Р Газпром 2-3.7-069-2006

 

  Главная       Учебники - Газпром      Р Газпром 2-3.7-069-2006

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р Газпром 2-3.7-069-2006

 

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ГАЗПРОМ»

СТАНДАРТ ОАО «ГАЗПРОМ»

 

ДОКУМЕНТЫ НОРМАТИВНЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ,

СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ

ОАО «ГАЗПРОМ»

 

 

РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ RP E305.

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ НА ДНЕ

ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

 

 

Р Газпром 2-3.7-069-2006 (RP E305)

 

 

 

 

Общество с ограниченной ответственностью

«Научно- исследовательский институт природных газов и газовых технологий – ВНИИГАЗ»

 

Общество с ограниченной ответственностью

«Информационно-рекламный центр газовой промышленности»

 

 

РАЗРАБОТАН

Обществом с ограниченной ответственностью "Научно- исследовательский институт природных газов и газовых технологий" (ООО "ВНИИГАЗ") с участием специалистов организаций и дочерних обществ ОАО "Газпром"

 

ВНЕСЕН

Управлением проектирования и технического нормирования Департамента инвестиций и строительства ОАО "Газпром"

 

УТВЕРЖДЕН

И ВВЕДЕН В

ДЕЙСТВИЕ

Распоряжением ОАО "Газпром" от 30 января 2006 г. № 5 с 1 июля 2006 г.

 

Распространение настоящего стандарта осуществляется в соответствии с действующим законодательством и с соблюдением правил, установленных с действующим законодательством и с соблюдением правил, установленных ОАО «Газпром»

 

Veritec не несет ответственности за убытки или ущерб, понесенные в результате использования данного документа без разрешения Veritec.

Для того чтобы компания Veritec оказывала услуги, связанные с использованием данного документа, ответственность Veritec должна быть определена условиями договора между Заказчиком и Veritec.

Ни одна из частей данного документа не может быть воспроизведена в какой-либо форме без предварительного письменного разрешения Veritec.

 

1.Настоящий стандарт идентичен Руководящим указаниям RP E305 "Расчет устойчивости на дне подводных трубопроводов" классификационного общества DET NORSKE VERITAS-DNV с редакционными изменениями для учета научно-технической терминологии, принятой в практике проектирования ОАО "Газпром".

2.Разрешение на использование стандартов DNVв качестве стандартов ОАО "Газпром" получено на основании письма DNV oт 18.02.2004 г. № TEANO790/NA/TEAadm09-J-31.

 

ТОМ Е: ТРУБОПРОВОДЫ И СТОЯКИ

ГРУППА Е 300: ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ

 

RPE305

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ НА ДНЕ

ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

 

ОКТЯБРЬ 1988

 

 

Руководящие указания являются руководством для проектных решений, методов расчета, технических условий (Тома А - Е) и проектирования морских объектов (Том О).

Публикация данных Руководящих указаний охватывает испытанную технологию и решения, проверенные на практике Veritec для предоставления надежной методики. Данные публикации не затрагивают всех областей морской технологии, но используются в качестве дополнения к общепринятым нормам, регулярно используемым в данной отрасли.

Данные публикации разделены на 6 томов, каждый том делится на группы. В пределах каждой группы Руководящие указания представлены в виде отдельных брошюр. См. таблицу на следующей странице.

Том О содержит руководства по проектированию морских объектов. Данные публикации являются Руководящими указаниями для морских объектов.

Тома А - Е дают руководства относительно специфических технических решений, методов расчета и т.д. Данные публикации являются Руководящими указаниями для субъектов.

 

RP E305 Расчет устойчивости на дне подводных трубопроводов.

 

• Общие положения:

Данные Руководящие указания разработаны взамен следующих публикаций Veritec:

Таковых нет.

• Изменения в данной редакции Руководящих указаний:

Таковых нет.

 

Таблица 1: Общий обзор Руководящих указаний Veritec.

 

РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ для морских объектов

 

Том     О            Проектирование морских объектов

Группа О 100      Проектирование буровых установок и сооружений для добычи нефти и газа

Группа О 200      Проектирование конструкций

Группа О 300      Проектирование трубопроводных систем

Группа О 400      Проектирование подводных систем добычи

 

РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ для субъектов

 

Том     А              Методология обеспечения качества

Группа А 100      Система качества

Группа А 200      Оценка подрядчиков и поставщиков

Группа А 300      Проверка качества

Группа А 400      Оценка персонала QA/QC

Группа А 500      Системы обеспечения безопасности

Группа А 600      Анализ безопасности и риска

Группа А 700      Системы документации и информации

 

Том     В              Технология материалов

Группа В 100       Конструкционные материалы

Группа В 200       Материалы для использования в буровых, скважинных, добычных и технологических системах

Группа В 300       Материалы для трубопроводов и стояков

Группа В 400       Защита от коррозии

Группа В 500       Отбор образцов и испытания материалов

Группа В 600       Сварка и термообработка

Группа В 700       Неразрушающий контроль

 

Том     С             Сооружение морских установок

Группа С 100      Общие правила безопасности

Группа С 200      Системы добычи и переработки

Группа С 300      Средства измерения

Группа С 400      Электрические системы

Группа С 500      Бурение и завершение скважин

Группа С 600      Механическое оборудование и системы трубной обвязки

Группа С 700      Монтаж буровых, добычных и технологических установок

Группа С 800      Установка и пуск в эксплуатацию

Группа С 900       Контроль в ходе эксплуатации и техническое обслуживание буровых, добычных и технологических установок

 

Том      D           Конструкции

Группа D 100      Риск и надежность конструкций

Группа D 200      Нагрузки и состояния

Группа D 300      Фундаменты

Группа D 400      Стальные конструкции

Группа D 500      Бетонные конструкции

Группа D 600      Алюминиевые конструкции

Группа D 700      Сборные конструкции

Группа D 800      Изготовление, транспортировка и монтаж конструкций

Группа D 900      Контроль в ходе эксплуатации и техническое обслуживание конструкций

 

Том      Е            Трубопроводы и стояки

Группа Е 100       Риск и надежность трубопроводных систем

Группа Е 200       Природные нагрузки на трубопроводы

Группа Е 300       Прочность и устойчивость положения трубопроводов

Группа Е 400       Балластировочные покрытия и защита от коррозии

Группа Е 500       Гибкие стояки, гибкие трубопроводы и пучки труб

Группа Е 600       Хранение, транспортировка и монтаж

Группа Е 700       Контроль в ходе эксплуатации и техническое обслуживание трубопроводных систем

 

Содержание

 

0.Условные обозначения

1.Введение

2.Расчетные параметры

2.1 Основные параметры

2.2 Периодичность

2.3 Условия окружающей среды

2.4 Геотехнические условия

2.5 Топографические и батиметрические условия

2.6 Характеристики труб

3.Способ расчета

3.1 Общие положения

3.2 Стадии нагружения

3.3 Методы расчета

3.4 Погружение/Плавучесть

3.5 Обзор методов расчета

4.Критерии расчета

4.1 Общие положения

4.2 Возможное горизонтальное перемещение

4.3 Изгибная деформация

4.4 Другие существенные критерии

5.Методы расчета

5.1 Динамический Расчет

5.2 Обобщенный Расчет Устойчивости

5.3 Упрощенный Расчет Статической Устойчивости

6.Библиография

Приложение А Приближенный метод определения редуцирования пограничного слоя

А.1 Введение

А.2 Эпюра скоростей

А.3 Течение

А.4 Сочетание волн и течений

А.5 Примеры

А.6 Библиография

Приложение В Примеры расчетов

В.1 Введение

В.2 Упрощенный метод

В.3 Обобщенный метод

 

0. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

 

