課程設(shè)計(jì)實(shí)例-海底管道立管

1、深海鋼懸鏈線立管設(shè)計(jì)前 言經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展必然帶來能源的大量消耗，尋求廉價(jià)而供應(yīng)充足的能源已經(jīng)成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展的現(xiàn)狀表明：太陽能、地?zé)崮芾煤烷_發(fā)還處于初級階段，在能源消耗總額中占的比重也很少；核能正在發(fā)展，所占的比重正在逐漸提高，但也受到技術(shù)水平、鈾礦資源的限制；在核聚變能量被工業(yè)大量實(shí)際應(yīng)用以前，石油天然氣等燃料仍然是社會使用的主要資源；而石油由于比較容易開采、運(yùn)輸和利用，就必然成為現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。世界上大量的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)動(dòng)都是圍繞石油問題進(jìn)行的。勘探表明，在大陸架的39%地區(qū)含有油氣構(gòu)造，其儲量占全世界石油的30%40%。而美國的墨西哥灣、歐洲的北

2、海、西亞的波斯灣、北非海域以及南中國海域、渤海海域都已成世界各國開發(fā)海洋石油資源的重要場所。目前在各大洲大陸架的不同工作水域有各種類型的近海工程結(jié)構(gòu)物，主要應(yīng)用于海底油氣資源的勘探和開發(fā)。海洋立管是浮式海洋平臺與海底井口間的主要連接。作為海面與海底的一種連接通道，它也可用于固定式平臺及勘探船。下端通過萬向節(jié)與海底井口連接，其上端與平臺或船舶底部的滑移節(jié)配合，這樣，平臺或船舶在波浪作用下發(fā)生任何可能的運(yùn)動(dòng)時(shí)，立管有足夠的運(yùn)動(dòng)自由度隨之運(yùn)動(dòng)，并在平臺或船舶發(fā)生垂直震蕩是改變其長度。立管本質(zhì)上有兩種，即剛性立管和柔性立管。海洋立管具有多種可能的結(jié)構(gòu)，如頂張力立管（TTP）、自由懸掛的鋼懸鏈線立管（S

3、CR），惰性S立管，陡峭型S立管，惰性波浪立管、陡峭型波浪立管等。立管的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足實(shí)際的海洋環(huán)境載荷，小直徑的立管通常被固定在隔水套管中，海洋環(huán)境在核對其影響較小。較大直徑立管科直接由平臺支持置于海洋環(huán)境載荷中，此時(shí)，立管將同時(shí)承受內(nèi)流體流動(dòng)的作用和管外海洋環(huán)境載荷作用。立管所承受的海洋環(huán)境載荷主要有風(fēng)、浪、流、冰和地震載荷等，其中波浪和海流是最重要的海洋荷載。并且受水流作用的工程結(jié)構(gòu)都有可能發(fā)生渦激振動(dòng)。目前海中立管的動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算并不考慮內(nèi)流體的流動(dòng)作用，這樣設(shè)計(jì)是不合理的，也是不安全的。但由于知識與數(shù)據(jù)的缺乏，本設(shè)計(jì)將不對內(nèi)流體的流動(dòng)作用進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一章 立管設(shè)計(jì)的基本依據(jù)該立管為南海某

4、海域1000m水深的生活動(dòng)力平臺通過海底管道輸送產(chǎn)物的立管。1.1 立管用途和功能1、生活動(dòng)力平臺的產(chǎn)物經(jīng)過此立管輸送到spar平臺上，最大輸送量；2、采用雙層保溫管結(jié)構(gòu)；3、內(nèi)管內(nèi)腐蝕裕量3.2mm,外管外腐蝕裕量6.0mm；4、立管設(shè)計(jì)壽命按20年設(shè)計(jì)。1.2 環(huán)境條件1.風(fēng) 設(shè)計(jì)風(fēng)速 60m/s,強(qiáng)風(fēng)向 NE 施工風(fēng)速20 m/s2.波浪 50年一遇波高6.8m,平均周期9.3s3.海流 五十年重現(xiàn)期0.9233m/s(水面)4.水深 最大水深1000m;5.溫度 大氣:最高38,最低-20 海面:最高30,最低-0.56.海生物厚度 按平均厚度2cm考慮。1.3 液體性質(zhì)1 , , 油

5、氣比2 0=968.2kg/m3 0=742.38cp3 g=0.9690/m3 4 w=1025kg/ m3 w=1.7cp(水在20)5 液體輸送溫度按80，液體輸送壓按14.7MPa。1.4 立管的設(shè)計(jì)依據(jù)1.參照中國船級社：海底管道規(guī)范安全規(guī)則（草稿）19872.參照挪威船級社DNV：海底管道系統(tǒng)規(guī)范1981第二章 立管的工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算立管的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算與普通管道的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算大致相同。 根據(jù)油田總體規(guī)劃中確定的工藝流程和分流規(guī)劃，對管道系用進(jìn)行一系列的工藝計(jì)算與分析，例如，降壓、降溫計(jì)算，段塞流分析，允許停輸時(shí)間計(jì)算，再啟動(dòng)計(jì)算。其目的是選擇合理的管道的管徑和斷面型式。其中最主要的工

6、藝計(jì)算是壓降、溫降所需要的水力計(jì)算和熱力計(jì)算。在輸送易凝固原油時(shí)，立管部位是咽喉薄弱環(huán)節(jié)，除了做好對管道的隔熱保溫外，還應(yīng)考慮其他加熱、放熱、降粘措施。2.1 立管的尺寸設(shè)計(jì)2.1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算1.輸送介質(zhì)的密度及比重已知：,0=968.2kg/m3，w=1025kg/m3則=4000，可計(jì)算出液體（油與水）的密度：=990.1 （2.1）相對于水的相對密度，即比重=0.9660由于氣體的密度=0.9690，取空氣密度為=1.0，可得氣體對空氣的相對密度=0.9690。1. 管道的平均輸油溫度采用液體輸送溫度80作為平均溫度=1.880+491.67=635.67()2. 平均壓力液體

7、輸送壓力按150，即=150（）=14.7MPa3. 液體流量=1.20G=1.20600040=288000()=10.17()=1.20=1.2010000/0.9901=12120.0()=76235.6其中，系數(shù)1.20時(shí)為安全起見所乘的備用系數(shù)。4. 液氣的總質(zhì)量流量W=3180+14.6=318010.1700.9690+14.676235.60.9660=1.1065（）5. 在流動(dòng)壓力及溫度下的油氣混和物密度氣液比R=1.0170/76235.6=133.40（）則=51.74（）?2.1.2 由原油流量及流速條件初選管徑已知：輸油量=0.140278（） 80時(shí)密度=990.

