管道与储罐强度-3海底管道详解
海洋管道结构强度设计
4.6屈曲
整体屈曲：管道像压杆一样屈曲，符合经典欧拉屈 曲方程。
整体屈曲的诱因：
拖网的撞击； 拉引和挂钩； 管道不直。
整体屈曲的形式：
侧向屈曲； 向下屈曲； 垂直屈曲。
4.6屈曲
侧向屈曲——管道暴露在平坦的海床上
4.7船舶抛锚和拖网
船舶抛锚可能对海底管道造成损伤，可根据 DNV-RP-F107规范对风险进行评估：
4.7船舶抛锚和拖网
破坏级别分类
4.7船舶抛锚和拖网
可根据DNV-RP-F111规范对拖网进行分析： 拖网分析基本数据要求 在计算力以及管道的影响之前，要确定关于预期的沿着
管道线路的拖网作业的基本参数，这些沿着管道线路的 参数包括（但不仅限于此）：
埋置管道的设计通常分成两个阶段：
预安装阶段：目的是预测费用和用石量； 安装阶段：目的是保证管道的完整性。
4.6屈曲
局部屈曲：表现为整体横截面的变形，大的累 积塑性应变可能会导致局部屈曲，应加以考虑。 管道的局部屈曲一般满足如下的标准：
在只有过度的外压情况下的系统压溃； 在只有过度的外压情况下的屈曲扩展； 联合载荷标准，例如，外压或者内压的相互作用、
起的屈曲； 3、局部屈曲扩张：由于管道局部屈曲或类似损伤后，
在外压作用下引起的。
4.6屈曲
整体屈曲：并不是失效模式，但是可能引起其他的 失效模式，如局部屈曲，断裂和疲劳。因此，整体 屈曲校核之后，应该对管道进行不同失效模式的校 核，称为管道完整性校核。
整体屈曲是对管道受有效轴向压力的响应，且降低 轴向承载能力。有发生整体屈曲倾向的管道可能是 受到高的轴向力或者是管道有低的屈曲能力。
海底管道强度分析与稳定性研究
海底管道强度分析与稳定性研究摘要：随着社会经济的不断发展，人类对能源的需求不断增大，海洋石油产业蓬勃发展。
海底管道作为海洋能源输送的重要方式，具有无可替代的重要作用，海底环境特殊且复杂，海底管道造价高昂和失事严重后果，海底管道一直是一个重要的研究方向。
关键字：海底管道；强度分析；稳定性；路由选择1.海底管道的介绍海底管道包括海洋油气田开发输送管道和进出口油气输送管道。
海洋油气田开发输送管道的特点是管道内输送的流体，其流速、流量、压力等变化范围大，包括油气田外输管道和油气田内部连接管道。
外输管道用于输送油气田初处理后的原油和天然气，一般较长。
进出口油气输送管道与油气田开发无关，是用来把商业油气通过海底油气管道输送到预定位置，大多用在油气的进出口输送工程中。
进出口油气输送管道的特点是：管道内输送的流体，其流速、流量、压力等变化范围小，流量大。
2.海底管道路由选择根据油气管道的用途和总体布局在海图上进行路由预选。
在路由预选时应根据尽可能得到的路由海区已有的自然环境资料、海洋开发活动及其规划资料、已建海底电缆管道资料等，综合考虑进行路由预选，在情况复杂的海域，可选择2-3个比较方案，待路由调查后确定。
对于有登陆的管道应进行登陆点现场踏勘，选择有利于管道登陆的区段作为登陆点。
路由勘察包括工程地球物理探测、工程地质取样和土工试验、海洋水文气象要素观测和推算、腐蚀环境参数测定。
3.海底管道的强度分析与设计海底油气管道强度分析与设计目前有两种法。
一是允许应力法，以DNV2013为代表的包括ASEM31.4和ASEM31.8在内的规范和作法。
二是极限状态法，以DNV OS F101和API -RP 1111规范和作法为代表。
采用允许应力法在世界范围内设计了众多的海底管道，现在仍然被工程设计单位应用，由于该方法比较成熟，国际上的工程公司和科研结构开发出大量的与之配套的计算机软件，并且这些软件已经商业化，容易购买和使用。
海洋管道介绍
管道作为五大运输方式之一，有着安全性高、连续性好、运输量大的优点，在 海洋油气的运输中得到了广泛的应用。发达国家的管道输送量已经接近80％。
海洋不同运输的效益
海洋管道工程的分布
美国墨西哥湾已经建成长达约37000km的海底管道，将 该海域3800多座大小平台和沿岸的油气处理设施连成一张四通八 达的海底管网,这些管道直径由51mm到1321mm之间,铺设在几 米到数百米深的海底。在欧洲的北海，由于许多大型天 然气田的发现和开发，使远距离输送并销售天然气至西欧 各国的海底管道建设发展迅速，现已建成上万公里的国际 输气管网。已经建成的海底管道约2000km，与国外差距较大。
已铺设总长（2000）
二、海底管道的特点
优点：
可以连续输送，受环境制约小，输油效率高，运油能力大；
海洋管道铺设工期短，投产快，管理方便，操作费用成本低。
缺点：
由于处于海底，检查与维修困难；
受潮流的影响较大，对于处于潮差或波浪碎带的管段（立管），可