С       — Константа

D       — Номинальный наружный диаметр трубы

Е       — Модуль упругости

G      — Относительный вес грунта, песка

К       — Показатель Keulegan - Carpenter К = Us Tu/D

L       — Параметр веса трубы

М      — Параметр скорости течения по отношению к скорости волны М = Uc/Us

R       — Понижающий коэффициент, обусловленный направленностью и рассеиванием волн

S       — Параметр прочности на сдвиг

Т       — Параметр времени Т = ТІu

Y       — Полное перемещение

Ао     — Орбитальный полудиаметр скорости частицы

As     — Значимое ускорение

CD     — Коэффициент лобового сопротивления

CL     — Коэффициент подъемной силы

См     — Коэффициент инерции

Dcc     — Наружный диаметр стальной трубы, включая противокоррозионное покрытие

Di      — Внутренний диаметр трубы

Ds      — Наружный диаметр стальной трубы

FD     — Сила лобового сопротивления

Fi      — Сила инерции

FL      — Подъемная сила

Fw     — Коэффициент надежности по нагрузке

Hs      — Значимая высота волн

Kb     — Эквивалентный параметр шероховатости песка

Sf      — Коэффициент запаса

Snn(ω) — Волновой спектр (море с высокой волной)

Suu(ω) — Спектр придонной горизонтальной скорости

Su     — Прочность на сдвиг неосушенного глинистого грунта

ТI      — Период

Тn      — Параметр Tn =

Тр     — Максимальный период спектра поверхностных волн

Тu      — Средний период пересечения нуля

Uc      — Скорость течения, перпендикулярная трубе

Us      — Значимая скорость, перпендикулярная трубе

Us*    — Значимая скорость, перпендикулярная трубе (понижающий коэффициент не включен)

U*     — Скорость трения

UD     — Средняя скорость над диаметром трубы D

Ur     — Рекомендованная установившаяся скорость

U(z)   — Установившаяся скорость потока

Ws     — Вес трубы в воде

Wsd   — Расчетный вес

d       — Глубина воды

d50     — Средний размер частиц

fws     — Коэффициент корректировки веса в воде

g       — Ускорение свободного падения

k       — Номер волны

m0, m2 — Спектральные моменты

n       — Экспонента разброса

ts       —Толщина стальной трубы

z        — Отметка над уровнем морского дна

z0      — Параметр неровности дна

zoа     — Средняя неровность

zr       — Исходная высота над уровнем морского дна

α       — Константа Филлипса

β       — Поднаправление основного направления волн

δ       — Масштабируемое боковое перемещение

ε, ε'   — Инженерная и обобщенная деформация

ψ(β,θ)— Функция распространения

γ        — Параметр максимума в волновом спектре Jonswap

к       — Постоянная Кармана

µ       — Коэффициент трения грунта

ω       — Угловая частота

ωр     — Угловая частота спектрального пика

ρс      — Плотность бетонного покрытия

ρсс     — Плотность антикоррозионного покрытия

ρi       — Плотность перекачиваемого продукта

ρs      — Плотность песка

ρst     — Плотность стали

ρw     — Плотность воды

σ       — Параметр ширины спектра

θ       — Основное направление волн, фазовый угол

θр      — Направление, перпендикулярное к трубопроводу

 

1. Введение

 

Эти Руководящие Указания (РУ) содержат основные положения по расчету устойчивости подводных трубопроводов.

Основные цели этих Руководящих Указаний состоят в том, чтобы сделать самую последнюю информацию относительно устойчивости трубопроводов доступной для использования при проектировании подводных трубопроводов и обеспечить систему, при которой методы расчета устойчивости могут быть развиты далее, по мере доступности подробной информации. РУ главным образом основаны на результатах проекта Устойчивости Трубопроводов PIPESTAB, выполненного SINTEF (1983-1987) и поддержанного Esso Norge A/S и Statoil, см. [2]-[8].

Результаты других программ исследований могут быть в равной степени применимы для расчета устойчивости трубопроводов на дне. Есть намерение путем пересмотра настоящих РУ включать другие результаты/данные по мере того, как они будут становиться доступными, и таким образом расширить область применения РУ.

Метод расчета, представленный в этих Руководящих Указаниях, относится к трубопроводу, опирающемуся на морское дно в течение всего срока службы или до достижения некоторой другой формы устойчивости (укладка в траншее, заглубление, самозаглубление). Устойчивость трубопровода тогда непосредственно связана с весом трубопровода в воде, природными нагрузками и сопротивлением, оказываемым грунтом морского дна. Следовательно, цель расчета устойчивости состоит в том, чтобы проверить, что вес трубопровода в воде может удовлетворять требуемым критериям устойчивости.

 

2. Расчетные параметры

 

2.1 Основные параметры

2.1.1 Следующие основные условия должны рассматриваться в ходе расчета устойчивости на дне подводных трубопроводов:

Условия окружающей среды.

Геотехнические условия морского дна.

Топографические условия морского дна (т.е. уклон, обнажения коренных пород, впадины).

Батиметрия (глубина воды).

Характеристики труб (диаметр, толщина стенки, бетонное покрытие).

Местоположение связей трубопровода (соединения со стояками, пересечения и т.д.).

 

2.2 Периодичность

2.2.1Расчет устойчивости должен быть основан на заданной периодичности придонных условий окружающей среды, действующих перпендикулярно трубе. Вообще необходимо рассматривать как скорости частиц, вызванные придонными волнами, так и придонные течения.

2.2.2Если доступна достаточная информация об одновременной вероятности волн и течений, тогда объединенное действие волны и устойчивого течения должно использоваться со 100-летним интервалом. Если доступна неадекватная информация об одновременной вероятности волн и течений, тогда для условий эксплуатации может быть предложено следующее:

 

Если доминируют нагрузки от волн

Волны:

100-летняя периодичность для скорости частиц, вызванных придонными волнами, перпендикулярными к трубопроводу

Течения:

10-летняя периодичность

Если доминируют нагрузки

от течений

Волны:

10-летняя периодичность

Течения:

100-летняя периодичность

 

2.2.3 Для временных стадий период повторяемости должен быть принят следующим образом:

Продолжительность менее 3 дней: параметры окружающей среды для определения природных нагрузок могут быть установлены на основании надежного прогноза погоды.

Продолжительность более 3 дней:

а) Отсутствует угроза человеческим жизням. Может применяться периодичность 1 год для соответствующего сезона.

б) Имеется угроза человеческим жизням. Параметры окружающей среды должны быть определены со 100-летней сезонной периодичностью.

Однако соответствующий сезон не должен быть принят продолжительностью менее 2 месяцев.

 

2.3 Условия окружающей среды

2.3.1 Следующие условия окружающей среды должны быть оценены в ряде участков по длине трубопровода:

Волны

Течения

Количество мест, необходимых для определения условий окружающей среды, будет зависеть от длины трубопровода и изменчивости глубины воды, грунта морского дна и метеорологических условий.

2.3.2Условия окружающей среды, используемые в расчете устойчивости, должны быть основаны на адекватных данных для рассматриваемого участка. Данные могут быть получены на основании измерений, моделей прошлых прогнозов или визуальных наблюдений. Если достаточные данные для специфической зоны недоступны, могут быть использованы разумно консервативные данные, основанные на сведениях для других близлежащих областей (зон).

2.3.3Должны использоваться признанные методы статистического анализа, чтобы описать случайный характер условий окружающей среды. Состояние моря будет обычно определено в терминах значимой высоты волны (Hs), максимального периода спектра поверхностных волн (Тр) и соответствующей вероятности периодичности.

2.3.4Форма, в которой информация о волнах является доступной, зависит от количества и качества данных, доступных для специфического рассматриваемого местоположения. Она может классифицироваться от совместного распределения Hs и Тр с информацией о направлении до расчетного значения для всех направлений Hs с оцененной периодичностью. Метод расчета, представленный в разделе 3, рассматривает нагрузку от волн в различной степени сложности.