8、1（） 動(dòng)力粘度=742.38cp 運(yùn)動(dòng)粘度=742.38/.9901=749.80根據(jù)運(yùn)動(dòng)粘度與經(jīng)濟(jì)流速的關(guān)系知當(dāng)=749.80時(shí)查表2.1可知平均流速為：=1.01.1m/s表2.1管路中油或氣流的經(jīng)濟(jì)流速參考值油品運(yùn)動(dòng)粘度（ ）平均流速（）112吸入管路排除管路12281.53.52.528721.32.52.0721461.22.01.51464381.11.51.24389771.01.21.1壓縮性氣體0.81.11.0飽和蒸汽820橡膠軟管3040 對熱油管道而言，經(jīng)濟(jì)流速通常比不加熱的管道要高，他的范圍與國民經(jīng)濟(jì)中各項(xiàng)費(fèi)用的比值有關(guān)，我國目前對這些經(jīng)濟(jì)參數(shù)還缺乏總結(jié)，根據(jù)目前的

9、實(shí)踐，熱油管道的經(jīng)濟(jì)流速范圍為1.52.0。所以，取經(jīng)濟(jì)流速=1.8。根據(jù)流量初選管徑，按使用期的最大流量計(jì)算：輸油量=0.140278（）內(nèi)徑=315mm，即=314.96mm= 12.40in初步選定公稱直徑355.6mm(14in)的管子作為內(nèi)管。選擇外管時(shí)要考慮60mm的保溫層。綜上，以下為初選管徑結(jié)論：選用API標(biāo)準(zhǔn)5LX65級無縫鋼管2.2選取的鋼管參數(shù)公稱直徑（mm）外徑（mm）壁厚（mm）內(nèi)徑（mm）重量（lb/ft）內(nèi)管355.6355.617.48320.6597.91外管50850815.88476.25129.45保溫層使用聚氨酯泡沫，60mm厚，密度35；鋼管外層涂3

10、.0mm聚乙烯涂層，=925。2.2 立管的溫降計(jì)算2.2.1 熱阻R及總傳熱系數(shù)K的計(jì)算 輸送高粘度、高凝固點(diǎn)原油時(shí)，因流動(dòng)時(shí)的壓力、溫度變化，影響流動(dòng)甚至造成原油在管道內(nèi)凝固。為改善這種油的輸送條件，通常需將原油加熱到一定溫度再輸送，并對管道進(jìn)行保溫。在本設(shè)計(jì)中原油入口溫度80，溫度較高所以不必加熱。 熱阻計(jì)算公式： （2.2）式中： 油流向管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，取40； 管外壁至周圍介質(zhì)（海水和空氣）的放熱系數(shù)，； 內(nèi)管的導(dǎo)熱系數(shù)，取48； 保溫層泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.041； 外管的導(dǎo)熱系數(shù)，取48； 內(nèi)管的外徑355.6mm； 內(nèi)管的內(nèi)徑320.6mm； 保溫層的外直徑，取保溫層內(nèi)外

11、直徑的平均值415.60mm； 保溫層的內(nèi)直徑，355.6mm； 內(nèi)管的外徑508mm； 內(nèi)管的內(nèi)徑，476.25mm； 立管外圍的直徑，508mm。 計(jì)算放熱系數(shù)時(shí)，紊流狀態(tài)下的比層流時(shí)的大得多，通常都大于100，二者相差數(shù)十倍。因此，紊流時(shí)的總傳熱系數(shù)的影響很小，忽略不計(jì)。但層流時(shí)的則必須計(jì)入。取=40。 計(jì)算管外壁至周圍介質(zhì)（海水和空氣）的放熱系數(shù)時(shí)，由于介質(zhì)的放熱系數(shù)很大，經(jīng)常大于232，忽略熱阻中的這一項(xiàng)。熱阻：2.2.2 出口油溫的計(jì)算出口溫度： （2.3）式中：周圍介質(zhì)的溫度，20； 管道入口油溫，為80 管路末端油溫； c比熱，取0.5； L管道的長度為2400m； G流油的質(zhì)

12、量流量，； K管路的總傳熱系數(shù)，； D管道內(nèi)徑，為320.6mm； 降溫系數(shù)，=7.6009 出口油溫 =78.192 則垂直立管的溫降為：80-78.192=1.80762.3 立管允許停輸時(shí)間計(jì)算 熱油在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，很少發(fā)生凝固現(xiàn)象，但是，由于各種原因，如給原油進(jìn)行加熱循環(huán)、管道掃線、管道維修保養(yǎng)甚至意外事故等，造成立管內(nèi)油流處于停滯狀態(tài)，時(shí)間一長，管內(nèi)原油就會發(fā)生凝固現(xiàn)象。因此，要確定管道的允停時(shí)間，以防原油在管道凝堵。為了確定管道的允停時(shí)間，需要對易于凝油在立管中的冷卻和凝固時(shí)間預(yù)先有個(gè)估計(jì)。2.3.1 冷卻時(shí)間原油冷卻時(shí)，只是隨著散熱而降溫，即管內(nèi)流油與管外介質(zhì)溫度的溫差小。原油冷

