西非深水海底管道沉降分析范文

本站小編為你精心準備了西非深水海底管道沉降分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《海洋工程雜志》2016年第一期

摘要:

基于西非深海安哥拉32區塊KAOMBO油田實際工程，對海底管道沉降進行了理論分析和數值計算，考慮了極淺層土力學參數的不確定性，認為土體不排水抗剪強度對管道沉降的影響不可忽視，隨著土體強度的增加，管道沉降量呈指數衰減，當土體強度達到2．0kPa時，管道沉降量趨于一致。同時考慮了管道安裝過程中縱橫向擺動對管道沉降的影響，引入了動力系數，考慮管道觸泥點處應力集中產生的附加沉降，荷載集中系數隨管道彎曲剛度和土壤剛度增加而增加，隨鋪設張力的增加而減小，并區分“輕”“重”管道進行了沉降分析，結果與幾內亞灣和安哥拉海域實際工程和現場實際觀測數據相符。

關鍵詞:

海底管道;重塑土強度;土壤敏感系數;鋪設動力放大系數;附加沉降

近年來，隨著越來越多的油氣資源在水深超過500m的深水區獲得發現，西非深海石油開發面臨前所未有的大好前景。海底油氣管道作為深海油氣田開發生產系統的主要組成部分，其在位穩定性尤其是高溫高壓管道的整體穩定一直是研究的熱點，分析管道的穩定性，管道的沉降量是一個重要參數［1-4］。20世紀80年代以來，許多國內外科研機構深入研究了海底管道的沉降問題，得到了一些的研究成果。Karel［2］根據塑性理論提出了極限分析方法，在自重作用下，裸置于海底的管道會在土體中產生自沉，自沉的深度跟管重及土體性質有著密切關系;Brennodden等［3］以試驗為基礎，提出了以能量耗散為基礎的管土相互作用模型，認為在往復荷載的作用下，管道所產生的沉降來自于管道振動所產生的能量;劉潤等［4］對半埋管道進行靜置沉降試驗和往復荷載作用下管道水平向阻力及沉降試驗，給出了土體水平向阻力的表達式。對于管道沉降量而言，還有許多需要研究內容，如土體本構模型的正確選取，施工鋪設影響，土體與管道之間接觸面影響的問題，土體在載荷作用下的應力發展，孔隙水壓力對管道沉降的影響，以及土體進入塑性狀態時的破壞分析等。因此，本文基于西非安哥拉32區塊實際工程，尋求與實際檢測沉降結果相符的沉降量分析方法，為管道穩定性設計提供依據。

1工程背景

基于西非海域安哥拉32區塊KAOMBO油田進行分析，該油田區塊所在海域水深1500～2200m。海底管道系統分為南北兩部分。其中，生產管道(外徑323．9mm)采用“J”型鋪管方式，不埋設，輸送氣液兩相流。由于管道所在海床表面極淺層的土體特性在很大程度上決定了裸置管道的運動響應，為了考慮極淺層土體參數不確定性對管道沉降量帶來的影響，計算中考慮了土體強度的上、中、下限值。該海域海底覆蓋著不排水強度較低且高塑限高含水率的軟黏土［5］，土體參數如表1所示。在管道鋪設施工過程中，通常會導致表層黏土擾動，管道沉降計算通常采用全部或者部分重塑土強度，而重塑土的強度根據西非海域工程設計經驗，采用未擾動土強度/土壤敏感系數(St)。由于該管道輸送氣液兩相流，管道分為兩部分，氣相上升至地勢較高的管道部分時管道的自重較小(為326N/m)稱為輕管部分;液相下降至地勢較低的管道部分時管道的自重則較大(為763N/m)稱為重管。考慮到管內輸送的氣液兩相流導致管道自重發生變化這一實際情況，故管道沉降分析時需研究管道在不同重量下沉降特性。此外，管道外徑和鋪設過程中的擺動也是影響管道入泥深度的重要因素。故在管道沉降研究時著重分析土體強度、管道重量、管道直徑和管道鋪設四個參數對管道沉降量的影響。

