CN109522509B - 一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法。该判别方法包括悬空管道调查、管道动水作用力计算、管道受力分析、计算管道最大允许悬空长度和管道失稳判别等步骤。该判别方法结合现场监测资料，可对近海浅水区海底管道稳定性状态进行判别，当现场实测悬空长度大于该方法计算值时，应及时对管道进行加固处理。

Description

一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法

技术领域

本发明涉及海底管道防护技术领域，特别涉及一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法。

背景技术

海底管道的铺设方法包括直接铺置和埋置(含深埋和浅埋)。但由于海床表面的凹凸不平，海床土的液化和坍塌及管道附近水动力等因素，无论采取何种铺设方法，海底管道都可能出现局部悬空现象。发生悬跨的管道可能会在波流水动力作用下出现静力破坏。这种非设计性悬空产生的非设计性荷载给海底管道安全运行带来严重隐患。自管道悬空问题开始研究以来，管道的悬空长度备受研究人员和管道技术人员的关注。

现有技术中，关于海底管道悬空长度的计算多采用弯矩修正法，管道所受波浪力的计算主要基于线性波浪理论。由于我国海上石油开采起步较晚，目前大多数油田都建在近海海域，大量的研究结果表明，在深水区采用线性波浪理论(波高H和波长L存在以下关系，即),计算误差一般在允许范围内，但对于浅水区，会引起较大的误差，因此我国在管道的建设及运行阶段需要充分考虑浅水区波浪的特点。同时，研究人员在对海底悬空管道进行受力分析时，将管道视为两端固定的简支梁结构，这与实际情况存在较大差异。

发明内容

本发明的目的是提供一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法，包括以下步骤：

1)对待评价裸置悬空管道所在海域进行水文地质条件调查。

2)对待评价裸置悬空管道的悬空长度l实际和悬空高度进行调查。

3)计算裸置悬空管道的动水作用力。其中，裸置管道所受的水平力F_H如式(1)所示，垂直力F_V如式(2)所示。

式中，ρ_w为海水密度，kg/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²；H为波高，m。R为管道的平均半径，m；d为静水深度，m；tanh(·)为双曲正切函数；sech(·)为双曲正割函数；x为水平方向变量，m；t为时间，s；C_M为惯性力系数；C_D为阻力系数；C_L为升力系数；其中，C_M、C_D和C_L通过悬空高度和水文地质条件得出。

4)对待评价裸置悬空管道进行受力分析。

5)利用静力法计算裸置悬空管道最大允许悬空长度计算表达式如式(3)所示。

式中，[σ]为材料许用应力，MPa。R₁为管道内半径，m。R₂为管道外半径，m。q为集中荷载kN/m。

6)对比l_实际与l_max的数值，对待评价裸置管道的稳定性进行判别。

进一步，步骤3)中，裸置管道所受的水平力F_H和垂直力F_V根据Morision方程和孤立波假设条件获得。

进一步，步骤5)从管道最大静的弯曲应力不超过材料许用应力[σ]的角度出发进行管道失稳判别。

进一步，步骤6)之后，当l_实际≥l_max时，还具有对管道进行加固处理的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.结合现场监测资料，可对近海浅水区海底裸置悬空管道的稳定状态进行判别；

B.可对近海浅水区海底悬空管道的最大允许长度进行计算，结合现场检测资料，可对管道进行加固处理，有效防止管道事故。

附图说明

图1为判别方法流程图；

图2为裸置悬空管道受力状态示意图；

图3为管道整体受力分析示意图；

图4为管道悬空段受力分析示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法，包括以下步骤：

1)对待评价裸置悬空管道所在海域进行水文地质条件调查。

2)对待评价裸置悬空管道的悬空长度l实际和悬空高度进行调查。

3)计算裸置悬空管道的动水作用力。

不考虑尾流效应的影响，根据Morision方程，裸置管道所受的水平力F_H和垂直力F_V分别为：

式中，ρ_w为海水密度，R为管道的平均半径，C_M为惯性力系数；

为管道中心位置处的波动水质点的水平加速度，C_D为阻力系数。

式中，

为管道中心位置处的波动水质点的垂直加速度，C_L为升力系数。

由于浅水区的波浪，其水质点的竖向分速通常很小，因此v可以忽略不计。则式(2)表示为：

考虑浅水区波浪的特点，基于孤立波的假设条件，给出波浪场内任意一水质点的水平分速u为：

则近海浅水区裸置管道悬空段所受波浪力为：

式中，ρ_w为海水密度，kg/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²；H为波高，m；R为管道的平均半径，m；d为静水深度，m；tanh(·)为双曲正切函数。sech(·)为双曲正割函数。x为水平方向变量，m；t为时间，s；C_M为惯性力系数；C_D为阻力系数；C_L为升力系数；其中，C_M、C_D和C_L通过悬空高度和水文地质条件得出。

