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。海底油气管道强度分析与设计方法的发展趋势是极限状态法，允许应力法随着时间的推移将会被极限状态法所代替。但目前在海底油气管道强度计算的某些领域，诸如地震作用下的强度计算等还没有成熟的极限状态法计算公式。
允许应力法的基本准则是：σ≤ησf
式中：σ=在荷载作用下产生管道产生的应力，η=使用因子（0.5–0.96），σf=钢管的屈服强度
以DNV2013规范为例，σ基本的公式如下：
（1）环向应力公式：σ=(pi-pe)D/2t
（2）相当应力公式：σ=(σx2+σy2–σxσy+3τxy2)1/2
（3）施工应力公式σ=((N/A+0.85M/W)2+σy2–(N/A+0.85M/W)σy)1/2
式中：pi=内压，pe=外压，D= 管道公称外径，t=管道公称壁厚，σx=管道的轴向应力，σy=管道的环向应力，τxy=管道的剪切应力，N=轴力，A=钢管的截面积，M=弯矩，W=钢管的截面模量
极限状态法（也称荷载—抗力系数法）是2000年以后才开始得到初步的应用，由于该方法的理论是基于可靠度理论上的，在理论体系上比允许应力法复杂，目前虽然已经设计了一些海底油气管道，但在具体分析方法和设计中，国际上各工程设计单位也不尽相同，目前也没有与之配套的商业化计算机软件。随着该方法越来越多的应用，采用极限状态法会逐步成熟起来。
4.海底管道的稳定性问题
海底油气管道的稳定性是指海底油气管道铺设到海床上或者进行挖沟埋设后，在海流、波浪、土壤、重力和浮力等作用下，保持长期的稳定性。不包括由于海床本身在海流、波浪和地震等作用下，发生的海床冲刷和淤积塌陷、断裂和移动等不稳定造成的海底油气管道的稳定性问题。海床本身的稳定性也是海底油气管道工程的重要课题，但并不属于海底油气管道在海床上的稳定性范围内。
管道在海床上的稳定性分析方法有三种：静态分析方法、动态分析方法和半动态分析方法。
（一）静态分析方法
海底管道稳定性的静态分析方法是一种传统的分析方法，即对管道在自身重力（W）、波浪和海流产生的升力（FL）、阻力（FD）、惯性力（FI）以及土的摩擦力作用下的静态平衡进行分析的方法。
（二）动态分析方法
波浪作为周期性荷载的作用下，在海床上发生往复运动。管道的这种运动对海床土壤产生扰动，而这种扰动使海床土壤的抗力大大降低，管道就在这种海床上逐步下沉。当管道下沉到一定程度后，波浪—管道—土壤的相互作用达到一种新的平衡。在这种动态分析中，水动力是时间的函数，管道下沉和土壤阻力也是时间的函数。
（三）半动态分析方法
海底管道稳定性的半动态分析是将动态分析中次要的因素忽略，采用静态分析公式的形式，它用较短的计算时间即可获得精确的结果。目前，国际上流行2种方法：一种是以挪威船级社(DNV) 的推荐作法《海底管道在海床上的稳定性设计》为基础的分析方法；另一种是按照美国天然气协会开发的稳定性计算机程序（AGA On-bottom stability analysis ofsubmarine pipeline）进行的分析方法。DNV的方法是将实验得到的各种数据和数值模拟得到的数据制成图表，来表示波浪、管道和土壤之间的相互作用关系，利用这些图表确定相关参数，把这些参数代入静态分析公式，计算出管道的稳定性。
静态分析方法的不足之处是波浪—管道—土壤的联合作用分析不够，仅仅用一个简单的摩擦因数来描述管—土相互作用，显然是不够精确的。动态分析方法要求以完整的海况过程为条件，即使用计算机计算也要耗时也较长。DNV的方法与美国天然气协会方法虽然不同，但是，得到的结果比较接近。在大多数场合下，DNV的方法比美国天然气协会方法略为保守些。用美国天然气协会半动态计算机程序进行管道的稳定性分析，每种工况大约需要2分钟，比动态分析大大地节省了时间。
5.海底管道施工
海底管道投资规模大、工期长，施工方法的选择尤为重要，好的施工方法能够控制成本、保证进度和降低风险。施工方法的选择需要综合评价，需要从技术、投资和工期等因素综合考虑。海底管道主要铺设方法有：拖管法（浮拖法、近底拖法、底拖法）、铺管船铺设法（S型铺管法、J型铺管法和卷管式铺管法）、围堰法。
参考文献
[1]《DNV-OS-F101》.
[2]《海底电缆管道路由勘察规范》（GB17502—2009）.
[3]《输油管道工程设计规范》（GB 50253—2014）.
论文作者:鞠波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/19
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