13、卻至凝固點(diǎn)所需要的時(shí)間： （2.4）式中：管道周圍介質(zhì)的溫度，為-1.3； 剛停輸時(shí)的油溫，=79.096； 原油凝固點(diǎn)溫度，為26； R管道的熱阻，取0.631； 油的比熱，取0.5，即2093； W單位長度內(nèi)原油質(zhì)量，=79.9； 鋼管的比熱，取0.114，即477.29； 單位長度內(nèi)鋼管質(zhì)量，W=338.67。將上述數(shù)據(jù)代入公式（2.4），可得： =49.5h一般因工藝及維修保養(yǎng)允停時(shí)間=49.5h。2.3.2 凝固時(shí)間當(dāng)管內(nèi)壁冷卻至凝固點(diǎn)溫度，原油開始在管壁處凝固。隨著散熱，這時(shí)全部油溫保持在凝固點(diǎn)溫度，溫度不變，凝固層逐漸加厚，直到整個(gè)管段面被凝油堵上。設(shè)凝固油溫厚度達(dá)（），則它放出

14、的潛熱，將這部分凝固油的潛熱是在固定的溫差下，經(jīng)過凝固熱傳導(dǎo)到外界，這時(shí)傳導(dǎo)的距離隨凝固油的厚度增加而增大。到凝固油的厚度達(dá)（）所需要的時(shí)間為： （2.5）式中：原油的密度，995.8； U原油的凝固潛熱，取219.9； 原油凝固點(diǎn)溫度。為26； 管道周圍介質(zhì)的溫度，為-1.3； 內(nèi)管的半徑，160.3mm； 凝固油的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.135； 管中心到凝固油層內(nèi)側(cè)的可變直徑；對于的取值，這里考慮到利用熱油循環(huán)恢復(fù)管道輸送時(shí)的管斷面局部凝固的段面凝固率，即=0.5將上述數(shù)據(jù)代入公式（2.5），得： =90.217h？一般事故性停輸允許停輸時(shí)間90.217h。2.4 立管的壓降計(jì)算立管沿線溫降只有

15、1.8076，幾乎可以看作等溫輸送，所以采用等溫管道水力學(xué)方法計(jì)算降溫。因?yàn)榱⒐芸傞L2400m，即7875ft，所以要分段計(jì)算壓降。采用美國石油協(xié)會API RP 14E中的公式計(jì)算管道的壓降 (2.6)式中：壓降，； 摩阻系數(shù)，無量綱； 流體流量，76235.6； 管道內(nèi)徑，為320.6mm； S所輸送液體與水相對密度，無量綱，取S=0.9660；管道中的摩阻系數(shù)f是雷諾數(shù)Re和管內(nèi)表面粗燥度e的函數(shù)。但當(dāng)Re 2000時(shí)，流態(tài)為層流，摩阻系數(shù)f只與雷諾數(shù)Re有關(guān)，此時(shí)，f=。1. 雷諾數(shù)Re的計(jì)算 其中 管道內(nèi)徑，為12.624in=1.054ft;平均流速，即1.70；液體運(yùn)動(dòng)粘度=749

16、.80cst。則Re=726.882. 摩阻系數(shù)f的計(jì)算雷諾數(shù)Re=726.882000，則摩阻系數(shù) f=64/726.88=0.0880將f=0.0880，Q=76235.6，S=0.9715，=320.6mm代入（2.6）中，得則整個(gè)管線的壓降為：即=1.1368MPa。第三章 立管工作載荷計(jì)算工作載荷系指在理想狀態(tài)下，即沒有風(fēng)、浪等環(huán)境載荷作用時(shí)，在各種不同情況下系統(tǒng)存在、使用和處理所需要的載荷。本章節(jié)所設(shè)計(jì)計(jì)算的立管載荷指由于其特殊位置所應(yīng)考慮的載荷，分為運(yùn)行期間的工作載荷和安裝期間的工作載荷。3.1 ？運(yùn)行期間的工作載荷運(yùn)行期間的工作載荷包括重力、設(shè)計(jì)壓力和溫度變化產(chǎn)生的作用力等。3

17、.1.1 重力包括立管、附件重、涂層重以及所輸介質(zhì)重。被浸沒的管段還應(yīng)考慮浮力的作用。由于立管是垂直或傾斜的，所以所輸介質(zhì)的重力及浮力產(chǎn)生的應(yīng)力和管段重力產(chǎn)生的應(yīng)力具有不同效果。則重力項(xiàng)包括浮力，還應(yīng)加上由于壓力產(chǎn)生的軸向作用力。1. 單位長立管材料自重（97.91+129.45）1.4895749.8=3318.96涂層重=9259.80.003508=43.29（）2. 單位長所輸介質(zhì)重量=43.7916.029.8=555.16（）3. 浸沒段的浮力浸沒段長度=1490m4. 作用于外管由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向作用力P：內(nèi)壓作用在外管的軸向應(yīng)力 （3.1）式中：內(nèi)壓，150，即14.7；內(nèi)管的內(nèi)

18、直徑320.6mm；內(nèi)管剛截面面積，28.77；外管剛截面面積，38.04；則 ：=13.249 3.183.1.2 設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力指液體在穩(wěn)定狀態(tài)下立管所承受的最大內(nèi)部流體壓力與外壓之差。外壓指外部水壓力。此力根據(jù)不同的計(jì)算狀況，按不同水位計(jì)算。本設(shè)計(jì)中取h=設(shè)計(jì)水深+設(shè)計(jì)高潮位+設(shè)計(jì)最大波高=1006.59m。那么外壓 1006.59=10111.2最大內(nèi)部流體壓力 =14則設(shè)計(jì)壓力 P=1400010111.2=3888.83.1.3 溫度產(chǎn)生的作用力 溫度變化產(chǎn)生的作用力是指管內(nèi)溫度變化引起的立管的伸長或收縮。立管受到支撐卡約束，不能自由收縮，就要受力。作用于內(nèi)管的軸向溫度應(yīng)力 作用