2.3.5Максимальный период (Тр) будет зависеть от длины нагона волны и границ глубины, а также от продолжительности состояния моря. Если никакая другая информация не доступна в течение максимального периода, тогда может использоваться следующее соотношение для верхнего предела:

 .

 

Если доступно совместное распределение Hs и Тр, тогда должно быть выбрано сочетание Hs - Tp, которое дает критические придонные условия.

2.3.6Распределение направлений волновых условий может приниматься в расчет при выборе расчетной скорости частицы, обусловленной действием волн. Обычно должно быть рассмотрено критическое значение состояния моря от различных направлений. Если никакая информация о направлении волн не доступна, тогда должны быть приняты критические волновые условия при действии перпендикулярно к оси трубопровода.

2.3.7При выборе расчетной скорости частицы, обусловленной действием волн, могут учитываться короткие трехмерные волны. Если никакой определенной информации с площадки нет, тогда может быть принято во внимание распространение энергии от основного направления распространения волн.

2.3.8 Скорость частицы, обусловленная действием волн, которую нужно использовать при расчете устойчивости, представлена значимым значением придонной скорости перпендикулярно к трубопроводу (Us) и соответствующим средним периодом пересечения нуля (Тu)

2.3.9 При вычислении Us и Tu должна использоваться наиболее соответствующая формулировка для спектра высотных отметок водной поверхности. Для Северного моря рекомендуется спектральная формулировка Jonswap. Для морей с длинноволновым трехмерным спектром формулировка Jonswap дается в виде:

 

Sηη(ω)=ag2 (ω)-5    exp{-5/4(ω/ωр)-4а   ,

 

где     ω = Угловая частота

ωр = Угловая частота спектрального пика

g   = Ускорение свободного падения

а   = Постоянная Филлипса

σ   = Параметр ширины спектра:

σ = 0.07, если w ≤ ωp;

σ = 0.09, если w > ωp;

γ  = параметр максимума.

2.3.10 Us и Tu могут быть рассчитаны преобразованием длинноволнового трехмерного спектра высотных отметок водной поверхности и применения коэффициента понижения для учета направления волны относительно трубы и для коротких трехмерных волн следующим образом:

 

Suu(ω)= (ω/sinh(kd))2· Sηη (ω),

 

где   Sηη (ω) = спектр высотных отметок поверхности воды (длинные трехмерные волны);

k= волновое число (ω2 = gk tanh (kd));

ω = угловая частота

Us = Us · R

Tu =2π (m0/m2)1/2 ,

 

где

;

 

R - понижающий коэффициент.

Us* и Tu могут быть получены при помощи безразмерных графиков, представленных на рис.2.1. и 2.2. Пригодность теории волн первого порядка при приближении к мелководью должна быть проверена.

Понижающий коэффициент, обусловленный направлением и распространением волн, представленный функцией cosn, дается в виде:

   ,

 

где    θр = направление, перпендикулярное к трубопроводу;

θ = основное направление волн;

β = поднаправление основного направления волн;

ψ (β,θ) = функция распространения, задаваемая в виде:

Ψ (β,θ) = C cosn(β - θ);

 

n = экспонента разброса (специфична для местоположения);

С = постоянная, выбранная таким образом, чтобы интеграл R по всем направлениям волн был равен 1.0.

R может быть получен из рис. 2.3.

 

2.3.11 Расчетные скорости течения должны быть основаны на рассмотрении различных составляющих, таких как приливы-отливы, шторм и циркуляционные течения.

2.3.12 В расчете устойчивости может использоваться направленное распределение скорости потока. Если подобная информация не доступна, направление течения должно быть принято перпендикулярным к оси трубопровода.

2.3.13 Скорость потока может быть снижена для учета влияния придонного граничного слоя. Это может быть достигнуто, используя подходящую модель граничного слоя. Для получения действительной скорости потока эпюра скоростей в граничном слое должна быть проинтегрирована по диаметру трубопровода. Метод аппроксимации для оценки уменьшения граничного слоя представлен в Приложении А.

 

Тn/Tp

 

d = глубина воды

g = ускорение свободного падения

γ = параметр максимума Jonswap

P.M. = Pierson Moskovitz

 

Рис. 2.1 Значимая скорость Us* (Линейная теория волн. Направление и распространение волн

не учитываются)

 

 

Рис.2.2 Период пересечения нуля Тu

 

2.3.14 Не рекомендуется рассматривать влияние граничного слоя на скорости, вызванные волнами, так как обычно эти влияния несущественны и неявно включены в модель приложенной гидродинамической силы, которая является основанием для обобщенных кривых. Однако влияние волн на пограничный слой потока может быть оценен, как показано в Приложении А. В специальных случаях труб очень маленького диаметра, где волновой пограничный слой может быть важен, дальнейшие снижения скорости должны быть обоснованы соответствующими данными.

 

 

Рис 2.3 Понижающий коэффициент, обусловленный распространением и направленностью волн

 

 

2.4 Геотехнические условия

2.4.1 Геодезические и геологические изыскания площадки должны быть выполнены с необходимым шагом по маршруту трубопровода. Число мест изысканий будет зависеть от длины трубопровода и ожидаемых изменений геотехнических условий. В пределах каждой площадки должна использоваться подходящая методика.

Рекомендации для площадок и лабораторных испытаний могут быть найдены в Veritas' RPD301 [9].

2.4.2 С точки зрения расчета устойчивости геодезические и геологические изыскания площадки должны обеспечить следующую информацию для грунта морского дна и ниже поверхности морского дна:

• классификация грунта;

• плотность грунта (только для песка);

• предел прочности грунта (только для глины);

• возможность оползней или разжижения грунта.

 

 

2.5 Топографические и батиметрические условия

2.5.1 Должны быть выполнены подробные изыскания трассы с целью обеспечения подходящей информацией относительно топографических и батиметрических условий по длине трубопровода.

Информация, необходимая для расчета устойчивости, должна включать:

• препятствия в виде выхода пород на поверхность, валунов или мест крушений;

• топографические особенности в виде склонов, ям и пр., которые могут приводить к неустойчивости трубопровода;

• изменение глубины воды по длине трубопровода.

2.5.2 Дальнейшие требования к изысканиям трассы изложены в правилах Det norske Veritas для систем подводных трубопроводов, 1981 [1], Разделы 2.2.2 и 2.2.3.

 

 

2.6 Характеристики труб

2.6.1 С точки зрения устойчивости на дне требуются следующие характеристики труб:

• наружный диаметр;

• толщина стенки;

• плотность перекачиваемого продукта при рабочем давлении;

• толщина и плотность любого коррозионного покрытия;

• плотность любого балластирующего покрытия;

• механические свойства материала труб.

2.6.2 Метод расчета, представленный в Разделе 3, допускает некоторое боковое перемещение трубы. В результате этого зоны, в которых частично или полностью ограничены перемещения трубопровода, или зоны полного защемления трубопровода должны быть идентифицированы. Такие области могут включать:

• соединения трубопровод/стояк;

• пересечения трубопроводов;

• подводную арматуру;

• компенсаторы;

• выходы трубопровода из траншеи.

 

3. Способ расчета

 

3.1 Общие положения

3.1.1 Метод расчета, представленный в этом разделе, относится к трубопроводу, который опирается на морское дно в течение всего срока службы или в течение периода до некоторой другой формы устойчивости (т.е. укладка в траншею, заглубление, балластировка матрацами или другие способы обеспечения устойчивости). Устойчивость трубопровода в этом случае непосредственно связана с весом трубопровода в воде, условиями окружающей среды и сопротивлением, оказываемым грунтом морского дна. Следовательно, цель расчета на устойчивость состоит в проверке того, что вес трубопровода в воде достаточен для выполнения требуемых критериев устойчивости.

