SY/T 10007-1996 海底管道稳定性设计 SY/T10007-1996 标准下载解压密码：www.bzxz.net

中华人民共和国海洋石油天然气行业标准SY/T 10007--1996
海底管道稳定性设计
On-Bottom Stability Design of Submarine Pipeline1996-08-19发布
中国海洋石油总公司
1996-08-19实施
符号表
第丨章
第2章
第3章
第1章
第5章
第6章
附录A
附录 B
设计条件
设计方法·
设计准则
分析方法
参考文献
边界层折减系数的近似计辩方法算倒
为适应我国开发海洋油气资源的需要，我公司等同采用挪崴船级社的“海底管道稳定性设计》1988年版，即DnVRPE305On--BottomStabilityDesignof SubnarinePipeline1988.作为中国海洋石油总公司企业推荐标雄发布。
对本标准的译文如有异议，以所来用标准原文为在海洋石油、天然气开发工租设计、建造和使用中涉及原标准所在国政府或其他主管当局的法令、法规和规定时，一律按中华人民共和国政府或改府主管部门颁布的相应法令、法规和规定执行。原标准中关于风、浪、流、冰、温度、地震等环境条件数据或定量计算方法，凡切合我国实际的均可参照使用；否则，应使用符合我国环境条作实际的数据和定量计算方法。关于计景单位，以法定计录单位为主，即法定计量单位值在前，其后将英制单位的相应值标在括号内。为不改变原标准中的公式、曲线的形状特征，常数和系数，凡使用英制单位的，仍沿用英制单位，中国海洋石油总公司
中国海洋君油标准化技术委员会1993.11.15
C—常数
D——管子公称外径
弹性模量
一柑对土重(砂土)
符号表
K-Keulegan Carpenter 数,K-U.· Tr./D1.一，管子重量参数
流速与波速比，M=Ua/Us
R一由波浪的方向性及散布性而引用的折减系数
S—剪切强度参数
T—时间参数,7=T,/T,
水质点速度的轨迹半径
As有效加速度
Cn——阻力系数
C —~升力系数
Cu—-惯性力系数
包括防腐涂层的钢管外径
D-管了内径
钢管外径
惯性力
荷载系数(或校准系数译者注）
有效波高
等效的砂土粗糙参数
S.—安全系数
波谱(长峰海浪）
近底水平速度谱
一粘十不排水剪切强度
持续时间
参数，T,=Rd/g)
海面波谱的谱峰周期
T—平均上跨岑线周期
系数）
垂直于管子的流速
·垂直」管子的有效流递
垂直于管子的有效流速（不包括折减*
摩擦速度
在管于直径 D上的平均速度
参考的稳态流速
意态流速
管子水下重量
设计重量
l—-水深
平均粒径
水下重量修正系数
重力加速度
灵——波数
me、ma—谱矩
散布指数
钢管壁厚
海床以上标高
海底粗糙度参数
·表观粗糙度
海底以上参考高度
-Philliis 常数
3——围绕主波向的次波向
一成比例的横向位移
E，——上程应变和义应变
(.0)-—散函数
Jonswan波谱的峰度参数
vonkarmati数
小壤摩擦系数
角频率
谱峰角频率
P一混凝土涂层密度
防腐涂层密度
P:—-管内介质密度
——砂土密度
P—饭材密度
pa——水密度
—谱宽参数
8——主波向相位角
0-一与管线垂直的方问
Q/HS 7016—93
第 1章 前言
本推作法概括了在海底管道稳定性设计中应考志的基本间题，本推荐作法的主要日的在于：使最先进的管道稳定性资料能髂有效地应用于海底管道设计，二,建文这样一个框架以便在取得更多资料时能够进-步改进稳定性设计方法。本作法主要以SINTFF完成的管线稳定性研究课题PIPESTAB(1983一1987)的成果为依据，该研究课题得到了EssoNorgeA/s和Sta-1oil 的赞助,见参考资料[2]-[8!。其它研究成果同样可以用于管道在海底的稳定性分析。因此.使川者可结合其它研究成果及数据对现行推荐作法进行修订，以扩人其使用范围。本船级社所推荐的设计方法适用于在其使用存命内或者在采取其亡稳定性措施（如挖沟，埋设或白埋之前这段期间海底管道在海床上的稳定性分析，管道的稳定性与臂道的水下重量，环境荷载以及管道与上壤间的阻力有直接的关系，由此可见，稳定性设计的日的就是确认管道水下重量是否能够满足稳定性原则。
