波浪作用下海底管道在位稳定性分析

（） ｂ 特殊位置
图２管道的在位稳定性判据 （ 砂海床 ） 中
３ 基于Ｆ 一 ｒ 玩经验关系的管道在位稳定性分析方法 ｂ
上述分析表明， 海底管道的在位稳定性与管道水下重量、 环境荷载和海床特性等因素有着直接 关系。海底管道在位稳定性设计的主要目 的是使管道水下重量满足稳定性要求。也就是说， 如果给 定管道的内 （ 径 与油气产量等因素有关 ） 钢管的壁厚 （ 、 与管道设计强度等有关 ） 和钢管外敷防腐涂 层厚度， 则需要确定外层混凝土厚度， 使管道满足在位稳定性要求。
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图 ４各种波浪理论适用范围
根据给出 设计水深己、 期Ｔ 波高Ｈ， 求出ＨＩ ２ Ｉ ２ 查图４ 的 周 和 可 Ｔ Ｔ ， 和ｄ 选择合 波浪 适的 理
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（ 一般位置 ａ ）
管道在位失稳。 量纲分析理论和系统的试验研究表明， 管道失稳时的临界 Ｆ ｕｅ （ｒ 与管道重 ｒ ｄ数 Ｆ ） ｏ ｂ 量无量纲参数 Ｇ之间大致呈线性关系‘１ 如图 １ ｂ ５， ， ６ 所示。值得注意的是， Ｃ Ｋ 数变化范围为 ０ ２０ 一０ 在管道两端自由和防止滚动两种约束条件下， 。与 Ｇ有不同的线性关系。Ｆ Ｆ ｂ 。和Ｇ分别为 ｂ
２ ４ ６一一一一一一一一一一一一二 翌 ａ ｍ ２ 描述波浪作用下管道在位失稳的Ｆ 一 ｂ ｒ Ｇ 关系 ｂ
．
． … 术文 …学论
波浪作用下海底管道失稳是 ‘ 波浪一 管道一 海床’之间的动力祸合作用问题。在匀速增长的振荡 流水动力载荷作用下，海底管道失稳一般经历四个阶段，即完全稳定、砂粒起动、 道轻微晃动和 管
４ 卷增刊 ５
２０ 年 １ 月 ０４ ０
中 国 造 船
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文章编号： ０－８２（０４ ０－２５９ １ ０４８ ２０ ） ３０４－ ０
波浪作用下海底管道在位稳定性分析＊
试验结果为基础的。 Ｄ Ｖ规范中， 在 ｎ 管道所受波浪力与所受土体阻力是分开计算的。土体对管道阻 力的计算采用机械加载试验得到的 ‘ 土’ 管一 相互作用模型［０‘ 土’ ３ 管一 相互作用模型虽然较库仑摩 １ 擦理论有较大改进， 但由于该模型只注重了管道与土体之间的动力作用而忽略了波浪对海床的作用， 因此不能全面反映波浪、管道和海床三者之间的祸合作用。近期开展的 Ｕ型水槽模型试验发现， 管 道周围海床冲蚀是 ‘ 波浪一 管道一 海床’ 藕合作用的最直观体现‘，。可见， ４６ ，１ ５ 机械加载的潜在缺点使 目 前的规范仍需进一步改进。
论以计算水质点运动速度。 其中， ｔ ｅ波浪理论是 Ｓ ｋｓ １４ 年提出来的， Ｓ ｋｓ ｏ ｔ ｅ在 ８７ ｏ 其一阶波理论就是 Ａ 线性波浪理论。 ｔ ｅ 高阶波理论考虑了自 水面引起的非线性影响，即自 表面的 ｉ ｙ ｒ Ｓ ｋｓ ｏ 由 由 运动条件 和动力条件是非线性的。按照 Ｓ ｋｓ ｔ ｅ 二阶波浪理论，波浪引起的距离水表面ｚ ｏ 位置的水质点运动水