Следующие критерии расчета должны быть рассмотрены в ходе расчета устойчивости:

• боковое перемещение;

• напряжение/деформация в стенке трубы;

• боковое выпучивание при продольном изгибе, вызванное действием осевых сил;

• усталостные повреждения;

• износ и разрушение покрытия;

• повреждения жертвенных анодов.

Вообще, боковое перемещение при продольном изгибе и напряжения/деформации, испытываемые трубопроводом, будут определяющими критериями расчета. Дальнейшее рассмотрение критериев расчета представлено в Разделе 4.

 

 

3.2 Стадии нагружения

3.2.1 Должны быть рассмотрены все стадии нагружения, относящиеся к устойчивости трубопровода. Как правило, различают две стадии нагружения, а именно:

• в условиях строительства;

• в условиях эксплуатации.

3.2.2 Условия строительства относятся к периоду после монтажа трубопровода, когда трубопровод находится на дне, до укладки в траншею или пуска в эксплуатацию. До тех пор, пока трубопровод не будет заполнен водой по окончании монтажа, считается, что он должен быть заполнен воздухом. Для трубопровода, который должен быть уложен в траншею, условия строительства определяют требования к весу трубопровода в воде. Для условий строительства требуется, чтобы минимальная удельная масса удовлетворяла условию (Ws + B)/B =1,1 (Ws = вес в воде, В = плавучесть).

В общем может учитываться поглощение воды бетонным покрытием, равное 5 % от веса бетона.

3.2.3 Особенности расчета в условиях шторма на стадии строительства приведены в п.2.2.3.

3.2.4 Условия эксплуатации соответствуют стадии эксплуатации трубопровода в течение жизненного цикла. В расчете устойчивости предполагается, что трубопровод заполнен средой, находящейся под рабочим давлением и с ожидаемой минимальной плотностью.

3.2.5 В условиях эксплуатации трубопровод может быть подвергнут боковому перемещению, напряжениям/деформациям и т.д., обусловленным критическими условиями волн и течений, однако трубопровод должен оставаться пригодным к эксплуатации после шторма.

Расчетное сочетание критических волн и течений должно быть определено таким образом, чтобы вероятность его превышения не превосходила 10-2/год (за 100-летний период).

3.2.6 Подробности условий окружающей среды, которые будут действовать в течение срока эксплуатации, даются в п.2.2.2.

 

 

3.3 Методы расчета

3.3.1 Имеется несколько методов расчета, пригодных для базового проектирования устойчивости трубопровода. В этих Руководящих Указаниях рассматриваются три различных метода, а именно:

(I)  — Динамический Расчет;

(II)  — Обобщенный Расчет Устойчивости;

(III) — Упрощенный Расчет Устойчивости.

Выбор вышеупомянутых методов расчета зависит от степени детализации, требуемой в результатах расчета.

Динамический Расчет использует полное динамическое моделирование трубопровода, расположенного на морском дне, включая моделирование сопротивления грунта, гидродинамических сил, граничных условий и динамической характеристики. Динамический расчет формирует исходную базу для обобщенного метода. Она может использоваться для детального расчета критических участков трубопровода, таких как пересечения трубопроводов, соединения со стояками и т.д., где требуется высокий уровень детализации для характеристик трубопровода или для перерасчета существующих ответственных трубопроводов.

3.3.3 Обобщенный Расчет Устойчивости основан на системе безразмерных графиков устойчивости, которые были получены на основе ряда моделей динамических характеристик. Этот метод может использоваться при расчетах на стадии детального проектирования или при эскизном проектировании. Обобщенный Метод Расчета Устойчивости может использоваться на участках трубопровода, где могут играть роль потенциальные перемещения трубопровода и напряжения. Основные допущения метода даны в разделе 5.2.

3.3.4 Упрощенный Расчет Устойчивости основан на квазистатическом равновесии сил, действующих па трубу, но откалиброван в соответствии с результатами обобщенного расчета устойчивости. Метод вообще дает вес трубы, который формирует консервативную огибающую для расчетов, полученных по методу обобщенной устойчивости.

Этот метод может использоваться для обширного большинства расчетов устойчивости, где требуемый вес в воде - единственный параметр, представляющий интерес. Метод основан на упрощенных моделях, следовательно, рекомендуется, чтобы этот метод не видоизменялся никогда без полного рассмотрения всех влияющих факторов, то есть без проверки с помощью одного из вышеупомянутых двух методов расчета.

3.3.5 Если частичное заглубление трубопровода (предполагается, что трубопровод устойчив) должно быть принято в расчете устойчивости, тогда в расчетах устойчивости должны быть рассмотрены следующие факторы:

• метод должен быть основан только на статических соображениях, то есть труба не должна выходить на поверхность и условие частичного заглубления не должно нарушаться;

• при расчете гидродинамических сил должны быть использованы наиболее вероятные максимальные за 100-летний период перпендикулярные к трубопроводу придонная скорость и ускорение, вызванные волнами;

• должны использоваться реалистические гидродинамические модели сил;

• должна использоваться модель сопротивления грунта, реалистически представляющая взаимодействие системы трубопровод - грунт.

 

 

3.4 Погружение/Плавучесть

3.4.1 Заглубленные трубопроводы должны быть проверены на возможное погружение или плавучесть. Для трубопроводов, транспортирующих как жидкости, так и газы, погружение должно быть рассмотрено с допущением, что труба заполнена водой, и плавучесть должна быть рассмотрена с допущением, что труба заполнена газом или воздухом.

3.4.2 Если удельный вес заполненной водой трубы меньше, чем грунта (с учетом содержания воды), никакой дальнейший расчет не требуется для подтверждения надежности против погружения. Для трубопроводов, проложенных в грунтах, имеющих низкую прочность на сдвиг, может потребоваться рассмотрение напряжений в грунте. Если грунт находится в состоянии разжижения (или может перейти в это состояние), глубина погружения должна быть ограничена удовлетворительным значением из соображений глубины разжижения или результирующим сопротивлением в течение погружения.

3.4.3 Если удельная плотность трубы, заполненной газом или воздухом, меньше, чем плотность грунта, то прочность грунта на сдвиг должна быть подтверждена документально как достаточная, чтобы предотвратить всплытие. Следовательно, в грунтах, которые находятся в состоянии разжижения (или могут перейти в это состояние), удельный вес трубы, заполненной газом или воздухом, не должен быть меньше, чем удельный вес грунта (если требуется заглубление).

3.4.4 Трубопроводы, расположенные непосредственно на морском дне, должны быть проверены на возможность погружения тем же способом, который указан для заглубленных трубопроводов в разделе 3.4.2 выше.

 

 

3.5 Обзор методов расчета

3.5.1 На диаграмме, представленной на рис. 3.1, показан обзор изложенных выше методов расчетов.

 

 

Рис. 3.1 Обзор методов расчета

 

 

4. Критерии расчета

 

 

4.1 Общие положения

4.1.1 Критерии, которые нужно использовать в методах расчета устойчивости, указанных в Разделе 3, будут изменяться в зависимости от ситуации. В каждом случае рекомендуется тщательная оценка возможных механизмов отказа.

4.1.2 Приведенная ниже информация в отношении критериев расчета должна рассматриваться как общие рекомендации. Для каждого отдельного случая должны быть рассмотрены определенные критерии.

4.1.3 Представленные ниже критерии расчета связаны с условиями расчета, описанными в Разделе 3, и также с классификацией участков трубопроводов по зонам, используемой в [1]. Используются следующие определения зон трубопроводов:

Зона 1: часть морского дна, расположенная на расстоянии от платформы или опорной плиты для бурения, большем некоторого определенного расстояния, обычно принимаемого равным 500 м.

Зона 2: часть дна, расположенная вблизи платформы или опорной плиты для бурения, обычно принимается на расстоянии, равном 500 м.

