５１卷增刊１　中　国　造　船　２０１　１年７月　ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　Ｖｏ１．５　１　Ｓｐｅｃｉａｌ　１　Ｊｕｌｙ　２０１１　

文章编号：１０００－４８８２（２０１　１）Ｓｌ－０１２３—０９　

深水海底管道止屈器设计研究　

汪红艳　，陈晓贤　，林金保　，曹　静　，沙　勇　，张恩勇　

（１．上海利策科技有限责任公司，上海２００２３３；２．中海石油研究中心，北京１０００２７）　

‘　摘要　随着水深的增加，深水海底管道由于外压导致压溃、屈曲及屈曲传播的可能性大大增加。深水海管设　计中，通常采用止屈器来控制海管由于较大的外压可能造成的压溃及屈曲传播。止屈器的主要作用是：在　管道受外压的条件下，一旦发生压溃屈曲并发生屈曲传播时，将屈曲传播的破坏限制在一定管道长度范围　内。该文进行了深水海底管道止屈器设计研究，并基于有限元模型进行了管道的屈曲和屈曲传播分析。　

关　键　词：压溃；跨越屈曲传播；深水海管；止屈器；有限元分析　

中图分类号：Ｐ７５２　文献标识码：Ａ　

０引　言　

在管道铺设过程中，管道受到张力、弯矩和外部压力的综合影响，有可能发生屈曲传播；或者在　

管道的整个生命周期中，由于受到外来物体的作用，也可能会发生屈曲传播现象。一旦发生这种现象，　

就很难被阻止，除非外部压力低于屈曲传播压力，或者有局部加强措施（止屈器）。　

屈曲传播的临界压力（Ｐｐ）就是能维持管道的屈曲传递所需要的最小压力，屈曲破坏压溃的临界　压力（　）就是完整无损的管道受到压力时发生屈曲破坏所需要的最小压力…。由于传播压力远远低于　

压溃压力（Ｐｃ），一般来说，Ｐ　的大小只有尸ｃ的１５％左右【２】，因此，比屈曲破坏小得多的压力就可　

以使己经存在屈曲缺陷的管道沿轴线快速传播。为避免屈曲传播而设计的海上管道会非常昂贵，而且　过于保守；另一方面，更换一段长度很大的受损管道成本非常大。尤其是对于深水海底管道，一旦发　

生大范围的屈曲传播，其速度可达到数百米／秒，所造成的损失无法估量，而且其修复成本也非常之　

高。解决海底管道屈曲传递的一种较为经济性的方法，就是沿着管道的轴线、相隔一定距离设置止屈　

器，其工作原理就是使管道的屈曲传递不能跨越屈曲器，限制屈曲仅发生于两个止屈器之间。止屈器　

虽然在一定程度上有可能造成管道发生局部的屈曲，但却能很好地保持了管道的整体性，在安全性和　经济性之间取得了比较好的平衡。因此，止屈器越来越受到广泛的应用。止屈器间隔的确定是基于多　

种因素的综合，这些因素包括：修复压溃管段的成本、安装止屈器的成本、管道损坏的可能性以及阳　

极保护块安装间距等，最终由工程师根据项目的不同特点而决定，一般来说问隔取９０～ｌ８０ｍ是比较　合理的【　－　。　

由于深水条件下海管壁厚不是根据屈曲传播压力选取的，因此在深水条件下屈曲传播几乎是不可　

避免的；而且ＰＩＰ管系外管由于没有内压相抵消，更容易发生屈曲传播。一旦发生破坏，就会导致保　温失效。另外，内管在停止作业期间也存在屈曲传播的危险，所以在安装阶段和整个作业阶段，考虑　

如何避免发生局部屈曲是非常关键的。　

收稿日期：２０１１－０５．２０；　修改稿收稿日期：２０１１－０７．１５

　ｌ２４　中　国　造　船　学术论文　

Ｓ．Ｋｙｒｉａｋｉｄｅｓ等人运用试验和数值模拟方法，对薄壁和相对厚壁管道在弯曲和外部静水压力作用　下的屈曲问题进行了研究，分析了径厚比、材料特性、初始椭圆率和加载路径对管道屈曲的影响，发　

现管道的临界屈曲荷载和失稳特性与加载路径相关；同时也研究了扣入式和整体式止屈器的工作性　能，分析了止屈器长度、壁厚和材料性能对止屈器跨越压力的影响等【４　】。　

梁振庭等人研究了深海油气管道上止屈器的使用，并研究了影响整体式止屈器止屈效率的各种因　

素；包括：止屈器长度、厚度及径厚比等。通过实验测量，比较了动态和准静态情况下的穿越压力，　总结了止屈效率与管道屈曲失效模型的关系【８】。　

止屈器的主要类型有整体式（Ｉｎｔｅｇｒａｌ　ａｒｒｅｓｔｏｒ）、滑移式（Ｓｌｉｐ—ｏｎ　Ａｒｒｅｓｔｏｒ）、夹套式（Ｃｌａｍｐ　

Ａｒｒｅｓｔｏｒ）、内环式（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｒｉｎｇ　Ｂｕｃｋｌｅ　Ａｒｒｅｓｔｏｒ）以及内螺旋式（Ｉｎｔｅｍａｌ　Ｓｐｉｒａｌ　Ｂｕｃｋｌｅ　Ａｒｒｅｓｔｏｒ）。　