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海洋波浪的变化形式极其复杂。 对天然海面的观测可知， 海面上各点的水面变化呈现着随时间
４ ５卷 增 刊
高福平 顾小芸 吴应湘： 波浪作用下海底管道在位稳定性分析
和地点而变化的一个随机过程。但在平稳海区， 海面的波动可看作是由无限多个具有不同振幅、频 率、相位和传播方向的简单余弦波叠加而成。描述某一特定海域的随机波浪荷载主要有特征波法和 波浪谱法。但当前针对我国各海区建立的波浪谱还为数极少， 工程中仍广泛采用特征波法。在不同
３１波浪环境条件 ．
如果给定海域的环境荷载以波浪力为主， 则以接近海底处垂直于管道的波浪引起的水质点水平 运动速度为设计条件。 给定水深ｄ、 波浪周期Ｔ和设计波高Ｈ ， 利用合适的波浪理论可求出海底水
质 运 速 ｍ 一 选取 离 底０ 倍 径 点 动 度Ｕ 。 般 距 海 ． 管 位置的 质 速 作为 值。 ５ 水 点 度 设计
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式 甲 ， 口 ＝— ， 人 刀 数 致 ｌ式 ＝— ） 波长Ｌ与周期Ｔ在有限水深条件下具有如下色散关系： ， Ｌ Ｔ
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水深传播的具有不同波高、 周期和波长的波浪应采用相应的波浪理论加以描述。目 前所采用的波浪
理论有Ａｒ波浪理论 （ ｉ ｙ 线形波浪理论）Ｓｋｓ 、 ｔｅ二阶波浪理论、 ｔｅ三阶波浪理论、 余弦波理 ｏ Ｓｋ ｏ， 椭圆 论和孤立波理论等。图４ 为不同 波浪理论的应用范围， 图中１ Ｆ（ ＝． ４ ｍ ｔ 英尺） ３ ８ ００ ｏ
４ 卷 增刊 ｓ
高 平顾 芸 吴 湘： 浪 用 海 管 ｆ， 定 分 福 小 应 波 作 下 底 道 稳 性 析 ｔ
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计算Ｆ， ｒ ，
按不同位置确定管 道稳定性判别准则
修正判别准则
一般位置 查图２ （ ａ ）
特殊位置 查图２ （ ｂ ）
查得无量纲管重Ｇ ｂ
计算管道水下重量Ｗ ｓ
不接 检管的对化 可受 查 径 相 变
可接受 算出混凝上层厚度
安全系数
给出混凝上厚度设计值
图３基于Ｆ 一 ｒ 炕经验关系 管道在位 性分析框图 ｈ 的 稳定
高福平 顾小芸 吴应湘
（ 中国科学院力学研究所 ）
摘
要
墓于Ｇ ｅ ｌ２ ２ ２ ３ ａ （０； ） 的 述 浪 用 海 管 在 失 ａ ｔ ０ ０ 得到 描 波 作 下 底 道 位 稳的Ｆ － 系 本 提出 种 ｏ ． ０ ｒ Ｇ关 ， 文 一 ｂ ｂ
改进的海底管道在位稳定性分析方法， 并给出算例。与ＤＶ ｎ 管道稳定性设计方法不同， 本分析方法考虑了 “ 波浪一 管道一 砂质海床”之间的动力祸合作用。 关 健 词： 海底管道： 在位稳定性； 分析方法； 波浪载荷； 砂质海床
图 １管道在不同 端部约束条件和海床特性下的在位稳定性
对于长距离铺设的管道，其不同位置的安全度要求是不同的。在关键位置附近，如安装阀门连 接件的位置、 管道交叉处和管道与立管交叉处等， 一般要求在管道安装就位后和运营期间不允许产