第2章设计条件
Z.1基础条件
2.1.1在进行海底管道在海底的稳定性设计时，应考虑以下基础条件：一环境条件：
一海底地质条件，
一海底地貌条件(坡度、岩石出露、凹陷)：——测深(水深)
一管子数据（直径、壁厚、混凝土涂层）；管道的约束位置（立管连接处，交叉处等等）。2.2重现期
2.2.1稳定性设计应采用给定的、接近海底且垂直作用于管道的环境条件的重现期。通常应同时考虑由波浪引起的接近海底的水质点速度及接近海底的流速.2.2.2如果可以得到足够的波浪和海流联合分布概率资料，则波浪及稳态海流的组合应采用100年的重现期，否则，对十运行条件，建议采用如下重现期：如果以波浪力为主,则
波浪：以100年重现期的接近海底处垂直下管道的波浪诱导水质点速度为条件；海流：重现期为10年。
如果海流力为主，则
波浪：重现期为10年：
海流：重现期为100年。
2.2.3对于临时情况，重现期应按如下规定选取：作业期小于3天：可以根据可靠的天气预报建立用以确定环境荷载的环境参数。作业期超过3关：（1)对人类无危害，可采用相应季节的1年重现期的参数；(2)危及人类生存，环境参数应按相应季节的100年重现期来确定。但是，相应季节不应小于2个月。2.3环境紊件
2.3.1应在管道沿线的若十位置对以下环境条件进行评价：——波浪；
一游流。
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充分确定环境参数所需要位置的数目，取决于管道长度、水深变化、海底十壤和气象等茶件。2.3.2可通过测量、后报模型或目测得到相关地区的充足的数据，并在此基础上建立稳定性设计中所使币的环境参数。如果在特定地区缺乏充分的数据，测可通过其它相邻地区的相应数据进行合理的保守估算。
2.3.3应使用公认的统计分析法来描述环境条件的随机性。通常，海况用有效波高H：.谱峰周期T和相应的重现期来定义。
2.3.4所获取的波浪资料可以是带方向性的H。及Tp的联合分布概率，也可以是无方向生的有效波高设计值及其相应的估算周期。其形式取决于在所讨论的特定区域内所获取有效数据的数量及质。在第三章提出的设计方法，可以输入不同相位角的波浪数据：2.3.5谱峰周期T，根据风区、水深范围以及海况持续时问来懒定。对下谱峰周期，如果没有其它可用的资料+则其上限可用下式确定：
T: (2 500Hs/g)
如果可以得到H和Tp的联合分布，则应选择能给出接近海底处最极端条件的Hs和T的组合2.3.6当选择波浪引起的水质点设计速度时，可以考虑波浪的方向分布。通常需考虑来自不尚方向的极端海况。如果得不到波浪的方向资料，则应假定极端波浪垂直作用于管道的轴线。2.3.了当选择波浪引起的水质点设计速度时.可以考虑短峰波浪。如果得不到现场的具体资料，则可以认为能盘沿波浪传播的主方向扩散。2.3.8稳定性分析中所用的波浪引起的水质点速度，用接近海底且垂直管道的有效值U和相应的平均上跨零线周期T来表示。
2.3.9当计算U.称T:时，应采用最合适的水面高程谱表达式。对北海条作，推荐使用Jonswap谱式。对长峰海浪Jonswap谱由下式给Hi：Sp(w)=ag(w)-expi(w/w,)-4/y
j -(tu-w,)*
a=exp(
式中：w—·角频率：
叫谱峰角频率;
名——重力加速度：
— phillips 常数;免费标准bzxz.net
—谱宽参数：
若wsw-则a=0.07;
若w>wp则a=0.09；
—峰度参数。
2.3.10U，和T，可以用把长峰水面高程谱转换到海底的方法来计算，并英用一个折减系数，以便考虑波浪相对于管了的方向性，这些短峰波浪谱的表达式如下：Su(w)=[/sinh(kd) .S()
式中：5（）——水面高程谱（长峰的）;k——波数(o=gktanh—圆频率。
U-U*-R
式中:2 Vm。
ma--J, a'Su(α)- dw.