4.1.4 В данном Руководстве по расчету устойчивости места трубопровода соединения с запорной арматурой, пересечения трубопроводов, Y-ли Т-соединения, компенсаторы и т.д. должны в общем случае рассматриваться как зоны 2 трубопроводов. Однако определение зоны 2 применяется, как правило, в связи с потенциальной опасностью для человеческих жизней, значительным загрязнением или значительными экономическими последсвиями.

 

 

4.2 Возможное боковое перемещение

4.2.1 Допустимое боковое перемещение, если таковое имеется, будет зависеть от нескольких факторов, а именно:

• государственных правил;

• препятствий на морском дне;

• ширины коридора изысканий;

• расстояния от платформы или других ограничителей.

4.2.2 Указанное допустимое боковое перемещение должно быть ограничено значением, не большим, чем половина ширины коридора, в котором проложен трубопровод. Это означает, что трубопровод не должен иметь перемещений за пределами допустимого коридора.

4.2.3 Если не имеется никакой дополнительной информации, тогда в качестве максимально допустимого бокового перемещения в условиях эксплуатации могут использоваться следующие значения:

Зона 1:       20 м.

Зона 2:       0 м.

Данное условие может быть смягчено, если есть дополнительная информация. Труба также должна быть способной удовлетворять другим критериям расчета для вышеупомянутого допустимого перемещения. Для большинства ситуаций поперечное перемещение будет определяющим критерием. В общем случае также должны быть удовлетворены требования для деформаций при ограничении максимальных перемещений значением 20 м. Должна быть проверена чувствительность к изменениям условий окружающей среды (высота волны/период). Допустимые критерии перемещения относятся к состоянию моря в течение 3 часов при максимальной интенсивности шторма.

4.2.4 Для трубопроводов зоны 2 допустимое боковое смещение может быть больше нуля, если перемещение может выдерживаться трубопроводом и опорными конструкциями (такими как соединения со стояками).

4.2.5 Допустимое боковое перемещение для условий строительства зависит от промежутка времени между укладкой и пуском в эксплуатацию и должно быть определено для каждого отдельного случая. Однако, если рекомендации относительно условий окружающей среды, данные в 2.2.3, выполняются, тогда допустимое перемещение предполагается равным 5 м.

 

4.3 Изгибная деформация

4.3.1 Изгибные деформации в трубе, обусловленные действием изгибающих моментов в точках закреплений вдоль трубопровода в результате боковых перемещений, должны быть оценены в процессе расчета устойчивости.

4.3.2 Для известных точек закреплений, таких как соединения со стояками, подводная арматура, подводные платформы и т.д., влияние бокового перемещения должно быть оценено как для трубопровода, так и для опорной конструкции.

4.3.3 Любая часть трубопровода может испытывать изгиб в результате местных изменений морского дна и свойств трубы, и критерий изгибных деформаций должен быть удовлетворен в любом сечении, включая защемление на конце трубопровода. Данное положение применяется в обобщенном методе.

4.3.4 При оценке влияния изгиба, вызванного боковым перемещением трубопровода, должны быть приняты в расчет следующие факторы:

• чрезмерная деформация;

• овализация;

• потеря устойчивости.

Вышеперечисленные ограничивающие критерии указаны в ссылке [1].

4.3.5 Если не имеется никакой дополнительной информации, критерий предельной деформации принимается равным 7.5/(D/t)2, с максимальной предельной деформацией, равной 1 % (см. рис. 4.1). Значения предельной деформации относятся к общей (статической + динамической) накопленной упругопластической деформации, а не только к упругой деформации. Следовательно, при использовании данного критерия деформации должна быть принята во внимание пластичность материала труб. Значения предельной деформации могут использоваться только в случае, если проводится полный динамический расчет с применением нелинейных упругопластических элементов. Если в расчете используется нелинейная деформация, то требуется некоторая проверка поведения трубы в отношении уровня пластичности.

4.3.6 Если имеется большое количество циклов деформации, вызванной боковым перемещением трубопровода, то должна быть выполнена оценка усталости трубопровода, как указано в разделе 4.2.4 [1].

 

 

Рис. 4.1 Предельная деформация

 

4.4 Другие существенные критерии

4.4.1 Боковое перемещение трубопровода не должно приводить к значительным повреждениям его изоляции от абразивного действия морского дна.

4.4.2 Боковое перемещение трубопровода не должно приводить к повреждениям жертвенных анодов, присоединенных к трубопроводу.

4.4.3 Боковое перемещение трубопровода не должно воздействовать на другие трубопроводы или другие подводные установки.

 

5. Методы расчета

 

5.1 Динамический расчет

5.1.1 Динамический расчет включает в себя динамическое моделирование участка трубопровода под действием волн и течений. Полный динамический расчет используется только при специфических обстоятельствах. Рекомендуется временная область решения вследствие

• нелинейного поведения трубопровода.

5.1.2 Должны быть тщательно смоделированы следующие параметры:

• спектр волн и соответствующие реальные временные ряды;

• скорость течения на дне;

• поведение трубопровода как конструкции;

• гидродинамические силы;

• силы сопротивления грунта;

• связи (например, соединения со стояками и т.д.).

5.1.3 Динамическое моделирование должно быть выполнено для установившегося состояния моря. Если не имеется никакой информации о длительности состояний моря, рекомендуется принять за длительность состояния 3 часа.

5.1.4 Моделируемая длина трубопровода должна быть достаточной для адекватного представления реальной ситуации. Таким образом, должны быть просчитаны различные длины (250-1000 м) для оценки чувствительности результатов.

5.1.5 Если деформация трубопровода критическая, т.е. превышает предел пропорциональности, то рекомендуется выполнить моделирование поведения материала труб нелинейной зависимостью "напряжения - деформации".

5.1.6 Должен использоваться метод реалистичного представления гидродинамических сил, действующих на трубопровод. Два таких метода представлены в [10] и [12].

5.1.7 Рекомендуется, чтобы метод моделирования сил сопротивления грунта включал и влияние трения между трубопроводом и грунтом, а также сопротивление из-за вдавливания трубопровода в грунт. Одна из таких моделей разработана Wagner и др. [5].

 

5.2 Обобщенный Расчет Устойчивости

5.2.1 Этот Метод Расчета Устойчивости трубопровода основан на обобщении результатов Динамического Расчета с помощью набора безразмерных параметров и для специфических условий на концах.

Ограничения метода даются в разделе 5.2.5. В Приложении Б приводится пример расчета. Метод основан на опубликованных работах [8] и [11]. Главные допущения следующие:

• Гидродинамические силы модифицированы для учета влияния турбулентности.

• Начальное защемление грунтом отсутствует.

• История предшествующего нагружения отсутствует.

• Труба считается шероховатой.

• Учитывается пассивное сопротивление грунта частичному вдавливанию трубы в грунт при циклических нагружениях.

• Грунт - песок средней крупности.

• Спектр волн JONSWAP.

• Уменьшение гидродинамических сил вследствие вдавливания трубы в грунт не учитывается.

5.2.2 Обобщенная реакция трубопровода в данном состоянии моря контролируется следующими безразмерными параметрами

 

Параметр нагружения (число циклов)

K = USTU/D

Параметр веса трубы

L = Ws/0,5ρwDUs2

Отношение скоростей течения и волны

M = UC/US

Относительный вес грунта (для песков)

G = (ρsw)/ρwsw-l

Параметр прочности на сдвиг (для глин)

S = WS/(DSU)

Временной параметр

T = TІ/TU

 

 

где:

• Us и Tu - придонная скорость, перпендикулярная к трубопроводу, и период перехода через ноль, соответственно, для данного состояния моря.

• Uc - устойчивая составляющая течения граничного слоя по нормали к трубопроводу. Используется среднее интегральное значение по диаметру трубопровода.

• Ws  и D- вес трубы в воде и наружный диаметр, соответственно.

• ρw и ρs - плотность морской воды и песка, соответственно.