19、于外管的軸向溫度應(yīng)力 則在內(nèi)管固定截面長生的作用力 在內(nèi)管固定截面長生的作用力 式中： 立管鋼材的線膨脹系數(shù)，取1.17 ； E 立管鋼材的彈性模量，取278； 設(shè)計(jì)溫差，； ，意義、大小同前。1. 設(shè)計(jì)溫差的計(jì)算 設(shè)計(jì)溫差即管段安裝溫度與運(yùn)行使用溫度之間的最大溫差，或與周圍介質(zhì)溫度之間的最大溫度差，二者應(yīng)取大值。平均安裝溫度 運(yùn)行使用溫度 周圍介質(zhì)溫度 = =79.196-9=70.196=9-（-1.3）=10.3因此，取=70.196作為設(shè)計(jì)溫差2. 溫度產(chǎn)生的軸向溫度的軸向溫度應(yīng)力 70.1961.17278=228.32 作用于外管的軸向溫度應(yīng)力 228.3228.77/38.04=

20、172.68 則在內(nèi)管固定截面產(chǎn)生的作用力 =228.3228.776.452=4238.17 在外管固定截面產(chǎn)生的作用力 =172.6838.046.452=4238.163.2 安裝期間的工作載荷 安裝期間的工作載荷除重力和壓力外，還包括安裝作用力。安裝作用力指由于安裝作業(yè)作用在立管上的全部力，如立管拖拉時(shí)的拉力、吊裝時(shí)產(chǎn)生的作用力等。因數(shù)據(jù)缺乏，本節(jié)不計(jì)算這些載荷，了解即可。第四章 立管環(huán)境載荷設(shè)計(jì)與計(jì)算影響海洋管道穩(wěn)定的環(huán)境因素主要有：風(fēng)載荷、波浪載荷、流載荷、冰載荷、地震載荷、海床基礎(chǔ)變形，錨、漁具和船舶等作用的偶然載荷。設(shè)計(jì)計(jì)算外立管垂直部分的環(huán)境載荷，不需要考慮海床基礎(chǔ)變形；且本

21、設(shè)計(jì)中海面以上立管的部分相對于海面以下部分較小，對立管的影響很小，在本設(shè)計(jì)中不予考慮。4.1 波浪力計(jì)算立管沿長度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度和高度方向的尺度，這種細(xì)長結(jié)構(gòu)的柔度相當(dāng)大，它對波浪力動(dòng)載荷，很敏感。在波浪作用下，流過管道的海水由于壓差的變化，有尾流漩渦釋放，會引起管道振動(dòng)。4.1.1 基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù) 1.設(shè)計(jì)最大波高H=6.8m，平均周期T=9.3s， 波長L=134.9m,水深d=1000m, 波數(shù)=0.0532，波速=12.71 2.施工波高H=2.3m，平均周期T=6.2s4.1.2 設(shè)計(jì)波高下的波浪力的計(jì)算 立管D/L=0.508/118.2=0.00429<0.2，屬于與

22、波長相比尺度較小的細(xì)長柱體，在工程設(shè)計(jì)中采用莫里森方程。即以繞流理論為基礎(chǔ)，假定：柱體的存在對波浪力運(yùn)動(dòng)無顯著效應(yīng)，認(rèn)為波浪對柱體的作用是粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)。設(shè)一細(xì)長柱體（將立管簡化為細(xì)長柱體），直立在水深為d的海底上，波高H的入射波沿x正方向傳播，柱體中心線與海底線的交點(diǎn)為坐標(biāo)（x,z）的原點(diǎn)。 作用于立管任意高度Z處的單位柱高尚的水平波力為： （4.1）式中： 單位柱高的水平拖曳力； 單位柱高的水平慣性力； 海水密度，1025； 拖曳力系數(shù)； 慣性力系數(shù)，其中為附加質(zhì)量系數(shù)； 管道外徑； ，分別為波浪水質(zhì)點(diǎn)的水平速度和加速度。 作用于單個(gè)圓柱體，柱高dz上的水平波力為： 則作用在某一短

23、柱體（）上的水平波力，可將（4.1）從高度到高度進(jìn)行積分。 （4.2）當(dāng)=0，=時(shí)，可得到整個(gè)柱體上的水平波力： （4.3）同樣，可得到整個(gè)柱體上的總水平波力矩（對海底求矩）： （4.4）由式（4.3）和式（4.4）可以看出，莫里森方程中的、都是隨著選取的波浪理論不同而異。因此計(jì)算作用在立管上的水平波力和水平波力矩的關(guān)鍵在于，應(yīng)選取一種適宜的波浪理論來計(jì)算波浪的、；并選取合理的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)。一、 拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)1. 拖曳力系數(shù) 由于立管不受海底邊界影響，屬于長有海洋生物的粗燥度，選取=1.1。2. 慣性力系數(shù)，其中為附加質(zhì)量系數(shù)。同樣，立管不受海底邊界影響，采用推薦系數(shù)=1.

24、0，則=2.0。二、 選取合適的波浪理論計(jì)算、有4.1.1章節(jié)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以算得：d/L=8.460,=0.0080226, =1.180,由圖2.1可得，本立管應(yīng)使用深水波浪理論進(jìn)行計(jì)算。從以往的理論分析可得： 圖2-1 LeMehaute提出的各種波浪理論的使用范圍在深水條件下，當(dāng)、為常數(shù)時(shí)，質(zhì)量力隨深度按形式衰減，曳力隨深度以形式衰減。當(dāng)波高大于直徑時(shí)，即則 （4.5） 式中：=0.0532, =0.7221則40.9kN 圖4.2曳力衰減圖4.1.3 水質(zhì)點(diǎn)最大水平速度水質(zhì)點(diǎn)水平速度u: （4.6）當(dāng)1，z0時(shí)，u取得最大值，即水質(zhì)點(diǎn)最大水平速度是2.29m/s。4.1.4 波浪力的

