倪玲英，耿光伟，刘秉德

(1.中国石油大学(华东)，石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 300270)



基于AutoPIPE的海底悬空管线挖沟埋设应力分析

倪玲英1，耿光伟1，刘秉德2

(1.中国石油大学(华东)，石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 300270)

基于AutoPIPE软件考虑管土作用机制，以施加密集V-stop模拟海床，并通过改变V-stop位置模拟挖沟过程，悬空管道在治理过程中的应力表明，一次挖沟成型与多次挖沟成型之后的管道应力相同，但多次挖沟成型过程中的应力峰值明显低于一次挖沟成型，而避免了悬空管道在挖沟过程中可能发生的屈服破坏；海底悬空管道挖沟埋设过程中随着挖沟深度和管道温差的增加，管道应力、屈服位移呈现增大趋势。

海底悬空管道；挖沟埋设；AutoPIPE；应力分析

为实现海洋油气等资源的多方配置，海底形成了规模庞大的网状集输管线系统。海流冲刷、海底不稳定、人工采砂等因素极易造成海底管线悬空现象难[1-3]。目前针对海底管道悬空通常采用砂袋覆盖结合混凝土连锁排、水下支撑桩等防护措施，但以上措施易致管道二次冲刷且不适合大范围应用。二次挖沟即在悬空管道底部挖沟使悬空段沉管触底进行埋设，其具有投资少、施工快等优点。国内外有关海底悬空管道二次挖沟治理的报道只有简单提到[4-5]，没有介绍挖沟时管道强度评估[6]。为此，考虑基于AutoPIPE软件，在文献[7-8]基础上进一步考虑管土作用机制，以及管道热膨胀因素，研究管道的应力分布特性，所采用的数值模拟方法完全仿真挖沟过程，精确反应挖沟各阶段的应力特点。

1 ASCE规范计算土体荷载

1)轴向土弹簧。作用到单位长度管道上的最大轴向土反力[9]为

(1)

2)水平横向土弹簧。作用到单位长度管道上的最大水平横向土反力[9]为

(2)

式中：Nch，Nqh为粘土载重量系数。

3)竖直方向土弹簧。竖直向下运动土反力为

(3)

竖直向上运动土反力为

(4)

式中：Nc、Nq、Nr、Ncv及Nqv为承载因子。

2 模型建立

对于埋地管道在土壤模型中可以认为埋地管道周围的土壤发生弹塑性变形，等效管道刚度，如图1a)所示管-土模型。管道周围的土壤通过不同方向的土弹簧分别模拟土压力，以及管道轴向摩擦力，如图1b)土弹簧模型，设置3个方向上的土弹簧模型。

图1 管-土作用计算模型

以渤海某海底悬空输油管道直径×壁厚=304.8 mm×12.7 mm为例，其相关参数见表1，钢材为API 5L X60(屈服强度δs为414 MPa)，管内操作内压为4 MPa。海床土壤参数见表2。

取230 m计算管线，2端分别添加Anchor点固定，然后分别从2端各取100 m管线设置为埋地状态，中间30 m长的管段处于悬空状态，不做任何设置。A00～A01,A02～A03为埋地管段，其中总共添加50个管节点；A01～A02为悬跨管段，其中添加15个管节点；A01、A02为坡肩。初始悬

空状态时管道受力分布云图见图2。

由图2可见，管段悬空状态下坡肩(A01,A02)处的受力最大，下倾过程直至悬空段中部，应力由小变大，管线整体应力分布呈对称特性。

3 挖沟模拟计算

3.1 一次挖沟治理

表1 海底管道参数

表2 海床土壤参数

图2 初始悬空状态下管道应力分布

对于运行状态下海底悬空管道不考虑波浪和海流的影响，挖沟过程中受到的载荷有自重、浮力、内压、热膨胀以及海床对管道的支撑作用。运用Auto PIPE软件模拟该悬空管道的一次挖沟成型，并分析该过程中管道应力分布变化情况。为了便于模拟挖沟过程，通过施加密布V-stop来模拟海床支撑。挖沟过程中移动V-stop位置改变悬跨长度，同时设置V-stop上部间隙(gap)为1 000 mm(表示上部无约束，可无限制的产生向上位移)。挖沟深度通过V-stop的下部间隙(down)距离设置来控制，比如,设置下部间隙为1 200 mm,则管道沉降至1 200 mm时触底。计算过程考虑管道温差与挖沟深度因素的影响。挖沟建模过程如图3所示。

图3 一次挖沟成型数值模拟

通过上述过程的模拟计算得到挖沟过程中管道竖直方向位移与最大等效应力，见表3、4。图4为海底悬空管道在挖沟后的弯曲示意图。

表3 挖沟过程中竖向位移

注：L-挖沟长度；L1-悬空段触底长度；L2-坡肩处平躺段屈曲部分的屈曲长度；hmax-最大屈曲高度；L3-屈曲最高点与坡肩的水平长度；fv-海底管道的竖向最大位移(管道触底之前为自由悬空的最大竖向位移，触底之后即为挖沟深度)。