• Su - прочность на сдвиг глины в неосушенном состоянии.

• ТІ - продолжительность состояния моря в секундах.

5.2.3 Трубопровод на песке

Для трубопровода на песчаном грунте обобщенная реакция дается в терминах бокового перемещения свободного участка и изгибных деформаций, соответственно, в неподвижных сечениях вдоль трубопровода. Перемещение включает ожидаемое чистое перемещение плюс одно стандартное отклонение, плюс максимальная амплитуда перемещения в отдельной волне. Способ расчета определяет вес трубы, который удовлетворяет данным критериям для перемещения и напряжения при расчетном состоянии моря.

5.2.3.1 На рисунках 5.1- 5.6 представлен обобщенный параметр веса L в зависимости от К для определенных значений М - сплошные линии. Данные даются для значений масштабируемого бокового перемещения трубы δ = Y / D, 10, 20 и 40 и основаны на состоянии моря с 500 и 1 000 волновыми периодами, то есть Т = ТІu = 500, 1 000. Для данного трубопровода с указанной расчетной волной интерполяция в пределах этих данных дает необходимый вес трубы в воде, чтобы удовлетворить критерию бокового перемещения, данному в разделе 4.2. Могут понадобиться несколько итераций по графикам для достижения удовлетворительной точности расчетного веса.

Прогноз чистых перемещений может быть чувствительным к незначительным изменениям входных параметров, поэтому должна быть проверена чувствительность результатов к каждому параметру.

5.2.3.2 На рис. 5.7 также дается обобщенный параметр L веса для полностью устойчивой трубы (δ = 0) на песчаном грунте.

5.2.3.3 На графиках рис. 5.1- 5.6 также показана (пунктиром) изгибная деформация в трубопроводе в неподвижных сечениях участка. Инженерная деформация вычислена в зависимости от обобщенной деформации согласно допущению о тонкостенности трубы:

 

 

где     ε - деформация;

Ws- вес в воде;

Ds - диаметр стальной трубы;

ts- толщина стенки стальной трубы;

Е - модуль упругости;

D - наружный диаметр трубопровода.

Максимальная допустимая деформация, которая может быть принята в результате Обобщенного Метода Расчета Устойчивости, равна 0,2 %. Это обусловлено использованием линейных упругих свойств материалов в ходе разработки этого метода. Если предел пропорциональности (ε = 0,2 %) превышен, то для определения изгибной деформации рекомендуется применить более совершенный расчет, основанный на нелинейном моделировании материала. Использование максимального перемещения в 20 м будет в целом гарантировать, что критерий деформаций также учтен.

5.2.3.4 Обобщенный Метод Расчета Устойчивости для песчаных грунтов показан на следующей диаграмме (см. ниже).

5.2.3.5 Расчетные кривые, приведенные на графиках рисунков 5.1- 5.6, относятся к трубопроводу, опирающемуся на песок средней крупности (ps = 1860 кг/м3). Для песка с другой плотностью расчетный вес в воде Ws должен быть умножен на поправочный коэффициент, задаваемый согласно рис. 5.8 как функция относительного веса грунта G = ps/pw -1.

 

 

 

 

Следует обратить внимание на то, что кривые могут использоваться с любым согласующимся набором единиц.

**)При расчете веса бетона надо учесть 5 %-ное поглощение воды бетоном.

***) Если превышена предельная деформация (ε = 0,2 %):

 

1. Увеличьте вес трубы.

2. Примените более совершенный метод расчета (нелинейная модель материала),

 где   ρс - плотность бетонного покрытия;

ρсс - плотность антикоррозионного покрытия;

ρst - плотность стали;

ρi - плотность продукта;

ρw - плотность морской воды;

Di - внутренний диаметр трубы;

Ds - наружный диаметр стальной трубы;

Dcc - наружный диаметр трубы с антикоррозионным покрытием.

 

 

Рис. 5.1 Обобщенный параметр веса L и изгибная деформация в зависимости

от К при различных значениях М

 

 

Рис. 5.2 Обобщенный параметр веса L и изгибная деформация в зависимости

от К при различных значениях М

 

 

Рис. 5.3 Обобщенный параметр веса L и изгибная деформация в зависимости

от К при различных значениях М

 

 

Рис. 5.4 Обобщенный параметр вeсa L и изгибная деформация в зависимости

от К при различных значениях М

 

 

Рис. 5.5 Обобщенный параметр веса L и изгибная деформация в зависимости

от К при различных значениях М

 

 

Рис. 5.6 Обобщенный параметр веса L и изгибная деформация в зависимости

от К при различных значениях М

 

 

Рис.5.7 Обобщенный параметр веса L для устойчивости трубы (δ = 0)

 

 

Рис. 5.8 Коэффициент корректировки веса Ws в зависимости от плотности грунта

 

5.2.4 Трубопровод на глинистом грунте

Для трубопровода на глинистом грунте Метод Расчета определяет вес трубы, что обеспечивает абсолютную устойчивость (никакого перемещения) для критической волны при расчетном состоянии моря.

5.2.4.1 Рис. 5.9 и 5.10 являются основанием для расчета устойчивости для трубопровода на глинистом грунте. Расчет согласно этому рисунку будет гарантировать, что труба является устойчивой для критического сочетания волн при указанном состоянии моря. Рисунок дает критический параметр веса Lcr как функцию безразмерного параметра прочности грунта S/L, а также параметров К и М. Необходимо несколько итераций по графикам для получения удовлетворительной точности для расчетного веса.

 

 

Рис.5.9 Графики устойчивости для глины (К=10 и 20)

 

 

Рис.5.10 Графики устойчивости для глины (К=300 и 40)

 

5.2.4.3 Обобщенный Метод Расчета Устойчивости для глины показан на следующей диаграмме.

 

 

 

*) Устойчивый вес Ws, рассчитанный на основе графиков рис. 5.9 и 5.10, необходимо умножить на коэффициент запаса Sf = 1.1, чтобы получить расчетный вес.

5.2.5 Обобщенный Расчет Устойчивости, представленный выше, применим для следующего диапазона параметров:

4   < К < 40;

0   < М < 0.8;

0.7 < G < 1.0 (для песчаного грунта);

0.05 < S < 8.0 (для глинистого грунта);

D > 0.4m.

Причина для вышеупомянутой применимости К и М связана с использованием модели турбулентности [10] в программе динамического моделирования, из которой метод был получен. Модели для песчаного и глинистого грунта были проверены в пределах вышеупомянутых диапазонов. Метод, представленный выше, должен быть ограничен диаметром трубопровода (наружным) > 0.4 м, потому что калибровка была выполнена для больших диаметров.

Для условий за пределами вышеупомянутого диапазона рекомендуется использование Упрощенного Метода Расчета, приведенного в разделе 5.3.

 

5.3 Упрощенный Расчет Статической Устойчивости

5.3.1 Цель этого раздела состоит в том, чтобы представить простой метод расчета устойчивости, подходящего для проверки устойчивости во всех нормальных расчетных ситуациях. В Приложении Б дается пример расчета.

5.3.2 Метод основан на принципе статической устойчивости, который связывает классический принцип статического расчета с обобщенным методом расчета устойчивости путем поправки классического метода на основе результатов обобщенного метода устойчивости. Включен поправочный коэффициент (Fw), который был получен на трубопроводах, рассчитанных с боковым перемещением до 20 м. Результаты, таким образом, приведены в соответствие, даже если силы, рассчитанные для любого данного случая, необязательно физически реалистичны (например, константа Cd = 0,7 вместо функции Re, К, неровность и т.д.).

5.3.3 Коэффициенты трения грунта, которые должны использоваться в простом методе расчета, должны быть основаны на классификации грунта следующим образом:

 

Тип грунта      Поправочный коэффициент трения

Песок               0,7

Глина               дается на рисунке 5.11.