25、折減 波浪是三維分布的，它沿著立管長度方向不只一種作用。對于立管整體，按設(shè)計(jì)最大波高計(jì)算出波浪力后，可按表4.1進(jìn)行折減。4.1折減系數(shù)管道長度（或支墩建長度）0.25L(0.25-0.5)L(0.5-1.0)LL折減系數(shù)0.50.60.70.5注：L為設(shè)計(jì)波浪波長由于=8.460，選擇這件系數(shù)為0.5，則折減后的波浪力為：0.540.9=20.45kN4.2 水流力的設(shè)計(jì)與計(jì)算 海洋中的水流力主要指潮汐和風(fēng)分流，它們對立管產(chǎn)生較大的作用。 基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)： 五十年重現(xiàn)期0.9233m/s(水面)4.2.1 水流流速設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 1.風(fēng)誘發(fā)的海面表層水流流速按下述方法計(jì)算。 （4.7）式中： 風(fēng)成流

26、的流速，； 10分鐘平均最大風(fēng)速，取施工風(fēng)速的2%，4 系數(shù)，=0.025。則 =0.0254=0.01 （） 流向與風(fēng)向一致，或近似認(rèn)為與潮汐流向一致。2.海流流速沿水深變化，無實(shí)測資料，設(shè)計(jì)為深水，設(shè)其作用水深為200m,可按下式計(jì)算： （4.8）式中：海底以上z處的水流速度，； 海面表層潮流流速，； 風(fēng)誘發(fā)的海面表層流速，0.01； 水深，200m。已知 水面以下5m處，即海底以上195m處， =0.923； 水面以下60m處，即海底以上140m處，=0.888；將已知條件代上式（4.8）中，得： =+=0.923 =+=0.888由上式可得 =0.75 =0.25將其代入得：4.2.2

27、 水流對立管的作用海流和潮流的水質(zhì)點(diǎn)速度，較之波浪水質(zhì)點(diǎn)速度變化緩慢的多，所以海（潮）流可認(rèn)為是定常水流，它對立管的作用僅為拖曳力和升力。垂直作用在單位長度dl，直徑為D的立管上的作用力為：水平拖曳力 升力 式中 海流流速，； 海水密度，1025； 、分別為海流作用的拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)；1. 、 立管不受海底邊界影響，即=，=，不必乘以修正系數(shù)。則 =1.14，=2.02. 、取計(jì)算長度等于設(shè)計(jì)水深+設(shè)計(jì)最高潮位，即拖曳力 （4.9）升力 （4.10）則可得： =25.4KN =50.3KN4.2.3 潮流和波浪的聯(lián)合作用由于海潮流的存在，必然會改變波浪原來的運(yùn)動(dòng)特性，所以應(yīng)考慮波和流的聯(lián)合

28、作用。而這種聯(lián)合作用極為復(fù)雜，所以工程設(shè)計(jì)中按下列公式近似計(jì)算。 設(shè)海潮流的速度矢量為，設(shè)波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度矢量，則波流聯(lián)合作用在單位管長上的拖曳力矢量為：式中的是波浪與流共同作用下的阻力系數(shù)，既有別于純水流時(shí)的狀況，又有別于純波浪時(shí)的狀況。它是雷諾數(shù)Re、KC數(shù)Kc有關(guān)。按下式估算： （4.11）將0.75，=1.14，=1.0代入（4.11）得：=1.013海流速和波浪水平流速的和速度大?。?3.047海流速和波浪水平流速的和速度方向：設(shè)波和流聯(lián)合作用下水質(zhì)點(diǎn)的速度方向和海流速度方向夾角為，則所以2.786kN4.3 水流引起的漩渦激發(fā)振動(dòng)立管懸空于海水中，在一定條件下，水流流經(jīng)管線時(shí)，會遭

29、遇管道的尾流區(qū)產(chǎn)生漩渦，并且漩渦以一定的頻率從管道上下兩側(cè)及交替的瀉放，形成有規(guī)律排列的卡門渦街。由于尾流渦街的形成。立管除了受到上面所述的沿流向穩(wěn)定的拖曳力外，還受到一個(gè)沿流向的脈動(dòng)拖曳力和垂直于流向的脈動(dòng)升力。脈動(dòng)拖曳力的頻率是脈動(dòng)升力頻率的兩倍，而脈動(dòng)升力的頻率等于漩渦的泄放頻率。圖4.3卡門漩渦引起的震動(dòng)4.3.1 確定控制參數(shù)漩渦的泄放頻率 （4.12）式中：漩渦泄放頻率； 水流流速； D管道外徑； S斯特羅哈爾數(shù)，對于圓管，斯特羅哈爾數(shù)S與雷諾數(shù)Re有關(guān)，如圖4.4。海水動(dòng)力粘度系數(shù)則雷諾數(shù)=2.30由圖4.4可得：S=0.21圖4.4斯特魯哈數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系代入上式得： =0.2

30、10.75/0.508=0.730Hz管道的自振頻率=0.1359 Hz，認(rèn)為可以避免水流和波浪的作用下的管道的渦激振動(dòng)。換算速度（）計(jì)算式中：為結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振頻率由結(jié)構(gòu)邊界條件確定的常數(shù)，L為跨長，E為彈性模量，I為截面慣性矩，為構(gòu)件單位長度有效質(zhì)量。穩(wěn)定性常數(shù)（）計(jì)算 （4.13）式中：為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在水中的阻尼率，取3%，為流體密度。代入可得： 將以上的得出的結(jié)果列入表格：2.30 0.7301337.40.142324.3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件渦激振動(dòng)的判別正向激振按下式判別當(dāng)時(shí)，發(fā)生正向激振。橫向激振按下式判別當(dāng)時(shí)，發(fā)生橫向激振。根據(jù)渦激振動(dòng)條件和上述計(jì)算值，對塔架的激振情況判別如下。表4.2渦激