T, --2(m./m2)-
R-\-折减系数。
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可以从图2.1和2.2中的无量纲曲线查到U3和T当接近浅水时，应证明一阶波理论的适用性。出于波浪的方向性及散性而产生的折减系数，由余弦函数表示为：R
式中：—与管道垂点的方向：
α——注波方向，
?-—阖绕记波间的次波向
3,0)—散布函数;
(R.,0)-G - cos\(3-8)
n—散布指数(现场指定的)；
ptB,0)(cos2(8,-p))d3
按使R沿所有波向积分等于1.0而选择的常数：R可以从图2.3中获得。
2.3.11设计流速应根据各种影响因素，如潮汐、风暴增水和坏流等来确定。2.3.12稳定性设计中可以考虑流速的方向分布。如果得不到这些资料，则应假定海流垂直作用丁管道轴线
海底流速出于边界层效应而减小，这可通过适当的边界层模型进行描述。应沿整个管道卓径对进2. 3. 131
界晨内的速度分布曲线进行积分以得到有效流速。附录A给出了确定界层折减的近似方法，2.3.14建议不考达界层对波浪引起的速度所产生的影响，因为这和彬响通带较小，并已隐含在作为综合曲线基础的水动方模型巾然而波浪对流的边累层的能响却可以雄定，如附录A所示。在管径很小的待殊情况下，波浪边界层可能很重要，因比，应由相关数据证明进步的速度折减是正确的。2.4地质条件
2.4.1应在管道沿线以适当的间隔逆行现场调查。问隔数量取决卡管道的长度和预计的地质条件的变化。在现场调查期问应使用适当的取样技术。本船级社的规范RPD301(参考文献「9_)给出了现场和实验室的试验指离。2.4.2从稳定性设计的角度出发，现场调查应提供海述衣层及下南紧靠表层士壤的下列资瓷料一十壤分类：
-一土壤密度（对砂上）：
一土壤强度（对二粘十）
一》土壤滑移或液化的可能性。2.5地貌和水深条件
2.5.1应沿者管道走向进行详细的线路谢察，以提供适当的地和水深条件。与稳定性设计有关资料应包括：
岩石出解、砾石或流船等彩式的障得物；-一地貌特征.如斜坡，凹地或其能导致管道不稳定的因素；一管道沿线的水深变化。
2.5.21981年版内13mV游底管道系统规程（参考文献[1_)的2.2.2条和2.2.3条中给山了对线路谢察的进一步要求。
2.布管子数据
2.6.1为进行游底管道的稳定性分价，带要下列管子数据：-外径：
壁厚，
一在运行法力下的介质密度；
—.—防腐涂层的厚度和密度
—配重涂层的密度；
管材料的力学性质。
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2.6.2第三章介绍的设计方法，允许管道有一定的横向位移。因此应确定管道部分或全部受约束而不能移动的部位或被设计成不允许移动的部位。这些部位包括：管道/立管的连接处；
带道交叉处；
海底阀门；
膨胀弯；
管道出露管沟处。
d=水深
T,-V(alg)
&一重力常粒
：Jorswap消的峰度梦数
P. M = Piursun Mog'rovirz
图2.1有效水质点速度
(线性波理论,不考感波向和波散布）0.4
3.1概述
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T.- V(d/g)
图2.2上跨零线周期
Y-1.0(F.M. )
(,8)=Ccos(8-8)
(6,-01(dcg)
图2.3考虑波散布和方向性的折减系数第3章设计方法
3.1.1本章介绍的设计方法适用于在整个生存期内放罩在游床上的管道，或者在采取其它稳定性措施（如挖沟、埋设、盖或其它稳定方式）之前的管道，这样，管道的稳定性就与管道的水下重望、环境力和由海底士壤产生的阻力有直接的关系。因此稳定性设计的口的就是确认管道水下重量是否满足稳定性准则的要求。
3.1.2在进行稳定性设计时，应考虑以下设计准则：横向位移；
·管整的应力/应变；
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一与用门轴力产生的横向曲的相互影响：-疲劳摄伤；
—涂层的磨损和失效；
一牺牲阴极块的损伤。
通常将横向位移和管道承受的应力/应变作为控制性设计准则。关于设计准则将在第4章作选步介3.2荷载工况
3.2.1应考虑与管道稳定性有关的所有荷载工况。通常可归结为两类：—安装状态：
一一运行状态。
3.2.2安装状态是指从管道放置在海底之后到挖沟或试投产之前的这一段期间。除非当管道安装后立即充水，通常应假定管道在该状态期间充满空气。对于要控沟的管道，安装状态通常应确定管道所需要的水下重量。对于安装状态，要求的最小比重为（Ws+B)/B=1、1(Ws：水下重录，B：浮力）通常可计人混凝土重量5%的吸水。3.2.3本推荐作法2.2.3条给出了针对安装阶段详细的风暴设计条件。3.2.4运行状态是指管道使用寿命内的运行阶段。在稳定性分析中，应假定管道充满在让常送行力下预计最低密度的介质，
3.2.5在运行期问，管道可能承受出于极端波浪和游流所产生的横可位移、应力/应变等等；伺在风暴过后，管道应仍然可以使用。
应确定极端波浪和海流的设计组合，以使其超越概率不超过1/10年（100年重现期）3.2.62.2.2条给出了在运行期问应用的详细环境条件。3.3分析方法
3.3.1有几种现行的分析方法可以作为管道稳定性设计的基础。本船级社携存以下三种不间的方法，即：(1)动力分析：
（2)广义稳定性分析；
(3)简化的稳定性分析。
上述分析方法的选择取决于对分析结果要求的详细程度、3.3.2动力分析包含管道放置在海床上的完整的动态模拟，包括上壤阻力模型、水动力、逆界条件和动力响应。动力分折是广义方法的参考基础。它可以用来在管道的临界部位，诸如管道交义、与立管连接等处做详细分析。在这些部位，要求对管道响应或对有危险性的现有管线的重新分析达到极其详细的程境。3.3.3广义稳定性分析建立在对动力响应模型作一系列分析而导山的一组无量纳的稳定性前线基确之土。该方法既可用于详细设计计算，又可用于初步设计。广义稳定性分析方法可以在对可能发生的位移和应变较为敏感的管段使用。5.2节给出了该方法的主要假设条件。3.3.4简化的稳定性分析虽然是根据在管子上作用力的准静态平衡、但已被义稳定性分析的结果所校准。一般来说，该方法给出的管子重量形成了由广义稳定性分析所得管重的保守的包络线。该方法可月于绝大多数的仪把管道水下重量作为唯一关心的参数的稳定性计算。该方法建立在简化模的基谧之上，闲此在没有充分考虑全部有关因素（即用以上两种分析之校核)的条件下，建议元论如何不应修正该法。3.3.5在稳定性设计中应注意，如果管道部分埋设（指稳定的管子）则在稳定生计中应考虑以下儿点：一一计算方法应仪根据静态考虑，即管道不应露旧海底，就是说管道不应从部分理设状态被拔出：一在水动力计算的应使用最可能的最大100年概率的波浪引起的接近海底用还或于管道的速度和加建度：
：一应使用逼真的水动力模型，一应使用逼真的表现管一十相互作用的士壤力模型。3.4沉陷/上浮
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3.4.1应对理设管道可能出现的沉陷或上浮于以检酸。对于液体或气体两类管道，其沉陷沟按管子充满水考虑，而上浮则按管子充满气体或空气考虑。确定输人数据