2計算模型

在計算管道的沉降量時既要考慮管道自重引起的沉降又要考慮安裝過程中管道橫向和縱向位移產生的附加沉降，計算模型簡化如圖1所示。其中，D為海底管道外徑;z為管道沉降量;B為管土接觸面泥面處寬度;θ為貫入角。由于該海域土體強度隨深度變化十分劇烈，土體的上限強度、中值強度和下限強度差異較大，如圖2所示，且土體強度隨深度分布異于天然狀態下土體強度隨深度的分布，故在計算中考慮土體強度隨深度的變化情況，以還原工程真實狀態。

3管道自沉計算

3．1自沉理論計算方法要計算管道沉降量，首先確定海底管道基礎極限承載力，計算在安裝過程中管道自重下產生沉降引起的土體靜摩阻力可以采用以下公式，土體剪切強度分別取重塑土的上下限值。計算采用極限分析法，是采用理想彈塑性體(或剛塑性體)本構模型，分析管道在受載狀態下的靜力、變形、邊界及本構條件達到平衡的一種方法———上限定理和下限定理。應用上限定理計算極限承載力上限，包括四種機動法:轉動機動場、平動機動場(兩種)和普朗特爾機動場［7］。

3．2數值分析有限元數值模擬海底管道沉降分析時，采用ABAQUS建立海底管道有限元模型，土體采用摩爾-庫倫模型，如圖3所示。采用上述理論計算方法和有限元數值模擬分別對海底管道沉降量進行了敏感性參數研究，并將理論計算結果與數值計算結果進行對比，得到了基于西非海域的管道沉降規律。

3．2．1管道直徑對沉降的影響采用控制變量法研究管道直徑對沉降的影響時，管道直徑為變量(變量步長取50mm)，最小外徑200mm，最大外徑550mm，管道水下單位長度重量Psub和土體強度為常量。管道內部無液體，即Psub為單位長度空管水下重量。由于土體強度有上限、中值和下限三種強度，分別計算三種不同土體強度下管道直徑對沉降的影響。采用數值方法和四個理論公式對海底管道在相同管重Psub和土體強度條件下的沉降量進行計算，并將計算結果進行對比，如圖4所示。由圖4可知:1)三種不排水剪強度土體模型中，海底管道在相同水下重量作用下，沉降量均隨著管徑的增加而減小，這是因為隨著管徑的增大作用于管道上的平均重量逐漸減小，以及相同埋深z時管土作用面積也會增大。2)在三種土體強度模型中，四種理論計算結果均體現出了一致的規律性，即普朗特爾計算結果較大、轉動機動場法次之，平動機動場法最小，這主要與理論假設和土體破壞面的假定有關。3)數值計算結果位于理論計算結果之下，且與兩者存在一定誤差，這是由于數值模型中土體不排水剪強度隨深度分布不均勻，而理論模型中假定土體為均一強度，兩者存在差異造成的。另一方面四種理論計算方法均為上限法，故其計算結果大于真實解和有限元解。

3．2．2管道重量對沉降的影響研究管道重量對沉降的影響，管道重量Psub為變量(變量步長取50N/m)，管徑和土體強度為常量，計算時Psub的變化范圍為500～850N/m。與上述分析過程類似，分別計算三種不同土體強度下管道的沉降量，結果如圖5所示。由圖5可知:1)在三種土體強度模型中，管道沉降量均隨著管重的增加而增大;2)四種理論計算結果均體現出了一致的規律性;3)數值計算結果位于理論計算結果(上限值)之下，進一步驗證了理論解的可靠性。

3．2．3土體強度對沉降的影響研究土體強度對沉降的影響時，土體強度為變量(變量步長取0．125kPa)，管道重量Psub和管道尺寸為常量。土體不排水剪強度變化范圍為0．5～2．0kPa。分別計算不同土體強度下管道沉降，結果如圖6所示。由圖6可知，土體強度對管道沉降的影響不可忽視，四種理論計算結果均表明，隨著土體強度的增加管道沉降量呈指數衰減。當土體強度達到2kPa時，四種理論解計算結果趨于一致。

