海底管道整体屈曲的枕木-浮力耦合法研究

刘 润, 李青欣, 李成凤, 郝心童

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072)

海底管道是深海油气资源开采与输送中不可或缺的组成部分, 出于成本及技术难度考虑, 深海油气输送管道一般直接铺设在海床上。不埋管道所受水平向土抗力较小, 在高温高压作用下, 会发生水平向整体屈曲, 如果不加以控制, 会严重威胁管道的安全运营。但是, 如果管道水平向整体屈曲的幅值较小时, 整体屈曲不但不会对管道系统安全构成威胁, 而且有助于释放管道内的轴向应力。因此, 在海底管道系统的设计中, 通常会选择管道路由上环境条件较好的区域, 设置整体屈曲触发装置, 诱导管道在预设管段发生人为可控的整体屈曲[1]。目前工程中采用的人工触发方法包括蛇形铺管法、分布浮力法和枕木法[2]。其中枕木法是指在管道路由的特定位置设置枕木或管垫, 使管道在枕木或管垫的位置形成竖直向缺陷和悬跨段, 激发管道在温压联合作用下发生竖直向并随即转化为水平向的整体屈曲[3]。枕木法已在多个工程项目中得到成功应用[4-5]。在Sinclair 等[2]给出的九条采用枕木法触发管道整体屈曲的工程实测数据中, 八条管道成功在预设位置被触发产生水平向整体屈曲, 表明枕木法触发管道整体屈曲的可靠度较高。

自2001 年以来, 国内外一些学者采用理论分析、有限元模拟或模型试验等方法对单枕木法进行了研究。2014 年, 施若苇[6]推导了触发管道水平向屈曲所需枕木高度的解析解, 并对枕木法触发管道水平向屈曲进行了数值模拟, 研究表明海床侧向刚度对枕木高度的取值有很大影响。……