31、振動(dòng)的判別立管控制參數(shù)激振判別VrKs正向振動(dòng)橫向振動(dòng)1337.40.14232不可能發(fā)生不可能會發(fā)生4.3.3 渦激振動(dòng)力作用下構(gòu)件應(yīng)力校核渦漩流作用在單位長度構(gòu)件上的力（F） （4.14）為脈動(dòng)力系數(shù)，是Re的函數(shù)，為渦激頻率，即渦流頻率。取，3，應(yīng)用上述公式可得到作用在立管上的渦流載荷以及塔架的最大應(yīng)力。 =44.4KN圖4.5雷諾數(shù)與升力系數(shù)的關(guān)系動(dòng)力放大系數(shù)（DLF）由于渦激振動(dòng)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的動(dòng)力放大系數(shù)DLF為： （4.15）其中：n為載荷周期數(shù)取，則由于渦激振動(dòng)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的動(dòng)力放大系數(shù)DLF為： 16.67所以設(shè)計(jì)中0.9233m/s的渦激橫向載荷為740.15KN。4.4 海

32、冰和地震載荷 在南海沒有海冰，且地震的數(shù)據(jù)也不足，因此本設(shè)計(jì)不對海冰和地震載荷進(jìn)行計(jì)算。第五章 立管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算海洋立管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要根據(jù)管道的使用要求、運(yùn)行條件各所處的海洋環(huán)境條件，以及鋪設(shè)方法等狀況，并且保證其最大程度地安全運(yùn)行的原則來的進(jìn)行。而立管部分，由于所處位置使受力條件更加復(fù)雜，需專門考慮其設(shè)計(jì)問題。5.1 立管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1.1 立管斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)輸送立管為熱油管道輸送，采用同心的雙層管，內(nèi)管是輸送管，外管施保溫管，保溫層夾在內(nèi)外管之間。外層管的外表面要加腐蝕涂層、陰極保護(hù)設(shè)施。1、內(nèi)管與外管之間的聯(lián)接內(nèi)、外管之間分段設(shè)固定段的聯(lián)接。施工時(shí)雙層管道接頭處聯(lián)接方式為帶

33、封隔法蘭的雙層鋼管保溫結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外管分段間隔固定連接時(shí)，外管除了承受外壓、管道彈性彎曲，遭受波浪流等外載荷，通過固定聯(lián)接件還與內(nèi)管一道承受間隔分段傳來的溫度應(yīng)力與應(yīng)變。內(nèi)外管之間的聯(lián)接有多種，本設(shè)計(jì)采用支撐板和固定支撐板。2、支撐板的選擇支撐板型式為肋形，沿管道縱向設(shè)置在內(nèi)管與外管之間，并固定在內(nèi)管外表面，根據(jù)管徑的大小，在斷面圓周范圍內(nèi)，均勻設(shè)置6塊。支撐板高度56.325mm這里，是外管內(nèi)徑，是內(nèi)管的外徑。支撐板沿高度軸方向的長度=6h=337.95mm支撐板厚度=17.4752+3=20.4752mm3、固定支撐板的設(shè)計(jì)固定支撐板起著將內(nèi)管與外管在支撐板所在截面固定聯(lián)接在一起的作用。它根

34、據(jù)設(shè)計(jì)要求他用一定厚度、長度和高度的數(shù)塊支撐板組合在一起，將內(nèi)外管固定聯(lián)接在一起。如圖7.1。圖7.1 固定支撐板固定支撐板的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要是根據(jù)溫度應(yīng)力計(jì)算內(nèi)管在固定截面處的推力。因固定支撐板以受剪方式承受該推力，從而計(jì)算出支撐板沿管軸方向所需要的截面積。再根據(jù)計(jì)算出的截面積決定每組固定支撐板的塊書、長度、厚度和高度。溫度應(yīng)力計(jì)算同第三章工作載荷設(shè)計(jì)中的溫度應(yīng)力計(jì)算中的一樣，這里不再壘算，只列出結(jié)果。作用于內(nèi)管的軸向溫度應(yīng)力=70.1961.17278=228.32此應(yīng)力在內(nèi)管固定截面產(chǎn)生的推力228.320.02310=5274.8kN式中，內(nèi)管溫度應(yīng)力； 內(nèi)管的截面積； 內(nèi)管的平均半徑；

35、 內(nèi)管的壁厚。此推力由固定支撐板承受。固定支撐板承受的是剪力，所以固定支撐板所需要的受剪面積 （7.1）一組固定支撐板的總截面積（=塊數(shù)長厚）；固定支撐板鋼材容許剪切應(yīng)力900，即88.235MPa所以，=5274.8/88235=597.81首先選擇固定支撐板的形式，如圖7.1，在外管內(nèi)側(cè)固定。則，固定支撐板的高度=60.235mm 長度=（35）h=（35）60.235=180.705301.175mm 厚度n為支撐板的塊數(shù)。綜合考慮，取固定支撐板尺寸：=3003560.235（單位為mm）則實(shí)際每組支撐板受剪面積符合強(qiáng)度條件。4、固定支撐板焊接縫強(qiáng)度計(jì)算焊縫強(qiáng)度校合方法如下：支撐板沿長度

36、的焊縫長度焊縫的有效高度為，為焊縫尺寸，根據(jù)取值規(guī)則1.5，取=10mm,則=0.7mm焊縫總有效面積為則焊縫受剪力為 =5274.8/（201.6）=261.64按規(guī)范，焊條應(yīng)與被焊鋼材的強(qiáng)度相適應(yīng)，故焊接的容許剪切強(qiáng)度與鋼材的相同。而=261.64<，說明強(qiáng)度不夠，需要重新計(jì)算支撐板尺寸。焊接強(qiáng)度不夠時(shí)，需要加長支撐板板長。1） 現(xiàn)取支撐板長度 =780mm 厚度 則固定支撐板尺寸：=7802060.235（mm）則實(shí)際每組支撐板受剪面積符合強(qiáng)度要求。2） 焊縫強(qiáng)度校合支撐板沿長度的焊縫長度焊縫的有效高度為=0.7mm焊縫總有效面積為5、支撐板的間距的選擇1.支撐板的間距支撐板的間距

