管道与储罐强度-3海底管道-帅健

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。

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：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。

波浪理论的选择

•斯托克斯波

–二阶波

–三阶波

–四阶波

–五阶波

•椭圆余弦波

（Cnoidal）

•线性波（Airy）

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。

动水作用力

•海水对海底管线

的作用力：

–垂直力（升力）

–水平力

•速度力（阻力）

•惯性力

速度和加速度由波浪和海流复合作用引起。

有效速度Ue 可从下面的表达式 用1/7次幂定律来近似计算水平速度U 的分布形式

一般在海底以上1m 处的

自由流中计算U 0

根据上两式

阻力系数——由液流的雷诺数和管子表面的粗糙程度确定 雷诺数

粗糙度系数

对波致振荡流的阻力系数还和柯立根——卡

本特（Keulegan-Carpenter ）数K 有关

裸置于海底的管道设计动水系数推荐值

3-2 海底管道的稳定性与设计

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 • 摩擦力

作用力的计算

管道总重量

•钢管重量

•

内、外防腐绝缘层的重量

•混凝土防护加重层的重量 •介质的重量

浮力

摩擦力

海床上保持稳定的管道须满足的方程 即

令

•K V 、K H ——管道竖向和水平方向的稳定性系数，一般取K V =1.05—1.10； K H =1.10—1.15。

——负浮力

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——能力有限

–稳定压块 –埋设 –机械锚固

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

取二者之最大值

稳定压块的设计与计算

•

当稳定压块间隔地盖压在管道

稳定压块型式

•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。

稳定压块型式•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。

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。