能遭受海中漂浮物和船舶撞击或抛锚遭受破坏。
三、海底管道的分类
单壁管
单壁管一般都为用于长距离输送的单层保温钢管。
海洋管道的钢管一般为以下三种：
无缝钢管（S）、电阻焊直缝钢管（ERW）、直缝焊接钢管（UOE)
对于所用钢材的物理、化学等特性，都有规范参考，目前API为的管道材料规范被广 泛应用，下表为规范中一些海洋管道常用钢材的材料特性。
管道案例
• 坐落于挪威与英国之间的北海海域 • 世界上最长的海底管道 • 可供应全英国20%的天然气40年
Ormen Lange —— Langeled 天然气管道
A B
C
Ormen Lange 气田开采
第三章海底管道
机动性和运移性好，具有 适应深水采油的能力，在深水 域中较大的抗风浪能力、大产 量的油气水生产处理能力和大 的原油储存能力。
从左到右依次是导管架式平台，自升式平台，半潜式平台，钻井船，张力腿平台。
ห้องสมุดไป่ตู้
近海油轮码头
单点系泊 Single Point Mooring(SPM)
多点系泊 multipoint mooring
CM
D2 / 4
dv dt
需确定的参数有： CL ,CD ,CM
ve2
,
dv dt
CL ,CD ,CM
• 需要通过实验确定 • 问题：这些系数的大小与实验条件、选取的波浪
理论、管道位置、水深、管道表面粗糙度、雷诺 数、柯立根-卡本特数K等有关——实验数据分散 • 可采取经验的方法——根据雷诺数选取推荐值
• 施工质量要求高：维修困难 • 施工环境多变：海况变化剧烈、迅速 • 施工组织复杂：管道的预制，船队的配件、燃料
和淡水的供应等（海陆联合组织）
国内典型起重铺管船装备
蓝疆号 3800t
国内典型起重铺管船装备
华天龙 4000t
国内典型起重铺管船装备
海洋石油202号 我国首艘自主研制的起重铺管船 浅水1200t
• 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——增大浮力
– 稳定压块 – 埋设——尽可能埋置于海底面以下 – 机械锚固 ——遇有岩礁或坚硬土层，可利用
锚杆将管道与岩盘基础锚固在一起
稳定压块型式
铰链式稳定压块
• 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。
海底管道结构设计与稳定性分析
海底管道结构设计与稳定性分析随着海洋经济的不断发展和深入，海底管道的重要性不断凸显。
海底管道是指安装在海底的管道系统，主要使用于输送油气、深海采矿等领域。
其结构设计和稳定性分析是海底管道运营的关键，直接影响其安全性和可靠性，具有非常重要的意义。
一、海底管道结构设计海底管道结构设计是海底管道工程中的核心内容，主要包括管道材料选择、管径大小、壁厚、断面形状等各方面。
在设计过程中，需要充分考虑海洋环境因素，如海底地形、流体运动条件等，以保证管道在复杂海洋环境下的持续安全运行。
1.管道材料选择管道材料是影响海底管道结构设计的主要因素之一。
常见的管道材料有钢材、聚氨酯、复合材料等。
其中，钢材是传统的管道材料，具有良好的韧性和抗压性能，但是存在较大的腐蚀和疲劳问题。
聚氨酯材料具有轻质、耐腐蚀、维护简单等优势，但是其耐压性能较差，容易受到外力影响。
复合材料具有优异的力学性能和耐腐蚀特性，但是其制造成本较高，需要进行定制制造，因此使用较少。
2.管径大小管道的直径大小是影响其输送能力的重要因素。
一般来说，管径越大，输送能力也就越大。
但是，海底管道的设计需要根据实际需求和海洋环境因素进行综合考虑，避免管道直径过大或过小，影响其稳定性和经济性。
3.壁厚管道壁厚是影响其抗压性能和耐腐蚀性能的重要因素。
海水中的氯离子、海藻、贝壳等都会对管道产生腐蚀作用，因此需要使用耐腐蚀的材料，并且设置合适的壁厚，以确保管道的使用寿命。
4.断面形状断面形状是影响管道稳定性和流场分布的因素之一。
常见的管道形状有圆形、方形、D形等。
在海底管道结构设计中，需要根据海洋环境的特点和设计要求，选择合适的断面形状，以保证油气输送的安全稳定。
二、海底管道稳定性分析海底管道的稳定性分析是海底管道工程中的重要内容，主要包括静力学和动力学两个方面。
静力学分析主要针对管道自身重力和海水浮力作用下的稳定性问题，动力学分析则是在考虑海浪、洋流等外力作用下的管道动态响应，以保证管道的安全运行。
第四篇 第四章 海底管道
第四章海底管道第一节海底管道的设计要求和技术规范随着海上油田开采方式和技术的发展，海底管道已广泛应用于海上油田的开发。