表4 挖沟过程中最大等效应力

δ-挖沟深度(一次挖沟成型时即为初始悬空深度)图4 海底悬空管道在挖沟后的弯曲示意

从表1、2可见，整个挖沟过程中，在悬空段触底之前，平躺段屈曲部分中的hmax、L2、L3和悬空段最大竖向位移fv,以及管道的最大等效应力都是一直增大的，悬空段刚触底时达到最大值。悬空段触底后，fv保持不变，其值等于挖沟深度，而hmax、L2、L3和δm先减小，之后保持不变，如图5所示，其中，管道温差为20 ℃。

图5 海底悬空管道在挖沟过程中的位移、受力特性

其他条件不变时，管道触底之前，挖沟深度增大但最大等效应力几乎没有变化，触底之后，随着挖沟深度的增加，管道最大等效应力明显增大，如图6所示。当设置管道温差增加时，管道最大等效应力表现出线性增加趋势，如图7所示。

图6 触底长度变化曲线

图7 最大等效应力随管道温差的变化曲线

3.2 多次挖沟治理

按照一次挖沟时工况设置进行多次挖沟模拟，最大的区别在于V-stop下部间隙要设置多次来控制模拟挖沟深度。本文以二次挖沟过程为多次挖沟特例。同理，三次挖沟等多次挖沟都以相同的处理方式进行建模计算，见图8。

图8 多次挖沟成型数值模拟

按图8所示进行不同状态下的挖沟建模计算，得出该管道在整个挖沟过程中坡肩处最大等效应力的变化趋势。与一次挖沟成型进行对比，如图9所示。其中，管道温差为20 ℃，一次、二次和三次挖沟成型的每次挖沟深度为0.6、0.3、0.2 m。

由图9可见，一次挖沟成型中的管道应力在挖沟过程中会出现一个峰值，若高温运行或悬空深度较大时，其峰值更大，容易使管道发生屈服破坏。而多次挖沟成型在挖沟过程中能够明显降低该峰值，且最终挖沟成型的管道应力与一次挖沟时相同，却降低了悬空管道在挖沟治理过程中的风险。

图9 多次挖沟方式应力结果对比

4 结论

1)管道初始悬空状态下，坡肩处的应力最大，其次为悬空管段中部。

2)海底悬空管道的挖沟治理过程中，管道应力随挖沟深度或管道温差的增加而明显增大。

3)在任一挖沟长度下，最大等效应力出现在坡肩，一次挖沟成型的整个过程中，最大等效应力先增大后减小再保持不变，其峰值出现在悬空段刚接触底部海床时。

4)一次挖沟成型和多次挖沟成型的管道最终应力相同，但多次挖沟成型能明显降低一次挖沟成型中的应力峰值，从而避免了挖沟过程中管道可能发生的屈服破坏。

[1] 王利金,刘锦昆.埕岛油田海底管道冲刷悬空机理及对策[J].油气储运,2004,23(1):44-48.

[2] 董文乙.海底管线悬空段预防性管理[C].第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集,2011:425-433．

[3] 倪玲英,刘秉德,詹燕民，等.海底双层保温管的悬空数值模拟[J].船海工程,2014(6):154-156+160.

[4] 奉虎,王彦红,王靖.海底管道悬跨处理方法及其适用性分析[J].中国造船,2012(A02):74-81.

[5] 刘极莉,王佐强,刘楚．海底管道冲刷及自由悬跨处理方法评估[C].第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集,2011:375-378．

[6] 王召堂.南堡油田海底管道勘测及问题管段治理[J].力学与实践,2002,24(2):21-23.

[7] 熊海荣.海底管道后挖沟分析[A].中国造船工程学会近海工程学术委员会.2009年度海洋工程学术会议论文集(下册)[C].中国造船工程学会近海工程学术委员会:2009:6.

[8] 刘秉德,倪玲英,詹燕民，等.海底管道挖沟的数值模拟[J].管道技术与设备,2014(6):5-7.

[9] ASCE, Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe[S]. America: 2001.

Stress Analysis about Post-trenching of Submarine Suspended Pipelines Based on AutoPIPE

NI Ling-ying1, GENG Guang-wei1, LIU Bing-de2

(1.School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580, China;2.CNOOC Tianjin Pipeline Engineering Co., Ltd., Tianjin 300270, China)

The stress changes of submarine suspended pipeline in the governance process were calculated in AutoPIPE, exerting concentrated V-stop to simulate seabed, and simulate trenching by changing the V-stop position. The result indicate that first-trenching embedding has the same stress with post-trenching, but post-trenching treatment can obviously decrease the peak stress, avoiding damage to yield suspended pipeline that may occur in the process of trenching. The depth of pipe cover and temperature difference of submarine suspended pipeline will significantly increases pipe stress in the process of governance.

submarine suspended pipeline; post-trenching treatment; AutoPIPE; stress analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.042

2016-09-26

中海油(中国)有限公司项目(S12TJPWX015)

倪玲英(1964—)，女，博士，教授

研究方向：海洋油气工程

P754

A

1671-7953(2017)04-0182-05

修回日期：2016-10-28