维普资讯 http://www.cqvip.com ・３８・ 刘英宝，等海底管道设计壁厚和计算壁厚的选取 ２００３年８月 文章编号：１００１—４５００（２００３）０４－－００３８—０３ 海底管道设计壁厚和计算壁厚的选取 刘英宝 ，王德禹 ，冯春健 （１．上海交通大学上海２０００３０；２．胜利油田有限公司设计院东营２５７０２６） 摘要：根据最新ＤＮＶ２０００海底管道设计规范和有关文献・对在海底油气管道的设计中关 于设计壁厚以及计算壁厚的选取问题做了探讨和研究．并提出了一些建议。 关键词：海底管道；设计壁厚；计算壁厚 中图分类号：Ｐ７５６ 文献标识码：Ａ １肓可言 目前在我国胜利油田埕岛海区，已经建设各类海洋平台３ｏ多座，其中有两座大型的中心平台，海 底各类输送管道（包括输油，注水，输气等介质）１００ｋｍ，已形成了年产２００万吨的海上大油田，为胜利油 田的可持续发展作出了很大的贡献。 海上工程风险高，施工技术要求苛刻，投资巨大，其中海底管道的投资占了很大的比重。海底管道设 计中一项重要的内容就是管径和壁厚的选定问题．海底管道的外径主要是根据工艺流量和压力，结合经 济和安全两方面因素确定，材质主要考虑强度大小以及制造工艺的优劣和价格因素。壁厚是管径以外最 重要的参数，在设计海底输送油气管道的壁厚过程中，应考虑多方面的因素。以管径为２１９ｍｍ单壁管 道为例，壁厚增加ｌｍｍ，每公里管道的重量就要大约增加５．１ ｔ，此外还关系到海底管道安装方法的选 择，以及经济投资的决策。经济合理的壁厚数据，反映了海底管道工程的设计、制造以及安装水平。 目前，我国的海底管道设计者主要依据ＤＮＶ１９８１版海底管道设计规范，等同使用，还有ＣＣＳ １９９２ 版《海底管道设计规范》。在以上规范规定中，对于设计壁厚和计算壁厚的规定很少，且很笼统。技术人 员在工程设计中都是根据经验选取，存在很大的随意性。在ＤＮＶ２ＯＯＯ版中，基于概率极限设计方法，对 于管道的壁厚选取有较明确的规定，这样设计者可以有章可循。 本文主要针对海底管道的壁厚设计问题做些技术探讨。 ２海底管道的设计壁厚 由于海底管道特殊的工作环境，应严格要求管壁不出现泄漏，尤其是输送油气介质的管道，管壁一 旦泄漏，会造成大面积的海洋环境污染，且维修困难。规范规定，管道应定期（比如１年）进行在线检测， 其中包括沿线冲刷、管内外壁的腐蚀及焊缝缺陷等。由于目前还没有足够的技术力量，还很难做到定期 检验，所以提高管壁厚度，增加安全裕度很有必要．胜利油田正在着手研究海底管道的水下检测技术。 根据施工和设计的经验，对于中小管径的管道，和海水的相对密度相比，在空管的状态下，在１．Ｏ～ ２．０之间为宜，如果相对密度超过２．０，会给管道铺设造成困难，如果小于１．０，施工时，应采取一些稳管 措施，比如管内冲水。在运行和维修期间，不得将管内排空，这样给生产管理带来很多弊端。 对于存在偶然荷载、落体和其它外部荷载作用的海底管道，并且没有相应的安全措施，当管径等于 或超过２１９ｍｍ，安全区划分为高危险区并且所在区域为２区时，管道的壁厚应不小于１２ｍｍ。 ３海底管道的计算壁厚 （１）计算抵抗压爆的能力，主要是管道内外的压力，包括外部静水压力和管内流体的压力。 收稿日期：２００２—０９—１５ 作者简介：刘英宝（１９７２一），男，在职博士生，从事海洋工程结构动力学研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１８卷第４期 中国海洋平台 ・３９・ 比如管子在工厂内进行静水压试验，检验管子本身会不会出现渗漏和渗水现象；海底管道投产前， 做管段或者整条管道的水压试验，检验整个管路是否严密不漏。此种情况的计算壁厚采用 ￡ｌ—ｔ— ｂ 对于操作期的计算壁厚：差；￡。。 为管子的腐蚀裕量。 ｔ 一ｔ—ｔ 一￡～ 式中：ｔ为管子的设计壁厚，即公称壁厚（不考虑腐蚀裕量）；￡。为管子的计算壁厚；￡ 为管子的制造误 （２）计算管道抵抗压力之外荷载的能力，比如拖曳力，管道的弯曲等时；在计算起吊、铺管船铺管或 者海上拖管等施工应力分析时，计算壁厚取：其它的情况取ｔ。一ｔ ｔ。一ｔ—ｔｆａｂ。 （３）在计算管道的水下重量，校核海底在位稳定性时，一般宜减掉腐蚀裕量，计算壁厚： ￡ｌ：＝＝ｔ—ｔｃｏｒｒ ｏ ４算例 以胜利埕岛油田的一条典型的管径为２１９ｍｍ海底输油管道为例，该管道所在海区属于浅海，水深 约１０ｍ，连接两座卫星平台，长度为ｌｋｍ左右，设计寿命１５年，环境荷载按照５０年重现期选取。 由于输油管道需要保温，所以选用常规的双层管保温结构，内管 ２１９Ｘ１２，外管 ３２５Ｘ１２，材质选 用ＡＰＩ ５Ｉ Ｘ５２等级。这样内管还会受到外管和泡沫夹克材料的保护．避免了直接和海底土壤接触，且管 道埋设到泥面以下１．５ｍ，安全性很好。 考虑到管段运输、管道铺设以及海底稳定性等因素，Ｄ／ｔ的数值分别为１８．２５（内管）与２７．０８（外 管），是合适的。 该双层管道的相对密度为１．８５，管道的在位稳定性较好，且易于铺设。对于内管：ｔ一１２ｍｍ，ｔ。。 一 ３ｍｍ（注：只考虑管道的内腐蚀裕量），ｔｆ｜ ：１２．５％￡。 对于外管：ｔ一１２ｍｍ，ｔ。。 一０，ｔｆ｜ｂ一１２．５％￡。 （１）管道的环向应力计算壁厚 操作工况ｔｌ—ｔ一￡ｆ｜ｂ—ｔ。。 、再启动工况ｔｌ—ｔ—ｔｆ｜ｂ和试压工况ｔｌ—ｔ—ｔｆ｜ｂ结果列于下表： （２）在计算管道由于温度、土壤压力和地震引起的纵向应力时，计算壁厚取为ｔ。＝ｔ—ｔ ，对于内、 外管均为１０．５ｍｍ。 （３）在校核管道的屈曲和压溃时，计算壁厚取为ｔ。一ｔ—ｔｆａ 一￡～，内、外管的数值分别为７．５ｍｍ 和１０．５ｍｍ。 （４）在计算起吊和海上拖管等施工应力分析时，计算壁厚取为ｔ。一ｔ，内外管的数值均为１２ｍｍ。 （５）校核管道的水下重量时，计算壁厚取为ｔ。一ｔ—ｔ 。 ，内、外管的数值分别为９ｍｍ和１２ｒａｍ。 （６）在厂内静水压试验和投产前的水压试验，计算所需要的压力时，计算壁厚取为ｔ。一ｔ—ｔ ，对 于内、外管均为１０．５ｍｍ。 ５ 结语 由于海底管道属于薄壁壳体结构，在管道的计算和研究方面，壁厚的选取至关重要，同样它对于工 程投资也有很大的影响。本文主要针对海底管道壁厚的设计和选取问题做了些探讨和研究，可供海底管 道设计者参考和商榷。 选定设计壁厚时，应综合考虑设计、制造、焊接、安装以及管道在位操作和维护等多方面的因素，力 维普资讯 http://www.cqvip.com ・４０・ 刘英宝，等海底管道设计壁厚和计算壁厚的选取 ２００３年８月 求经济合理，安装方便。在选取计算壁厚时，应按照概率极限状态设计的原则，保证一定安全裕度和可靠 性，对设计壁厚做出合理的调整，然后进行校核计算。作者建议，在我国新海底管道规范的编制中，应增 加计算壁厚的相关内容，使设计和研究者在工作中做到有章可循，力求统一，避免盲目性。 参考文献 Ｅ１］ 中华人民共和国石油天然气行业标准ＳＹ／Ｔ４８０４－－９２海底管道系统规范Ｅｓ］．１９９２． Ｅ２］ＤＮＶ．Ｒｕｌｅｓ ｆｏｒ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｓ］．１９８１．． ［３］ＤＮＶ．Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＯＳ－－Ｆ１０１ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｓ］．２０００． Ｔｈｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｌｌ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｌｉｕ Ｙｉｎｇ—ｂａｏ，Ｗａｎｇ Ｄｅ—ｙｕ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ—ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００３０，Ｃｈｉｎａ） Ｆｅｎｇ Ｃｈｕｎ ｉ Ｊａｎ （Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ，２５７０２６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ＯＳ—Ｆ１０１ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＤｎＶ ｒｅｃｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐａｐｅｒｓ，Ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｅｉ— ｔｈｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ Ｒｕｌｅｓ ｏｒ ｂｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓ— ｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ａｕｔｈｏｒｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋ 到２００６年全球近海管道建设达５４０亿美元 预计在２００２￣２００６年的未来５年内全球将新建５０，０００ｋｍ的海上油气管道。较前５年增长４４ ，需要投资５３６亿美 元。其中３个区域主导着海上管道市场，几乎占预测管道里程的６０％和投资的５０％以上。西北欧居主导地位，预计投资 为１１４亿美元；亚太位居第二，为９５亿美元；美国墨西哥湾８２亿美元，位居第三。 在２００２￣２００６年的未来５年内，将新建控制管缆１３，５６０ｋｍ，较１９９７￣２００１年间增长７０％。未来５年内控制管缆建 设的总投资预计为２９亿美元，几乎为１９９７￣２００１年间的两倍。西北欧在控制管缆市场仍保持首位，估计投资超过１２亿 美元，较前５年增长８０％；美国墨西哥湾位居第二，预测投资增长１６％；亚太约为ｌ１ 。 在挠性管市场，预计２００２￣２００６年间新建２３００ｋｍ，较前５年增长１１％，总投资为５４亿美元。其中巴西是挠性管的 最主要的地区市场，占全球总份额的６０％；西北欧位居第二。１９９７￣２００６年按区域划分的全球近海管道市场见表。 按区域划分的全球近海管道市场（亿美元） （资料来源：１．ＢＵＤＤＹ ＩＶＥＳ，ＧＬＯＢＡＬ ＯＦＦＳＨＯＲＥ ＰＩＰＥＬＩＮＧ，ＰＩＰＥＬＩＮＥ ＡＮＤ ＧＡＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．１，ＮＯ． ７，０ＣＴ．２００２；２．ＤＯＮ ＬＹＬＥ，ＯＦＦＳＨＯＲＥ ＰＩＰＥＬＩＮＥＳ ＲＥＡＣＨ ＦＯＲ￥５４ ＢＩＬＬＩＯＮ，ＨＡＲＴ’Ｓ Ｅ８ＬＩ），ＮＯＶＥＭＢＥＲ ２００２主勇译编）