整体式止屈器是由更粗的管道加工而成，止屈器与管道内径相同，通过焊接连接在一起。滑移式　

止屈器以一定间距紧套在管道上，通过增加环向刚度来增加管道的抗压溃能力，从而阻止下游管道压　

溃传播。夹套式止屈器与滑移式止屈器工作原理相似，由两个半壳组成，用螺栓把两个半壳紧紧固定　

在管道上。内环止屈器是一种圆形钢环，放置于外管与内管之间的环缝当中，并与外管紧密结合。内　

螺旋止屈器由一个钢质螺旋弹簧构成，其直径稍大于外管内径。在安装的时候，需要给予弹簧一个拉　

伸张力，这样内螺旋外径变小，就可以把止屈器放置到恰当的位置；再移除张力，这样螺旋止屈器直　

径扩大且与管道内表面紧紧贴在一起。这种方案的优点是不会对管道增加太大的弯曲刚度，因而适合　

卷管安装。　

当前实际工程中应用比较多的是整体式和夹套式止屈器，前者能够提供较高的止屈效率且制造成　本较低；后者安装方便，特别适用于卷管铺管法。在大型油气田及煤层气开发项目中所采用的是整体　

式止屈器，本文介绍了该项目中的止屈器设计方法，并基于有限元方法进行了管道屈曲及屈曲传播分　

析，对设计止屈器进行止曲效率验证。　

１设计方法　

项目中采用的止屈器是厚壁圆柱整体式止屈器（法兰形状）。管道和止屈器的尺度标识代号如图　

１所示。　

—　

Ｄ　

—　卜．Ｌ。　

图１　止屈器结构不意图　

整体式止屈器的设计思路概括如下【９Ｊ：　

（１）计算管道压溃压力Ｐｃ和屈曲传播压力ＰＤ　；　

（２）选择ｂｕｃｋｌｅ　ａｒｒｅｓｔｏｒ钢材等级；　

（３）计算出ｂｕｃｋｌｅ　ａｒｒｅｓｔｏｒ最小壁厚ｈｅｍ；　

（４）选择止屈器长度（要求３．ＯＤ＞Ｌ　＞Ｏ．２５Ｄ）或厚度（要求ｈａ＞ｈｅｍ）　（５）确定长度（或厚度）以后，计算止屈器的厚度

（或长度），计算中跨越压力Ｐｘ的取值需要　５ｌ卷增刊ｌ　汪红艳，等：深水海底管道止屈器设计研究　１２５　

考虑适当的安全系数；　

（６）建立可靠的数值模型来测验设计，或者做一个全尺寸的试验来验证设计。　

根据上述的设计方法，结合项目中的海管参数及选取的设计参数（见表１），最终给出推荐的止　

屈器的结构尺寸参数　（参见表２）。　・　

表１选取的参数“。　

・止屈器材料等级＝Ｘ－６５。　

２　有限元验证　

２．１计算方法　

管中管（Ｐｉｐｅ—ｉｎ—ｐｉｐｅ，ＰＩＰ）的止屈器（Ｂｕｃｋｌｅ　Ａｒｒｅｓｔｏｒ）设计校核采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ１　１．０。　

本文分别对单管（无止屈器结构）、管中管（无止屈器结构）以及单管（带有止屈器结构）以及管中　

管（带有止屈器结构）在外压作用下的屈曲分析及屈曲传播分析进行校核。无止屈器管道结构的屈曲　和屈曲传播均采用ｓｈｅｌｌ１８１　２Ｄ单元模拟ＰＩＰ内外管，止屈器采用ｓｏｌｉｄ　４５　３Ｄ单元模拟。计算中通过　