4)对待评价裸置悬空管道进行受力分析。管道的实际受力状态如图1所示。图中，A点为管道接触起始点，B点为管道悬空起始点，C点为管道悬空终点，D点为管道悬空段中点。参见图2，基于材料力学理论，对待评价裸置悬空管道进行受力分析。

5)本实施例利用静力法计算管道的允许悬跨长度，从管道最大静的弯曲应力不超过材料许用应力的角度出发。将计算得到的弯曲应力与材料的许用应力进行比较，得到管道的允许悬跨长度。

根据平衡方程∑M_A＝0，则：

式中，M_A为A点的弯矩；M_B为B点的弯矩；q为集中荷载，由单位长度管道上的动水作用力，水下管道单位长度的重量F_P(包括相关配件及输送介质的重量和浮力)等外力进行矢量合成,即

L_P为管道AB段的投影长度；F_B为支点B的反力。

式中，l为管道悬跨长度。

将公式(8)带入公式(7)，则：

由于A点的旋转角为0，则：

此外，由于管道AB段和BC段在B点的旋转角相等，因此：

式中，M_C为C点的弯矩；E为管道弹性模量，MPa；I为管道截面惯性矩。

由于M_B＝M_C，则上式可化简为：

根据式(9)、(10)和(12)，可得：

由于管道悬空段的中点最易损坏，因为，需要计算D点的弯矩，对管道悬空段进行受力分析，如图3所示。根据平衡方程∑Y＝0:

则：

V_D＝0 (15)

式中，V_D为D点的剪力。

根据平衡方程∑M_D＝0:

式中，M_D为D点的弯矩。

则：

根据材料力学理论，管道D点截面上的最大弯曲应力σ_maxD为：

式中，W_z为D点截面的惯性矩，

根据公式(17)和(18)，则：

管道最大静的弯曲应力不超过材料许用应力[σ]的角度，即：

σ_maxD≤[σ] (20)

根据公式(19)和(20)，得到近海浅水区海底管道最大允许悬跨长度计算表达式：

式中，R₁为管道内半径，m；R₂为管道外半径，m。

6)对比l_实际与l_max的数值，对待评价裸置管道的稳定性进行判别。当l_实际≥l_max管道容易发生失稳，需对管道进行加固处理。当l_实际<l_max管道暂时稳定，尚不需要对管道进行加固处理。

Claims (3)

1.一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对待评价裸置悬空管道所在海域进行水文地质条件调查；

2)对待评价裸置悬空管道的实际悬空长度l和悬空高度进行调查；

3)计算裸置悬空管道的动水作用力；其中，根据Morision方程，裸置管道所受的水平力F_H和垂直力F_V分别为：

式中，ρ_w为海水密度，R为管道的平均半径，C_M为惯性力系数；

为管道中心位置处的波动水质点的水平加速度，C_D为阻力系数；

式中，

为管道中心位置处的波动水质点的垂直加速度，C_L为升力系数；

由于浅水区的波浪，其水质点的竖向分速通常很小，因此v可以忽略不计；则式(2)表示为：

考虑浅水区波浪的特点，基于孤立波的假设条件，给出波浪场内任意一水质点的水平分速u为：

则近海浅水区裸置管道悬空段所受波浪力为：

式中，ρ_w为海水密度，kg/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²；H为波高，m；R为管道的平均半径，m；d为静水深度，m；tanh(·)为双曲正切函数；sech(·)为双曲正割函数；x为水平方向变量，m；t为时间，s；C_M为惯性力系数；C_D为阻力系数；C_L为升力系数；其中，C_M、C_D和C_L通过悬空高度和水文地质条件得出；

4)对待评价裸置悬空管道进行受力分析；

5)利用静力法计算裸置悬空管道最大允许悬空长度计算表达式如式(7)所示；

式中，[σ]为材料许用应力，MPa；R₁为管道内半径，m；R₂为管道外半径，m；q为集中荷载kN/m；

6)对比l_实际与l_max的数值，对待评价裸置管道的稳定性进行判别。

2.根据权利要求1所述的一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法，其特征在于：步骤5)从管道最大静的弯曲应力不超过材料许用应力[σ]的角度出发进行管道失稳判别。

3.根据权利要求1所述的一种近海浅水区裸置悬空管道稳定性判别方法，其特征在于：步骤6)之后，当l_实际≥l_max时，还具有对管道进行加固处理的相关步骤。

Images