环境条件
地质条件
地貌租水深条件
聋子数据
可能的约束资料
对已有的设计条件（运行／安装）建立右关的设注准则
·位移
·应变
．等等
决定适用的分析方法
动力分析
，义稳定性分析
是否满足有关的设计准贮？
增加水下重量或音选择其它稳
定方法
图3.1设计方法概述
简化内稳定性分折
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3.4.2假如充满水的管子相对密度小手土壤相对密度（包括水的含量）,则无需进一步分析论证抗沉陷的安全措施。对于放置在低剪切强度士嘎中的管道，应要求考土壤应力。如果土壤是液化的或可能被化，则应用液化深度或沉陷时产生的阻力来表明沉陷深度是在要求的限度内。3.4.3假如充满气体或空气的管子相对密度小」上壤的相对密度，则需证明土壤的剪切强度足以防止上浮。因此，在液化或可能液化的土壤中，充满气体或空气的管子相对密度不应小于土壤的相对密度（如果要求埋设)。
3.4.4直接放在海床上的裸露线，同样应按以上.3.4.2条对埋设管线所述的相问方法来检查沉陷的可能性。
3.5设计方法摄述
3.5.13.1所示的流程图概述了前面介绍的设计方法。第4章设计准则
4.1撼述
4.1.1第三章概述的稳定性设计方法中所用的设计准则将依据所考虑的不同情况而变化，对每种情况，建议要细评价其可能的破坏桃理。4.1.2以下给出的关于设计准则的数据应作为一般性的推荐值看待。具体的准则视具体情况而定。4.1.3以下的设计准则与第三章介绍的设计条件有关，也与参考文献L1J所采用的管道系统分区有关。管道分区定义如下：
1区一距某平台或海底基盘一定距离以外的那部分海床，一般该距离取作500m。2区一—靠近其一平台或海底基盘的那部分海床，该区范围通嘴为500m。4.1.4作为稳定性分析指南，建议管道上的某些位置，如阀门连接件、管道交义处Y型或T型接头、胀弯等等，般都应按2区来考虑，但是，2区的定义通常适用在对人类具有潜在危险造成严重污染或经济损失严重的部位。
4.2可能的横向位移
4.2.1允许的横向仪移(如果存在)取决\下列因素：一国家法规：
一海底障碍物：
勘测的走廊带宽度：
距平台或其它约束的距离。
4.2.2规定的允许横向位移不应大于铺管区勘测的走廊带宽度的一半。也就是说，管道不应移出允许的走廊带。
4.2.3如果得不到进一步的资料，则在运行状态充许的最大横向位移可以采用：1区：20m；
如果能得到其它有关数据，该准则可以适当放宽。但在上述允许位移条件下管子也必须能满足其它有关设计原则。对大多数情况，横向位移将是控制准厕。-般地，将最大位移限制为20m时，也应满足应变要求。应检查对环境参数（波高/周期）变化的激感性。允许位移准则应针对持续3h的最人风暴强度。4.2.4对于2区的管道，如果位移产生的影响能够被带道本身及支撑结构（即管连接件）所接受，则允许有--定的横向位移。
4.2.5对于安装状态，允许的横问位移取决于铺设和试投产之间相隔的时间·H应根据情况逐一决定，然而，如果遵循2.2.3条给出的关十环境条件的推荐意见，则建议允许位移为5m。4.3弯曲应变
4.3.1车稳定性设计中，应评价由于横向位移在管道固定处所产生弯矩使管子承受的弯曲应变，4.3.2对已知的固定点，例如与立管连接处、游底阀门、海底基盘等，应评价横向位移对管道和约束结构8
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