生 位移； 管道的 位置， 允 而在 一般 可以 许管道 有一定的 位移［１ 横向 ［ 。 １ ， ２
基于Ｇｏ ｌ ； 通过水动力加载实验得到的 ｔ ０２２０） ａｅａ（ ０ ０３ ２ 描述管道在位稳定性的 “ 管一 相 波一 土”
互作用 Ｆ 一Ｇ关系‘１ 本文将提出一种有别于传统 Ｄ Ｖ设计规范的管道稳定性分析方法。 ｒ ５， ， ６ ｎ
．中国科学院 “ ＋五”知识创新工程项目 （ＪＸ－ＷＬ３ ＫＣ２Ｓ－０）和教育部留学回国人员科研启动基金 （０４ 资助 ２０）
本 基 “ 一 一 ” 互 用Ｆ 一 验 波 管 土 相 作 ｒ 几经 关系， 出 种 道 位 定 分 方 ． 具 文 于 ｂ 提 一 管 在 稳 性 析 法。 其
体分析框图如图３ 所示。
２８ ４
中
国
造
船
学术论文
己知：管道内径Ｄ，钢管 ｉ 壁厚ｔ 、防腐涂层厚度ｔ ， ｓ ｔ ｃ ｃ
已知：设计水深ｄ ， 波浪周期Ｔ 、波高Ｈ
１ 前
言
海底管道作为输送油气的有效工具， 其稳定性是保证海上油气田正常运营的关键。海底管道稳 定性设计的主要目的是， 选择合适的海底线路、管道材料、管道尺寸，以及管道加工安装和维护方 法， 使管道在运营期间能够抵御可能遇到的波浪、 海流等恶劣环境荷载， 并使投资费用最低。当海 底管道铺设于较大波高的浅水海域时， 波浪力将视为影响海底管道稳定性的主要环境载荷。在波浪 作用下， 海底管道稳定性与管道重量、 环境荷载和海底土层阻力等多种因素相关。如果海床地基土 所提供的阻力不能足以平衡波浪力， 管道会从原位滑出而发生在位失稳现象。为防止管道失稳， 必 须提高管道的水下重量， 或者采取锚固、 压块等固 定措施， 或者在海床上 开设沟槽进行埋设。以上 措施均会增加投资量。管道水下重量的提高一般是通过增加管道的混凝土覆盖层的厚度实现的， 然 而过大的管道重量又会对铺管设施和方法提出更高的要求。 可见， 合理的海底管道在位稳定性分析 对海底管道设计和铺设施工方法的选择具有重要意义。 目 前国内外普遍采用的挪威船级社推荐的Ｄ Ｖ Ｅ０ 管道稳定性设计规范’１ 是以机械加载 ｎ Ｒ ３５ Ｐ １， ． ２
已 砂层浮 丫、 知： 容重 粒径
级配曲线、相对密度Ｄ ｒ
钢材密度ｐ、防腐涂层密度 ｓ ｔ ｃ Ｐ、内 介质 度ｐ 混 ・ 部 密 ｉ 凝 ， 土密度Ｐ 海水密度ｐ ｝ 、 ，
计算ｄＴ、ＨＴ ／Ｚ ／Ｚ
‘ 查图４ ，选择合适的波浪理论
给出一试算
管道外径Ｄ ＇
计算海底水质点水平运动速度Ｕ ｍ
修正管道外径Ｄ ＇
在特殊位置处， 水平铺设的管道在不受端部约束下须保证侧向稳定性，因此可以用水动力藕合 试验中两端自由的管道失稳临界线来估算对稳定性要求高的特殊位置处管道的稳定性。防止管道滚 动约束下得到的管道临界失稳线则可考虑用来估算管道一般位置的稳定性 （ 见图 ２ 。图中给出的 ） 是中砂海床的试验结果。对不同海床而言，需结合土性参数对管道稳定性判别准则进行修正。
反映了波浪、管道和砂质海床三者之间的祸合作用，在物理机制上更明晰。
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