正是钢制管道材料的大量使用，带动了各钢铁厂的发展，但恶劣的海上施工环境和激烈的国内外市场竞争，也对钢管的质量、规格、材质、价格、供货周期和配套的售后服务等，提出了越来越高的要求。
海上油田按油气集输外运方式可以划分为码头式、单点系泊式、登陆式等。
因此，就海底管道而言，主要有：海上油田内部的油／气集输管道和注水管道；海上油田到陆地（陆地处理厂、炼厂和储油装置）的输油／气管道；陆地到装卸油品的系泊装置间的海底管道及岛屿或与岸联结的海底管道等。
从结构上看可分为双重保温管道和单层管道。
从输送介质可分为海底输油管道、海底输气管道、海底油气混输管道和海底输水管道等。
海底管道的设计通常按照国际通用规范进行。
一般考虑的主要因素有：选用的设计条件、规范和规定，管道路由、海底状况、坐标及接口，管道设计寿命，操作数据及条件，管道尺寸，环境数据，钢管材料特性与外防腐和涂层等。
海底管道设计主要包括：管道尺寸和壁厚设计，工艺流程分析，管道稳定性计算，膨胀位移设计，铺设应力计算，弃管与回收计算，立管设计，管道自由跨度分析及管道防腐设计等。
一、海底管道的技术规范海底管道的铺设方法有浮游法、悬浮拖法、底拖法、离底拖法、铺管船法等，其中使用铺管船法铺设海底管道是最常用的铺管方式之一。
其主要优点表现在流水线作业效率高、管子变形及强度控制较好、适应较深水域、能弃管避风等。
目前国内拥有的第２代铺管船的主要原理是：依靠船的锚泊系统沿定位方向移船，利用滚轮传送系统和作业线形成运管、清洁除锈、对管、焊接、检验、接头防腐处理等流水作业，使用张紧器和托管架控制管道变形等。
据统计，我国近海用铺管船法铺设的海底管道约占铺管数量的97％以上。
通过上述数据可以看出，海底管道主要依靠铺管船铺设，工程所用管材必须满足设计和海上铺管的藏工要求才能使用。
海底管道工程讲座课件
海底管道工程的历史与发展
总结词
海底管道工程经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展历程，未来将向更长距离、更 大直径和更深水域发展。
资源利用
合理利用资源，减少浪费，采用可再 生和可回收材料，促进资源的可持续 利用。
社会参与
加强与当地社区和相关利益方的沟通 与合作，促进社会参与和共建，实现 管道工程的可持续发展。
06 海底管道工程案例分析
国内某海底管道工程案例
工程规模
全长100公里，直径40英寸， 投资额达5亿人民币。
施工难点
海底地形复杂，水深流急，需 要克服地震、台风等自然灾害 影响。
案例名称
中国南海某海底输油管道工程
建设背景
为满足南海地区石油开发和运 输需求，提高国家能源安全保 障能力。
解决方案
采用先进的地质勘测技术、深 海施工装备和环保材料，确保 工程质量和安全。
国际某海底管道工程案例
案例名称
中东某国海底输气管道工程
规划阶段
明确工程目标
在规划阶段，首先要明确海底 管道工程的目标，包括输送介
质、输送量、输送距离等。
现场勘察
对海底地形、地质、水深、流 速、潮汐等条件进行详细勘察 ，以便了解工程环境，评估施 工难度。
路由设计
根据勘察结果，设计合理的海 底管道路由，避开不良地质区 域和障碍物。
工程经济评估
对工程投资、施工周期、经济 效益等进行初步评估，确保工
管道及储罐强度设计
▲管道：管子、连接件、阀门等连接而成用于输送气液体和带固体颗粒流体的装置▲强度：金属材料在外力作用下，抵抗永久变形或断裂的能力▲地面敷设的优缺点优点：不影响土壤环境，且不受地下水位影响，检修方便发现和清除事故容易。
缺点：管道直接设置在空气中，对于非常温管增加冷热能量的损失，限制了通道的高度，不美观。
●失效机理：①材料：a.塑性失稳b.断裂c.疲劳d.应力腐蚀开裂e.氢致开裂f.裂纹的动态扩展。
②结构—丧失了稳定性 a.塑性失稳：由于变形引起的截面几何尺寸的改变而导致的丧失平衡的现象。
图 b.断裂：由于裂纹的不稳定扩展造成的。
产生原因：制造—焊缝，母材缺陷、夹渣、分层等；施工—机械损伤、表面划度、凹坑；运行—介质、腐蚀环境。
c.疲劳：材料在交变应力作用下的破坏。
原因：内压变化—间歇输送、正反输送、输气；外力变化—风载荷、海底管跨的涡激振动、公路下未加套管的管道d.应力腐蚀开裂：基本条件：局部环境；敏感元件；应力条件e.氢致开S-酸性环境，腐蚀产生氢侵入钢内而产生的裂纹。
f.裂纹的动态扩展：输气裂:H2管道特有的现象●管道的结构失稳:a 轴向载荷-轴向失稳b外压-径向失稳c弯曲-径向失稳d联合载荷-径向失稳。
●弹性敷设是利用管道在外力或自重作用下产生弹性弯曲变形来改变管道的走向或适应高程的变化。