定义接触单元模拟管壁之间的接触关系，考虑结构的大变形效应。ＰＩＰ管系结构尺寸参见表３，单管　

结构采用ＰＩＰ外管尺寸。　

表３　ＰＩＰ管系尺寸　

２．２屈曲及后屈曲分析　本节介绍了无止屈器管道结构的屈曲、屈曲传播以及有止屈器结构的跨越屈曲传播分析，并分单、　

双管结构进行了压溃压力、屈曲传播压力以及跨越压力的比较。所有管材及止屈器都选用Ｓｔｅｅｌ　Ｘ一６５　

钢材。　为节省计算时间，均仅进行１／４结构建模。针对无止屈器结构，采用ｓｈｅｌｌ１８１单元；对有止屈器　

结构，采用ｓｏｌｉｄ４５单元。为防止出现过度渗透变形，计算模型需进行接触设置，包括内外管之间的　

接触以及两个对称面的刚性接触。同时，考虑材料非线性、大变形效应和接触非线性，进行计算设置。

　中　国　造　船　学术论文　

２．２．１无止屈器管道结构　采用弹塑性应力．应变曲线模拟钢材属性，屈服极限为４４８ＭＰａ。在外压作用下，对无止屈器管道　加载初始缺陷；当外压超过压溃压力时，管材发生局部屈曲；随着外压载荷不断加大，会发生屈曲传　播现象，从而得到临界传播压力。　

（１）单管结构　依据规范ＤＮＶ—ＯＳ．Ｆ１０１　１１，压溃临界压力Ｐｃ为２４．７２８ＭＰａ。　

屈曲传播是进行海管设计考虑的一种极限状态，常用的典型设计标准和一些相关的研究工作参见　表４。　

表４单管屈曲传播压力计算公式　

图２为单管屈曲及屈曲传播，图３为单管径向节点屈曲传播路径，图４为单管屈曲后截面形状，　表５为单管屈曲传播压力。　

／　／　

（２）　（３）　图２单管屈曲及屈曲传播　

图３单管径向节点屈曲传播路径　溢　薹ｌ　＝　目圉｛

　昌　５ｌ卷增刊ｌ　汪红艳，等：深水海底管道　屈器设计研究　ｌ２７　

图４单管屈曲后截面形状　

表５　单管屈曲传播压力　

（２）管中管结构　影响ＰＩＰ屈曲传播压力的因素很多，因此确定其屈曲传播压力也相对比较复杂。通过试验数据的　

统计，Ｋｙｒｉａｋｉｄｅｓ提出了ＰＩＰ和单管的屈曲传播压力存在的近似关系式：　

Ｐ２ｐ＝１＋１．０９５（　‘　Ｏｉｏ　ｔｉ　（１）　

式中，Ｐ：。为ＰＩＰ的屈曲传播压力，Ｐｐ为单管的屈曲传播压力，　为ＰＩＰ内管的屈服应力，ｏ－￣为ＰＩＰ　

外管的屈服应力，Ｄｉ。为ＰＩＰ内管的外径，Ｄｏ为ＰＩＰ内管的外径，　为ＰＩＰ内管的壁厚，，为ＰＩＰ　外管的壁厚。　

式（１）体现了内管对ＰＩＰ屈曲传播的影响作用，计算得到的ＰＩＰ的屈曲传播压力是单管的屈曲　

传播压力的２．０１５倍，即Ｐ２ｐ／Ｐ。≈２．０１５。须要说明的是，该公式充分考虑了内管对外管屈曲变形的　

抵抗作用，所得到的屈曲传播极限压力值趋于保守。图５为管中管发生屈曲的截面渐变图，表６为管　中管屈曲传播压力。　

誊　ｂ　；　莲窭逾　

—Ｊ■＿　■■■　■ｈ　地　■　———————　●一　。ｆ＇　０●　‘　４‘，　０‘　Ｊ’　：　ｃ！　一…。一　・　（５）　

图５

管中管发生屈曲的截面渐变图　１２８　中　国　造　船　学术论文　

从结果可见，ＦＥＡ计算出的管中管的屈曲传播压力与ＫＹＲＩＡＫＩＤＥＳ实验得到的经验数据基本吻　

合。　

２．２．２有止屈器管道结构　

本节介绍了使用有限元分析方法进行整体式止屈器跨越屈曲传播的分析（包括单管和ＰＩＰ管系的　

两种结构），比较了两种结构下的跨越压力及止曲效率。在外压作用下，通过加载初始缺陷，在外压　

超过压溃压力Ｐｃ时，管材发生局部屈曲；在临界屈曲传播压力ＰＰ作用下，发生屈曲传播到止屈器位　

置，通过不断增大压力，发生跨越屈曲传播，从而得到跨越传播压力Ｐｘ。　

（１）单管结构。　

图６为有整体式止屈器单管跨越屈曲传播，图７为有整体式止屈器单管发生屈曲的截面渐变图。　

图６有整体式止屈器单管跨越屈曲传播　

一　｝　（２）　（３）　叠　Ｉ

：　…●口，●５　，　口１１　●　＇　．０，　ｌ　…㈨…　ｌ●。，｝，　（４）　（５）　（６）　

图７有整体式止屈器单管发生屈曲的截面渐变图　（２）管中管结构　

针对管中管模型，除了两个对称面建立刚性接触以外，还要考虑内外管之间的接触。计算模型　

参见图８；发生跨越屈曲传播及管中管截面变形的状况参见图９和图１０。止屈器变形图参见图ｌ１。