 

5.3.4 Коэффициенты трения, представленные для глины на рисунке 5.11, были получены как часть упрощенного метода и, следовательно, должны использоваться только при упрощенном методе расчета.

5.3.5 Устойчивость в этом квазистатическом методе определяется на основании следующего выражения:

 

[Ws/Fw - FL] μ ≥ FD + FI

 

где Ws = Вес трубы в воде

Fw = Поправочный коэффициент

μ = Коэффициент трения грунта

FL = Подъемная сила

FD = Сила лобового сопротивления

FI = Сила инерции.

 

5.3.6 Предельное значение веса в воде можно найти из следующего уравнения:

 

 

5.3.7 Зависимость поправочного коэффициента Fw от К и М показана на рисунке 5.12. В поправочном коэффициенте Fw учтен коэффициент запаса 1.1.

 

 

1,0/(безразмерная прочность на сдвиг) (1,0/S = D Su / Ws)

 

Рис.5.11 Рекомендуемые коэффициенты трения для глины (упрощенный метод расчета)

 

5.3.8 При использовании поправочного коэффициента Fw для расчета Ws гидродинамические силы, действующие на трубу (FL, FD и FІ), могут быть оценены из следующих выражений:

 

 

FІ = (π · D2)/4·ρw CM ·AS ·sinθ ,

 

где   ρw = Плотность воды;

D = Полный наружный диаметр трубы;

CL = Коэффициент подъемной силы (CL = 0.9);

Cd = Коэффициент силы лобового сопротивления (Cd = 0.7);

См = Коэффициент инерции (См = 3.29);

Us = Значимая амплитуда придонной скорости, перпендикулярной к трубопроводу;

Uc = Скорость течения, перпендикулярного к трубопроводу;

As = Значимое ускорение, перпендикулярное к трубопроводу (= 2π UsU)

θ = Фазовый угол гидродинамической силы в волновом цикле.

 

 

Рис.5.12 Поправочный коэффициент Fw как функция от К и М

 

5.3.9 Информация относительно оценки характеристик частиц воды дается в разделе 2.

5.3.10 Значения для коэффициента трения грунта основаны на классификации грунта морского дна. Рекомендуемые коэффициенты трения даются в 5.3.3.

5.3.11 Для К > 50 и М ≥ 0.8 (то есть приближение к стационарному течению) может применяться постоянный поправочный коэффициент Fw = 1.2.

5.3.12 Для определения гидродинамических сил в расчетах устойчивости для докритического и критического режима течения, т.е. при Re < 3·105 и М > 0,8, должны применяться реалистические гидродинамические коэффициенты, имеющие силу для стационарного течения (Cd = 1.2, CL = 0.9).

 

6 БИБЛИОГРАФИЯ

 

[1] Rules for Submarine Pipeline Systems, Det norskc Veritas,1981

[2] Wolfram Jr., W.R., Getz, J.R. and Verley, R.L.P.: "PIPESTAB Project: Improved Design Basis for Submarine Pipeline Stability", Proc. of Nineteenth Offshore Technology Conference, Paper No.5501, Houston, 1987.

[3] Holthe, K., Sotberg, T. and Chao, J.C.: "An Efficient Computer Model for Predicting Submarine Pipeline Response to Waves and Current", Proc. of Nineteenth Offshore Technology Conference, Paper No.5502, Houston, 1987.

[4] Verley, R., Lambrakos, K.F. and Reed, K.: "Prediction of Hydrodynamic Forces on Seabed Pipelines", Proc. of Nineteenth Offshore Technology Conference, Paper No.5503, Houston, 1987.

[5] Wagner, D., Murff, D., Brennodden, H. and Sveggen, O.: "Pipe-Soil Interaction Model", Proc. of Nineteenth Offshore Technology Conference, Paper No.5504, Houston, 1987.

[6] Slaattelid, O.H., Myrhaug, D. and Lambrakos, K.F.: "North Sea Bottom Boundary Layer Study for Pipelines", Proc. of Nineteenth Offshore Technology Conference, Paper No.5505, Houston, 1987.

[7] Tryggestad, S., Kollstad, Т., Nilsen, J. and Selanger, K.: "Measuring Technique and Field Data for Pipeline Stability Studies", Proc. of Nineteenth Offshore Technology Conference, Paper No.5506, Houston, 1987.

[8] Lambrakos, K.F., Remseth, S., Sotberg, T. and Verley, R.: "Generalized Response of Marine Pipelines", Proc. of Nineteenth Offshore Technology Conference, Paper No.5507, Houston, 1987.

[9] RP D301: Site Investigation for Offshore Structures, Veritec, 1987

[10] Lambrakos, K.F., Chao, J.C., Beckman, H. and Brannon, H.R. "Wake Model of Hydrodynamic Forces on Pipelines," Ocean Engineering, Vol. 14, No.2, pp 117-137

[11] Sotberg T, Lmbrakos, K.F., Remseth, S., Verley, R.L.P., and Wolfram, W.R., "Stability Design of Marine Pipelines", BOSS'1988.

[12] Jacobsen, V, Bryndum, M.B., and Tsahalis, D.T., "Prediction of irregular wave forces on submarine pipelines". Proc. 7th OMAE, Houston, Febr. 1988.

 

Приложение А

 

ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕДУЦИРОВАНИЯ

ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

 

А.1 ВВЕДЕНИЕ

Это Приложение представляет приближенный метод для вычисления коэффициента редуцирования пограничного слоя, который может применяться к установившейся скорости течения, используемой в расчете устойчивости трубопровода.

Метод может применяться и к установившемуся течению и к условиям сочетания волна/устойчивое течение над жесткими основаниями гранулированных материалов. В этой упрощенной методике учтены влияние неровности морского дна и взаимодействие волны/течения. Однако другие воздействия типа переноса осадков и формирования ряби не включены. Эти воздействия будут в общем влиять на снижение скорости.

Методика вычисления, указанная ниже, основана на работе [А.1].

 

 

А.2 ЭПЮРА СКОРОСТЕЙ

Установившийся поток описан как эпюра скоростей в виде:

        (А.1)

 

 

где   U* = скорость трения

k = постоянная Кармана (= 0,4)

z = отметка над морским дном

z0= параметр неровности морского дна.

Средняя установившаяся скорость, действующая на трубопровод, соответствует определению гидродинамических сил, действующих на трубопровод.

Средняя скорость, действующая на трубопровод диаметром D, определяется выражением

           (А.2)

 

Соотношение между этой средней скоростью и известной установившейся скоростью Ur на некоторой высоте zr над морским дном определяется выражением:

        (А.3)

 

 

где zr может быть принято равным 3 м, если не имеется никакой другой информации.

 

А.3 ТЕЧЕНИЕ

При оценке скорости пограничного слоя для случая установившегося течения, действующего в качестве единичного фактора, может быть учтено влияние неровности морского дна (размер гранул).

Средний размер зерна d50 связан с эквивалентным параметром неровности песка Никурадзе Кb и с неровностью дна следующим соотношением:

 

Кb =2.5d50;

 

                (А.4)

 

Средний размер зерна может быть получен по таблице А.1.

Для оценки редуцирования пограничного слоя может быть применена следующая методика.

1.Оценивается средний размер зерна (d50) на основании образцов грунта или из таблицы А.1.

2.Вычисляются Кb, z0, D/z0 и zr/z0.

3.Вычисляется коэффициент снижения скорости Ud/Ur из уравнения (А.3).

 

А.4 СОЧЕТАНИЕ ВОЛН И ТЕЧЕНИЙ

Нелинейное взаимодействие между волной и течением приводит к модификации установившейся эпюры скоростей. Эта модификация установившейся составляющей потока объясняется, очевидно, увеличением неровности морского дна.

Средняя неровность (zоа) зависит от соотношения между вызванной волной скоростью и скоростью установившегося течения:

 

Us/Ur

 

где Us = значимая горизонтальная скорость, вызванная волной на условном расстоянии (zr) над морским дном.

