海底油氣管道的管道載荷及穩(wěn)定性分析計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18025海底油氣管道的管道載荷及穩(wěn)定性分析計(jì)算案例 178871管道荷載 1312281.1立管荷載 1285511.2立管冰荷載 274561.3波浪沖擊力 2162172管道穩(wěn)定性分析 357802.1垂向沉浮穩(wěn)定性 3231342.2水平橫移穩(wěn)定性 31管道荷載1.1立管荷載（1）風(fēng)荷載：?jiǎn)挝还荛L(zhǎng)的靜風(fēng)載： （5-21）式中：????——單位管長(zhǎng)上的風(fēng)力，垂直作用于管軸線，N/m；C——形狀系數(shù)，取0.75；????——垂直于管軸線的風(fēng)速分量，30m/s；——立管的總外徑（包括涂層），m計(jì)算可得單位管長(zhǎng)上的風(fēng)力為357.5N/m。（2）動(dòng)風(fēng)載 （5-22）式中：????——折合速度；??n——垂直于管軸線的風(fēng)速；D——立管直徑；????——立管的自振頻率。另外： （5-23）式中：C——取決于端部支撐條件的常數(shù)，此處取22.4；I——管道截面慣性矩；E——管材彈性模量；M——單位長(zhǎng)度質(zhì)量（包括附加質(zhì)量）。計(jì)算得到fi=9.25，????=3.75m/s。1.2立管冰荷載（1）由題可知本區(qū)塊在在3月結(jié)冰融化后會(huì)出現(xiàn)流冰，對(duì)于未設(shè)抗冰保護(hù)的立管需考慮冰力作用，按下式計(jì)算： （5-24）式中：????——冰對(duì)管道的擠壓力，kg；D——受冰作用的立管總外徑，cm；h????——冰的擠壓破壞強(qiáng)度，取20.6kg/cm2；C——冰的擠壓力系數(shù)，0.460。計(jì)算得冰的擠壓力系數(shù)為0.460，冰對(duì)管道的擠壓力為32749.06kg。（2）對(duì)于作用在圓柱管件上局部冰壓力強(qiáng)度可按下式估算： （5-25）式中：P——局部冰壓強(qiáng)，kg/cm2。kg/cm21.3波浪沖擊力單位管長(zhǎng)上的管道所受波浪沖擊力： （5-26）式中：????——在速度方向上單位長(zhǎng)度的海浪沖擊力；ρ——管道總外徑；??——垂直于水面的流速；????3。1.5和2.0。計(jì)算結(jié)果為173.57/s2×2=347.14/s22管道穩(wěn)定性分析2.1垂向沉浮穩(wěn)定性本設(shè)計(jì)中主要考慮海底管道是否有上浮的可能，校核時(shí)按管道里充滿空氣計(jì)算。（1）管道浮力計(jì)算公式如下式所示。 （5-27）式中：——單位管道所受浮力；——土壤的容重（重度），KN/m3；——固體土壤顆粒的相對(duì)密度,1.4；——海水的容重，10.1KN/m3；——土壤含水量，20%。計(jì)算得到=8.6KN/m3。（2）土壤阻力其計(jì)算公式如下式所示。 （5-28）式中：——單位體積上浮時(shí)的土壤阻力；——粘土的抗剪切強(qiáng)度,10KPa；——管道總外徑。計(jì)算得到=23.15KN/m3。管道上浮校核公式： （5-29）式中：——管道的容重（重度）。海底管道垂向上浮穩(wěn)定性校核結(jié)果如下表1.15所示。表1.15管道垂向上浮穩(wěn)定性校核結(jié)果管道重度，KN/m3土壤阻力，KN/m3浮力，KN/m3校核結(jié)果78.5423.158.6穩(wěn)定2.2水平橫移穩(wěn)定性要使管道在水平方向保持穩(wěn)定，則需滿足： （5-30）式中：——管道單位長(zhǎng)度水下管重；——管道單位長(zhǎng)度受到的流體升力；——管道單位長(zhǎng)度受到的流體拖曳力；——管道單位長(zhǎng)度的流體慣性力；——橫移穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.1；——管道和海底土壤之間的摩擦系數(shù)，如果沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于黏性土，通常取0.3。