●按工艺分，弯头可以分为预制弯管、冷弯弯管、热煨弯管●永久荷载：施加在管道上不变的，其变化与平均值相比可以忽略不计，其变化是单调的并且趋于限值的荷载。
●可变载荷：施加在管道结构上由人群、物料、交通工具引起的使用或占用荷载●偶然荷载：设计使用期内偶然出现或不出现其数值很大，可持续时间很短的荷载。
●环向应力是由管道输送介质的内压产生的。
●地下管道产生轴向应力的原因是温度变化和环向应力的泊松效应。
●管道热应力:在管道中由于温度变化产生的应力.●管道出现温度变化的主要原因:管道在敷设施工时的温度由外部气温决定，而在运行过程中则由输送产品的温度决定，两者之间必然存在差别，不可避免在管道运行过程中产生应力或伸缩变形。
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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；
R f N FI FD
即
WP BP FL FI FD
令
NBP WP BP KV FL
N BP
K H FI
FD
FL
N BP ——负浮力
• KV、KH——管道竖向和水平方向的稳定性系数， 一般取KV =1.05—1.10； KH =1.10—1.15。
2、保持海底管道的稳定性的措施
• 当稳定压块间隔地盖压在管道
KV lFL KV lC FL NBPl
Q02
K
H
l
FI
FD
FLl
KH lC
FI
FD
FLlC
N BP
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。
• 波浪的各种参数：波高、波长、波速、周期
波浪对管道的作用划分为三个区段
• 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。
• 速度力（阻力） • 惯性力
FL
1 2
C
L
DU
2 e
FD
1 2
C
D
DU
2 e
FI
Cm
D 2 / 4 dU
dt
速度和加速度由波浪和海流合成。
有效速度Ue可从下面的表达式
U
2 e
1 D
D
U 2 ydy
0
用1/7次幂定律来近似计算水平速度U的分布形式
根据上两式
17
U U0
y y0
一般在海底以上1m处的 自由流中计算U0
第三章 海底管道
• 海底管道是把海上油气田的整个油气集输与储运的组成部 分，也连接海上油气田与整个石油工业系统。
• 陆上油气管线与江河交叉处，可水下敷设。 • 海底管道的设计与陆地管道有很大的不同：
– 环境载荷 – 稳定性 – 工作于极端条件。
3-1 波浪、海流对管道的作用
• 波浪
– 水体在外力作用下水质点离开平衡位置作周期运动、水面呈周期 起伏并向一定方向传播的现象。
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
– 海水因受气象因素和热盐效应的作用在较长时间内大 体上沿一定路径的大规模流动。
– 海洋里有着许多海流，每条海流终年沿着比较固定的 路线流动。
• 近岸海流
– 以潮流和风海流为主，某些情况下，波浪破碎产生的 顺岸流和离岸流等也很显著。
• 海流的测量
– 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
• 波浪和海流等对管道产 生的作用力
• 动水作用力：
– 垂直力——升力 – 水平力
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。
• 措施
– 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
KV FL
Q01
K H
FI
FD
FL
N BP
取二者之最大值
稳定压块的设计与计算
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
WP WSP WSC WC W0
浮力
BP
4
D02 w
摩擦力
R f N
管道保持稳定的条件
WP BP FL N 0
U
2 e
0.778U
Байду номын сангаас
2 0
D / y0
0.286
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
Re
UeD
粗糙度系数
e k
D'
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
K UeT D
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