37、沿軸向的間距是鋼管單節(jié)管長度和加工套裝方法確定。立管用鋼管單根長度一般為12m，在單節(jié)管兩端頭留出500mm，則支撐板每組的間隔為11m。2.固定支撐板間距從國外設(shè)計(jì)實(shí)際資料分析，固定支撐板的間距很不一致，有的間隔350m,有的為100120m，有的只有4060cm。本立管全長2400m，所以隔200m設(shè)置一組固定支撐板，則立管需要25組固定支撐板。5.2 管壁的校核 按工藝計(jì)算確定的管道的直徑。而鋼材手冊給出的是外徑，而且同一種外徑的管子，若壁厚不同。內(nèi)徑也不同。立管厚度與管徑D之比<0.1時(shí)，按薄壁容器分析內(nèi)壓引起的管壁應(yīng)力和確定壁厚。內(nèi)壓大于外壓時(shí)，管子的壁厚要能承受設(shè)計(jì)內(nèi)壓，即最

38、大工作內(nèi)壓與最小外壓之差，對于雙層管就是最大輸送壓力。管道在設(shè)計(jì)內(nèi)壓作用下引起的管壁應(yīng)力有幻想應(yīng)力、軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力（切向應(yīng)力）。在內(nèi)壓P作用下管壁在圓周切線大方向上將產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，為管徑內(nèi)徑，為壁厚。軸向應(yīng)力是內(nèi)壓作用在管端，在管壁上能夠沿軸向產(chǎn)生可應(yīng)力。 （7.2）徑向應(yīng)力是管道受內(nèi)壓在徑向產(chǎn)生的應(yīng)力。徑向應(yīng)力。一般管道>20，故>5P， >10P，即>>，則計(jì)算受力狀態(tài)時(shí)，只考慮環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。5.2.1 內(nèi)管壁厚的校核用內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算管道壁厚，公式為： （7.3）令，上式變?yōu)椋?（7.4）式中：超載系數(shù)，取1.15； 內(nèi)管壁厚，mm； 管內(nèi)流

39、體最大工作壓力，為14.7MP 內(nèi)管的管徑，為355.60mm； 鋼管材料的容許應(yīng)力， 內(nèi)壓引起的管壁環(huán)向壓力，KPa； 鋼管縱向焊接縫系數(shù)，對于無縫鋼管取1.0； 鋼管壁厚制造公差，取0.4mm； 內(nèi)管腐蝕裕量，取3.2mm；其中，公稱最小屈服強(qiáng)度為=448MPa，1.39位材料安全系數(shù)，則容許應(yīng)力將各值代入上式中，得： 實(shí)際所選內(nèi)管厚度=17.5mm>12.51mm，所以滿足要求。5.2.2 設(shè)計(jì)外壓校核外管壁厚用設(shè)計(jì)外壓校核管壁是為了使管道不被壓屈。對于一定直徑、一定壁厚的鋼管可以承受一定的外壓。當(dāng)外壓超過某一臨界壓力時(shí)，管子被壓屈而失去穩(wěn)定。顯然，管道不被設(shè)計(jì)外壓壓屈的條件是：1

40、） 管子被壓屈的臨界壓力，通常采用鐵木辛柯公式計(jì)算： （7.5）式中：彈性模量E=278GPa 泊松比=0.3 為外管壁厚 鋼管外徑=508mm 壓屈波數(shù)n=2 2)設(shè)計(jì)外壓=最大外部壓力最小的內(nèi)壓。對雙層管，設(shè)計(jì)外壓就是最大的外壓。立管最大外壓。 式中：海水的重度，=1.0259.8=10.045 h浸入水中的立管高度，取h=水深+設(shè)計(jì)高潮位+2/3設(shè)計(jì)最大波高 則 h=100+2.06+6.82/3=1006.6m設(shè)計(jì)外壓 =10.0451006.6=10111.3KN按此設(shè)計(jì)外壓，需要的外管壁厚為 （7.6）=0.4mm，含義同上；=6.0mm，外管外腐蝕裕量。將各數(shù)值代入上式得：本設(shè)計(jì)

41、實(shí)際所取得外管壁厚=15.872mm>15.37mm，滿足要求。5.3 立管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算的目的是合理選材，滿足安全和經(jīng)濟(jì)的原則。立管會受到各種外力和各種內(nèi)力作用。例如，因溫度改變，管道金屬會膨脹受限制時(shí)，會產(chǎn)生溫度應(yīng)力；在管內(nèi)流體與管外流體壓差作用下產(chǎn)生的各向應(yīng)力；當(dāng)管道受彎曲時(shí)還會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力等等。立管為雙層管，要單獨(dú)進(jìn)行內(nèi)管和外管的強(qiáng)度校核，彎曲應(yīng)力主要是在施工過程前后，不必分內(nèi)外管。5.3.1 施工中管道彎曲引起的彎曲應(yīng)力立管在施工安裝、鋪設(shè)過程中，尤其在管道鋪設(shè)的前后，必然在平面和立面內(nèi)存在不同程度的彎曲。彎曲就會在管體內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。1） 管道允許的最小曲率半徑式中：容許彎

42、曲用力=257942.4KPa; 彈性模量 E=278GPa; 鋼管外徑=508mm2)管道彎曲中的應(yīng)力管道彎曲后，管壁上的應(yīng)力重新分布，這時(shí)在設(shè)計(jì)內(nèi)壓作用下，管壁的環(huán)向應(yīng)力 （7.7）內(nèi)側(cè)（=） 外側(cè)（=） 將=273.75m, =0.3556m，=0.508m，=14MPa，=0.0174752m，=0.01588m代入上兩式，得：內(nèi)側(cè)（=） 134.39MPa外側(cè)（=） 224.03MPa5.3.2 內(nèi)管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 內(nèi)管主要承受內(nèi)壓產(chǎn)生的管壁壓力和溫度應(yīng)力。1、溫度應(yīng)力 作用于內(nèi)管的溫度軸向應(yīng)力 70.1961.17278=228.32（的具體計(jì)算公式中各量的含義在3.1.3章節(jié)中已詳