作用在單位管長(zhǎng)上的拖曳力按下式計(jì)算： （5-31）計(jì)算得到FD=9.78N/m。固定邊界或靠近固定邊界布置的管道所受的升力： （5-32）計(jì)算得FL=37.34N/m。單位管長(zhǎng)上的慣性力： （5-33）計(jì)算得到Fm=式中：——海水密度；——管道總外徑；——水質(zhì)點(diǎn)對(duì)于管道的相對(duì)速度；——波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)加速度；——水質(zhì)點(diǎn)對(duì)于管道的相對(duì)加速度；——拖曳力系數(shù)，圖1.13給出了對(duì)光滑和覆蓋有海洋生物的管道的拖曳力系數(shù)；——升力系數(shù)，圖1.14給出了振蕩液流中位于固定邊界外的管道的升力系數(shù)；——附加質(zhì)量系數(shù)，在圖1.15中給出了附加質(zhì)量系數(shù)隨固定邊界的距離變化的曲線，對(duì)不受任何固定邊界影響的管道附加質(zhì)量取1.0。圖1.13振蕩中管道的拖拽力系數(shù)圖1.14振蕩流中在固定邊界處管道的升力系數(shù)圖1.15對(duì)管道附加質(zhì)量系數(shù)的推薦值根據(jù)下列參數(shù)表征的流態(tài)和管道狀態(tài)來使用上述流體動(dòng)力系數(shù)：雷諾數(shù)： （5-34）（Keulegan-Carpenter）數(shù)： （5-35）計(jì)算得到Ke=13.3管道粗糙度： （5-36）管道與固定邊界間的距離： （5-37）式中：——管道總外徑；——管道與固定邊界的距離；——波浪周期；——粗糙度的高度；——流速；——最大軌道質(zhì)點(diǎn)速度；——水的運(yùn)動(dòng)黏度。當(dāng)管道無配重時(shí)：波浪周期為3.6s，管道總外徑包括鋼管外徑、防腐層厚度、保溫層厚度以及防護(hù)層厚度，計(jì)算出Kc值，根據(jù)圖1.13、1.14得出拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)，附加質(zhì)量系數(shù)取1.0，系數(shù)取值結(jié)果如表1.16所示。表1.16系數(shù)計(jì)算結(jié)果管道總外徑D，mkeCdClCm0.86413.31.14.21.00.6318.290.93.21.00.6118.880.83.11.00.27342.20.61.81.00.24547.020.551.71.00.19459.380.501.51.00.114101.050.71.31.0海水密度為1050kg/m3，水質(zhì)點(diǎn)對(duì)于管道的相對(duì)速度取0.14m/s，波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)加速度取0.0875m/s2，水質(zhì)點(diǎn)對(duì)于管道的相對(duì)加速度取0.027m/s2，代入公式中，作用在單位管長(zhǎng)上的力計(jì)算結(jié)果如表1.17所示。表1.17拖拽力、升力和慣性力計(jì)算結(jié)果管道總外徑D，m拖曳力FD，N/m升力FL，N/m慣性力Fm，N/m0.8649.7837.3470.450.631.8320.7437.460.611.0219.4631.120.2731.691.067.0340.2451.394.291.660.1941.002.993.550.1140.821.521.23管道單位長(zhǎng)度水下管重包括鋼管、防腐層、保溫層以及防護(hù)層所受重力，管道和海底土壤之間的摩擦系數(shù)取0.3，代入公式計(jì)算，管道水平橫移穩(wěn)定性分析結(jié)果如表1.18所示。表1.18水平橫移穩(wěn)定性分析結(jié)果Wsub，N/m（Wsub-FL）μ，N/m（FD+Fm）S，N/m校核結(jié)果4162.91237.6988.25穩(wěn)定1378.3407.2947.62