4鋪管引起的管道附加沉降

4．1附加沉降理論分析海底管道施工安裝過程中，由于船舶的垂向和橫向運動會使管道產生動力效應，管道觸泥點處由于應力集中，導致管道產生附加沉降，故引入鋪設動力放大系數。根據NGI在2012年的重塑土模型實驗表明［5］，垂向位移較小的海底管道海床土體垂向剛度大概等于Su的100～200倍。然而在管道沉降的情況下，土體垂向剛度變小，故采用平均土體垂向剛度。根據地質勘察報告可以得到管道垂向荷載－沉降位移曲線如圖7所示，海底管道海床土體垂向剛度取垂向荷載下管道沉降曲線切線剛度值。通常來說，在海底管道鋪設階段管道內的殘余拉力T0是很難確定的。為得到放大系數Klay，引入歸一化參量EIk/(W＇R)2，與管道浮重、管道半徑和彎曲應變率相關，其中彎曲應變率根據工程經驗和材料屬性一般取0．2%，歸一化參量EIk/(W＇R)2與Klay之間的關系曲線如圖8所示。

4．2數值分析鋪管過程中管道的擺動會對土體產生擾動，由于深海表層土體強度較低靈敏度系數較大，故該擾動會造成劇烈的土體強度變化，進而對管道沉降產生影響。由于該工程管道鋪設時為空管安裝，且管道自重較輕(W'/D=1．78kN/m/m)，故計算鋪管引起的沉降時，放大系數Klay取2，采用土體的重塑強度計算，有限元分析結果如表2所示。

5管道最終沉降量選取

根據計算分析結果并借鑒NGI室內實驗成果，結合現場調查資料，對管道沉降量的取值推薦如下:1)根據式(1)取未擾動不排水抗剪強度進行充水管道(如水壓試驗)沉降計算，若其計算值大于安裝過程中的管道附加沉降值，那么沉降量取該數值。2)根據式(1)取重塑土壤強度計算管道自身重量引起的沉降，若小于安裝過程中管道的附加沉降，則采用海底管道安裝動力影響系數下的計算沉降量。3)對于“超輕”管道，須考慮水平循環運動導致的管道附加沉降，水平循環模型試驗結果［9］顯示，即使循環次數較少(少于10次)，也將會產生20%～30%D的附加沉降。4)根據現場調查，充水安裝管道的平均沉降量接近50%D，18區塊生產管道沉降量30%～75%D［10］，如圖9所示，注氣管道平均沉降量50%D，趨勢隨著靠近凹陷盆地的中心，埋深增加。結合幾內亞灣其他現場實際觀測數據，幾內亞灣和安哥拉海域，海底管道的最終沉降量一般大于25%管道直徑，而小于管道自身直徑。另外，影響管道沉降的因素很多，諸如海洋環境作用、鋪管施工方式等，故影響管道沉降量的多種因素還需要進一步探討。

6結語

基于西非安哥拉32區塊KAOMBO項目實例，采用理論分析、數值模擬的方法，并引用部分室內實驗成果，分析了管道直徑、管重和土體強度以及鋪管對管道沉降量的影響，研究結果表明:1)考慮極淺層土力學參數選取的不確定性影響，管道直徑和管重對沉降量的影響較大，管道沉降量與管徑成反比，與管重成正比，數值計算結果均位于理論計算上限解之下，且兩者體現出了較好的一致性;土體強度對管道沉降量的影響不可忽視，隨著土體強度的增加，管道沉降量呈指數衰減，當土體強度達到2．0kPa時，四種理論計算結果趨于一致。2)考慮了管道安裝過程中縱橫向擺動對管道沉降的影響，引入了動力系數，考慮觸泥點處應力集中產生的附加沉降，荷載集中系數隨管道彎曲剛度和土壤剛度增加而增加，隨鋪設張力的增加而減小，并區分“輕”“重”管道進行了沉降分析，結果與幾內亞灣和安哥拉海域實際工程和現場實際觀測數據一致。3)結合幾內亞灣和安哥拉海域工程項目，對海底管道最終沉降量的選取進行了分析，通常管道沉降量介于0．25D～1．0D之間。4)影響海底管道沉降的因素多種多樣，如海洋環境、土壤條件、鋪設作業條件等，數值分析法作為計算分析工具之一，僅作為設計估算的參考依據，在實際工程中如條件許可，應采用實際測量的沉降數據。

作者：張宗峰 單位：天津大學 建筑工程學院 中石化石油工程設計有限公司