟合安全裕度方程。通过数值模拟，对不同影响参数进行批量数值计算，拟合出压

溃压力对径厚比、初始椭圆度缺陷、屈服极限、轴向力等的显式表达式，作为可靠性分析中

安全裕度方程中的结构承载力。

将拟合曲线与数值分析结果进行比较，验证拟合曲线的拟合效果。所得到的管道结构承

载力的显式拟合曲线与试验验证的数值分析结果吻合较好，可用安全裕度方程对深水海底管

道结构进行可靠性分析。

四、可靠性分析

1、可靠性程序及算例。根据JC法的可靠性分析原理及建立的安全裕度方程，编写了基

于管道压溃破坏的可靠性计算程序，并进行算例计算。

算例中，对给定参数随机分布的管道进行不同水深时的可靠性计算。取管道径厚比D/t

服从对数正态分布，径厚比均值为32.5，方差为2.47；初始椭圆度服从对数正态分布，初始

缺陷均值为0.20％，方差为0.11％；屈服极限服从对数正态分布，屈服极限均值为448 MPa，方差为25.09MPa；轴向拉力服从对数正态分布，轴向力均值为O.443MN，方差为0.248MN。计算结果见表1。

表1 海底管道不同应用水深的安全可靠性计算结果

将表1中计算得到的结构可靠性指标和失效概率与可接受标准进行比较，判断结构是否

安全。由此，在海洋工程设计中，根据已知的基本物理量分布的统计数据，可计算出管道压

溃破坏的概率，然后选择合适的管道参数，以满足安全、可靠、经济的要求。

2、抗力参数敏感性分析。基于上述分析方法，对管道的初始椭圆度、轴向拉力、屈服

极限、径厚比分布参数进行敏感性分析，研究了参数分布对管道可靠度的影响。由其结果可知：在使用阶段，因受外荷载、腐蚀等因素的影响，海底管道的椭圆度及壁厚会发生一定程

度的变化，这两种变化对管道可靠度指标比较敏感，因而在工程设计中应予以考虑，并保留

足够的安全裕度；管道的轴向力会随着管道整体位置的移动而变化，材料的屈服极限会因制

造原因而有所差异，但管道的轴力及屈服极限在一定程度上发生变化，对管道的可靠性影响

较小，因此在工程设计中可不考虑。

五、结论

1、本文建立的安全裕度方程和可靠性分析方法，可有效地分析深水海底管道压溃破坏

的可靠性，从而为工程设计提供指导。

2、初始椭圆度缺陷对在役管道的可靠性有显著影响，因此在设计中需慎重考虑事故引

起的各种管道磕碰事故及其影响。

3、管道制造的壁厚精度对整个管线的承载能力和安全可靠性有很大影响。一些不合格

管段的运行或严重的整体腐蚀会带来极大的安全隐患，造成局部管段压溃和整个管线的屈曲

传播失效，因此需要特别注意海底管道安装及在役期间相关数据的检测。

参考文献：

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