Средняя неровность также зависит от относительного параметра неровности в выражении:

 

Ао/Kb ,

 

где Ао = орбитальный полудиаметр частиц воды, связанных с Us, т.е. Ао = (Us Tр/2π).

Определение коэффициента редуцирования пограничного слоя основано на тех же допущениях, которые приняты для установившегося течения. Кроме того, предполагается, что материал основания не формируется в рябь и что установившееся течение и волновой поток являются однонаправленными. Эти оба предположения являются консервативными. Средняя неровность (zоа) может быть получена из графиков А.1-А.7, и коэффициент редуцирования пограничного слоя может быть получен из уравнения (А.3) при замене zоа на z0.

Этот метод имеет силу при следующих условиях:

 

 

Для определения коэффициента редуцирования пограничного слоя для объединенных потоков волны и течения может быть принята следующая методика:

Оценка среднего размера зерна (d50) - из образцов грунта или из таблицы А.1.

Вычисление Кb z0, zr/Kb, и Кb0.

Проверка параметров Zr, A0b и Us/Ur  - в пределах области применения.

Определение из графиков А1- А.5 соответствующих значений zоа/z0 и, следовательно, zоа. Это может потребовать интерполяции по графикам для различных значений zr/Kb

Вычисление коэффициента редуцирования скорости Ud/U из уравнения (А.3) путем замены zoa на z0.

Таблица А.1 — Размер зерна для материалов морского дна

 

Морское дно

Размер зерна d50(мм)

Шероховатость z0 (м)

Ил

Очень мелкий Песок

Мелкий Песок

Средний Песок

Крупный Песок

Очень крупный Песок

Гравий

Галька

 

 

Булыжник

 

Валун

0.0625

0.125

0.25

0.5

1.0

2.0

4.0

10.0

25.0

50.0

100.0

250.0

500.0

5.21 Е-6

1.04 Е-5

2.08 Е-5

4.17 Е-5

8.33 Е-5

1.67 Е-4

3.33 Е-4

8.33 Е-4

2.08 Е-3

4.17 Е-3

8.33 Е-3

2.08 Е-2

4.17Е-2

 

 

А.5 ПРИМЕРЫ

 

1 Течение

Трубопровод с наружным диаметром 0.5 м должен быть помещен в приливно-отливный поток со скоростью 1 м/с, измеренной в 5 м от морского дна. Материал морского дна - крупный песок. Найти среднюю скорость, действующую перпендикулярно трубопроводу.

Имеются следующие данные:

D = 0.5 м;

Ur= 1 м/с;

zr= 5 м.

Для крупного песка из таблицы А.1 может быть принято следующее:

d50 = 1 мм;

z0 = 8.33 Е-5 м.

Что дает:

D/z0 = 6 000;

z/z0 = 6 0000.

Подставив в уравнение (А.3), получим

Ud/Ur = 0.7 и далее UD = 0.7 м/с.

Средняя установившаяся скорость, перпендикулярная к трубе, равна 0.7 м/с.

 

 

2.Сочетание волны и течения

Трубопровод с наружным диаметром 0.5 м должен быть помещен на морское дно на глубине 30 м. Расчетные условия для участка показывают значимую высоту волны 8 м, с периодом максимума 13 с. Расчетная скорость течения 1 м/с измерена в 5 м от морского дна. Материал морского дна - крупнозернистый песок.

Найти среднюю установившуюся скорость, действующую на трубу.

Имеются следующие данные:

D = 0.5 м;

Ur =1м/с;

zr = 5 м;

Hs= 8 м;

Тр=13с;

d = 30м;

R=1.0.

Вычисляем скорость частиц, вызванную значимой волной, и связанный с ней период на морском дне из рис. 2.1 и 2.2.:

 

Us* =1.55 м/с;     Тu =12.35 с.

 

Амплитуда горизонтального перемещения частицы воды оценивается как:

 

Для крупного песка из таблицы А.1 принимаются следующие данные:

d50 = 1 мм;

Кb = 2.5 Е-3м;

z0 = 8.33 Е-5 м.

Получаем

z r/Kb = 2 000;

A0/Kb=1220.

Проверяем область применения:

 

 

А0b = 1220         ОК

Us/Ur = 1.55.         ОК

 

Из рисунка А.4 для Z r / Кb = 2 000,

z/zo= 17.5 получаем zоа = 1.46 Е-3 м.

Коэффициент редуцирования скорости в этом случае определяется из уравнения (А.3):

UD/Ur = 0.6 и, таким образом, UD = 0.6 м/с.

Средняя установившаяся скорость, перпендикулярная к трубе, равна 0.6 м/с.

 

Рис.А.1

Рис.А.2

Рис.А.3

Рис.А.4

Рис.А.5

Рис.А.6

Рис.А.7

 

Рисунки А. 1 - А.7 Zoa/Zo в зависимости от Aоb при Zr/Kb = 250 ÷ 30 000.

 

 

А.6 БИБЛИОГРАФИЯ

[A1] Slaattelid, O.H., Myrhaug, D. and Lambrakos, K.F. North Sea boundary layer study for pipelines, OTC 5505, 1987.

 

Приложение В

 

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

B.1 Введение

Это приложение представляет некоторые примеры расчетов с применением упрощенных и обобщенных методов. Эти примеры для следующих данных:

Расчетные параметры трубопровода

Наружный диаметр стальной трубы                          Ds = 0.4064 м

Толщина стенки                                                          ts = 0.0127 м

Внутренний диаметр                                                  Di = 0.3810 м

Толщина антикоррозионного покрытия                   tcc = 0.005 м

Плотность антикоррозионного покрытия                 рсс = 1 300 кг/м3

Плотность бетонного покрытия                                рс = 2 400 кг/м3

Плотность продукта                                                   pi = 10 кг/м3 (газ)

Плотность морской воды                                           pw = 1 025 кг/м3

Плотность стали                                                          pst = 7 850 кг/м3.

Тип грунта: песок средней крупности с плотностью ps = 1 860 кг/м3.

Данные окружающей среды:

Значимая высота волны                                              Hs = 14.5 м

Максимальный период спектра                                  Тр = 15с

Глубина                                                                       d =110м

Течение в 3 м выше дна                                              Ur = 0.6м/с

 

 

В.2 Упрощенный метод

1. Найти скорости частиц воды

для волны, используя рис. 2.1 - 2.3.


 

Тnр=3.348/15 = 0.223.

 

Из графика рис. 2.1 (Pierson Moskovitz, P.M.): (Us*Тn)/Нs =0.14,

 

Us*= (Hs/Tn) · 0.14=(14.5/3.348)·0/14 = 0.606 м/с.

 

Период перехода через ноль Тu (используя рис.2.2)

 

Тuр = 1.07→ Тu = 1.06·Тр= 16.05 с.

 

Коэффициенты направления и рассеивания принимаются в виде:

R = 1.0 - нет уменьшения.

 

Us = Us*∙R = 0.606 м/с;

Тu =16.05 с.

 

Скорость течения

Скорость течения на расстоянии 3 м от морского дна (Zr = 3):

 

Ur = 0.6 м/с.

 

Вычислить среднюю скорость поперек трубы, принимая приблизительный диаметр трубы 0,5 м (то есть включая антикоррозионное покрытие плюс бетонное покрытие толщиной 40 мм).

Среднезернистый песок, из таблицы А.1:

 

d50 = 0.5 мм,

z0 = 4.17 · 10-5м.

Получаем:

 

D/Z0 =11990;

 

Zр/Z0 =3.0/4.17 · 10-5 =71942.

 

Замена в уравнении А.3:

 

UD/Ur = 0.7504

 

UD = 0.7504 · Ur = 0.6 · 0.7504 = 0.45 м/c

 

2. