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1、浅析海底管道的挖沟设计方法浅析海底管道的挖沟设计方法主要内容主要内容一引言二设计方法概述三初始条件过滤四设计参数五冲击负荷六拖曳负荷七钩负荷八接受标准九定量风险评估一结论一、引言一、引言 海底管道的挖沟和埋设，是为增加在位坐底稳定性，同时在渔业拖网等活动下提供保护。渔业活动对于未做挖沟埋设处理的海底管道的影响等还是相当显著。目前，渔业活动（拖网载荷）对海底管道的影响，国内、外都还没有强制规范进行约定，只是在如API RP 1111、ASME B 31.8、DNV-OS-F101等国际规范中有部分建议。传统上，人们在界定管道能够承受拖网载荷能力时，唯一根据是管径，即人们熟知的16”法则：管径不小
2、于16”的海底管道能够承受拖网载荷，故无需进行挖沟保护。随着海上油气开发逐步向深海推进，高温高压油藏条件，使更多小管径海底管道逐步得以应用，故有考虑对小管径管道进行挖沟保护研究的必要。二、设计方法概述二、设计方法概述（一）、适用范围刚性钢质海底管道未粘合的柔性管道和捎带捆绑式管道二、设计方法概述二、设计方法概述（二）、方法第一步是建立关于管道、环境和拖网的模型。评估拖曳力与时间的关系，及其产生的管道弯曲评估冲击能量、在管道上产生的凹痕评估由于拖网钩住时产生的载荷和弯曲后果三个级别的评估监控 二、设计方法概述二、设计方法概述总的设计方法示意图频率确定失效频率生命周期成本评估整个生命周期包含的成本
3、风险分析结果确定的结果失效标准建立何种界限状况已经被超越钩挂工程模型确定因钩挂荷载产生的变形管道变形工程模型确定因热膨胀和拖网荷载引起的变形撞击工程模型确定因拖网撞击产生的缺陷荷载工程模型确定作用在管道上的拖网荷载直接分析结果是/否判定确认不需要进一步分析的工况整个生命周期中渔业活动监控拖网类型、速度和频率输入数据（管道、操作、环境、拖网尺寸）三、初始条件过滤三、初始条件过滤（一）、通过如满足如下条件时，刚性管道也许可以不需要挖沟处理：1满足：管道带有混泥土配重层或者管道有保温层（当采用普通拖网捕时，要求保温层厚度大于20mm，例如，其冲击的能量不超过14kN；当采用梁拖捕鱼法时，则要求保温层
4、不小于45mm，例如，其冲击能量不超过38kN。）或者管道类型为管中管系统、或者采用集束内管的方式三、初始条件过滤三、初始条件过滤2 满足：管径不小于16”名义管径或者管径在10”-14”之间，所处区域的管道没有悬跨，该区域也不会采用梁拖捕鱼法3 管道的操作温度不超过40柔性管和所有其他的刚性管的工况需要进一步评估。（二）、不通过 对于无铠装柔性管、2-3”的捎带捆绑式管道，不大可能满足决定性分析的接受标准。对于此类型管道，仍然可采用风险分析方法。四、设计参数四、设计参数（一）、总体钢管参数管道运行策略环境条件和海床地形渔业活动成本（二）、钢管参数钢管直径壁厚腐蚀裕量材料屈服强度材料的韧性涂层
5、类型涂层厚度涂层材料特性管道长度管道走向 四、设计参数四、设计参数（三）环境因素土壤特性管道自埋的历史数据管道冲刷的历史数据海床地貌特征（四）、渔业活动渔具质量分布渔具速度分布渔业活动的密集度拖网的方向分布变向拖曳能力和绞车载荷限制/刹车设定值管道所处海域内，预期渔业活动发展和实际四、设计参数四、设计参数（五）管道营运策略管道调查要求，例如，调查类型和频率智能清管预期的补救措施，例如，悬跨处理修补策略（六）、成本数据工程和项目管理材料建造和调试活动（管道铺设、挖沟、抛石等检测和调查（在营运中）悬跨修正应急维修不同输送介质溢油清理和赔偿五、冲击载荷五、冲击载荷冲击能量：产生凹痕的能量是指被管壁吸
6、收并产生变形的那部分能量，方法如下：保守假定凹痕能量为50%的总冲击能量，求得其产生的凹痕尺寸，检查是否满足接受标准 如果上述方法无法通过，则按下列步骤进行：如果有已知试验结果，则与其相比较；对带涂层的钢管进行冲击试验；通过详细的模拟试验确定凹痕能量。得到凹痕深度：21)(21212222221)(getoweIvumumE五、冲击载荷五、冲击载荷得到凹痕深度：模拟模型示意图 梁单元给出的管道和土壤总体响应刚性物体（拖网质量+附加质量，同样的初始拖网速度）涂层的弹性刚度管壁的弹性刚度32)25(tEDdymi六、拖曳载荷六、拖曳载荷可以通过有限元软件建立拖网拖曳模型，模拟拖网运动及其在管道上方
7、拖曳过程中产生的拖曳力，从而得到拖曳力时间关系。端部约束侧向屈曲多次跨越应变结果2.52.01.51.00.5025.020.015.010.05.00.0-5.0时间（）力（拖曳力-时间关系图1730拖网以4节速度经过8输送管道七、钩载荷七、钩载荷当拖网被钩在管道上时，产生的反作用力会使渔船有“暂停”的现象，被称为拖网阻碍，即钩载荷。拖网阻碍的载荷：管道被网板钩住后的运动示意图 wvwwsnaglMAEvF/拖网捕鱼板运动方向拖缆捕鱼网板约束点管道最大变形为1/2网板长八、接受标准八、接受标准（一）、凹痕冲击载荷管道内压为常压时，管壁上的凹痕应不超过：4%当D/t 182%当18 D/t 3
8、0八、接受标准八、接受标准（二）、拖曳载荷和侧向屈曲时，其应变应满足 其中，是弯曲应变，是临界弯曲应变，P是外部超压，Pc是导致静水力压溃的特征压力：13.1nxcxcbcbFFPPbbctDfPPPPPPycycec022113212DtEPeDtPyy2yttDFxcDtn3001八、接受标准八、接受标准（三）钩载荷管道承受侧向屈曲和钩载荷时，其应变应满足 无需考虑在同一点有多次钩负荷产生的情况 1nxcxcbcbFFPP九、定量风险评估九、定量风险评估在进行确定性分析时，考虑最恶劣的参数组合工况。当分析表明拖网活动对管道造成的损坏可能会持续不断，则可以运用风险分析技术来确定该损坏的概率，并确定管道在生命周期的维护成本。如果风险分析结果表明拖网对管道的损坏的风险足够低，而且后续的维护成本比挖沟成本要低的情况下，则可能为管道不挖沟提供支持。十、结十、结 论论 海底管道挖沟设计只是管道整体安全性中的一环。目前针对海底管道挖沟与否的设计，还基本都是基于以往成功的工程经验。但随着海上油气开发逐步开发利用，仅限于以往的经验已经不能满足实际的工程要求，需要进行定量分析。本文所述的海底管道挖沟设计定量分析方法，目前还只是处在初步的概念和探索阶段，需要进行大量细致的收集、分析和研究工作，以逐步实现管道挖沟保护设计的数字化、系统化和规范化，从而为管道安全提供更为可靠的保障。