43、述，這里僅列出結(jié)果）2、內(nèi)壓產(chǎn)生的管壁應(yīng)力 內(nèi)壓引起的管壁環(huán)向應(yīng)力 （7.8） 將=14MPa，代入上式，得： =174.37MPa內(nèi)壓引起的管壁軸向應(yīng)力 MPa內(nèi)壓引起的管壁徑向應(yīng)力為=150，相對較小，忽略不計(jì)。3、內(nèi)管強(qiáng)度計(jì)算將內(nèi)壓產(chǎn)生的管壁應(yīng)力、溫度變化引起的溫度應(yīng)力和鋼管彎曲時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)行迭加，再按適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度理論校核。因鋼管受拉伸時(shí)的相對伸長率均大于6.5%屬于塑性材料，故合成應(yīng)力可按第四強(qiáng)度理論計(jì)算： （7.9）式中： 管道工作時(shí)，由各種原因引起的環(huán)向應(yīng)力之和，考慮壓力超載可加大10%15%。 軸向應(yīng)力之和，考慮壓力超載可加大5%10%； 徑向應(yīng)力之和。滿足強(qiáng)度要求的管道應(yīng)滿足

44、 =1.15=1.15174.37=200.526 MPa =14 MPa將各向應(yīng)力代入上式，得： 在各向應(yīng)力中，環(huán)向應(yīng)力=200.526 MPa，最大，可能是危險(xiǎn)情況，則應(yīng)用第五強(qiáng)度理論在一次進(jìn)行校核。徑向應(yīng)力相對較小，忽略不計(jì)。第五強(qiáng)度理論將軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力代入公式計(jì)算，得：綜上，內(nèi)管結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。5.3.3 外管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算外管主要承受外壓產(chǎn)生的應(yīng)力，由于內(nèi)、外管之間是通過分段間隔固定聯(lián)接，所以也要承受溫度變化引起的溫度應(yīng)力。立管由于所處的特殊位置，要受到風(fēng)浪流、地震等環(huán)境載荷得到作用，極為復(fù)雜。在后面的章節(jié)中，將會具體設(shè)計(jì)計(jì)算工作載荷和環(huán)境載荷各種組合狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算。這里計(jì)算設(shè)

45、計(jì)外壓、內(nèi)壓及溫度引起的外管應(yīng)力。作用于外管的軸向溫度應(yīng)力為： 228.3228.77/38.04=172.68作用于外管的軸向壓力應(yīng)力=13.249設(shè)計(jì)外壓即最大外壓外管外徑與內(nèi)管內(nèi)徑相差不多，因此，有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)壓的設(shè)計(jì)壓力所計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力必小于內(nèi)管的環(huán)向應(yīng)力，而外管軸向應(yīng)力也遠(yuǎn)小于內(nèi)管軸向應(yīng)力，徑向應(yīng)力也忽略。這樣計(jì)算的結(jié)果是，外管壁滿足要求。以下是對外管的壓屈穩(wěn)定性的校核。被壓屈的臨界壓力 （7.10）式中：彈性模量E=278GPa； 泊松比=0.3 鋼管外徑； 壓屈波數(shù)n=2； 外管壁厚=15.875-6=9.875mm；代入上式，計(jì)算得： 因?yàn)?所以，立管不會被壓屈，是安全的。5.4

46、 組合載荷下立管的強(qiáng)度分析載荷組合的原則是根據(jù)不同設(shè)計(jì)狀態(tài)，對可能同時(shí)出現(xiàn)的各種載荷進(jìn)行最不利的組合，但風(fēng)地震載荷不與其它環(huán)境載荷進(jìn)行組合。正常在位狀態(tài)的環(huán)境載荷考慮重現(xiàn)期不小于50年所引起的最大載荷，這里考慮重現(xiàn)期為50年。立管系統(tǒng)的載荷組合，考慮兩種狀態(tài)，即在位狀態(tài)和安裝狀態(tài)。在位狀態(tài)包括運(yùn)行和維修狀態(tài)，安裝狀態(tài)包括立管吊裝、連接、運(yùn)輸?shù)纫约爸兄惯\(yùn)行的修理狀態(tài)。立管在各種設(shè)計(jì)狀態(tài)的載荷組合如下：（1） 在位狀態(tài)恒載+設(shè)計(jì)壓力+波浪力+海流力（2） ？安裝狀態(tài) 安裝作用力+相應(yīng)的環(huán)境載荷立管系統(tǒng)熱膨脹的影響和偶然載荷一般作為校核載荷。已知：在位狀態(tài) 橫截面積A=0.02054 彈性截面模量W=2.655.4.1 恒載+設(shè)計(jì)壓力+波浪力+海流力1.設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)壓力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力數(shù)值等于其本身2.恒載總軸向力即為立管管道重力+管內(nèi)液體重+浮力。即3.波流聯(lián)合作用 由前面的計(jì)算可知，在波、流聯(lián)合作用下，立管受到的最大拖曳力：2.786KN，相當(dāng)于92.8N/m,最保守計(jì)算，即立管水下部分作用有的均布力。在波流聯(lián)合作用下， 137.8則 組合應(yīng)力 = 所以，在為狀態(tài)，該組合載荷下，強(qiáng)度滿足要求。5.5 特殊載荷下作用下的管壁強(qiáng)度校核特殊載荷主要有：管道試壓試驗(yàn)壓力；管路內(nèi)可能產(chǎn)生的水擊壓力；某些特殊的施工應(yīng)力。5.5.1 試驗(yàn)壓力為了確保管道鋪設(shè)以后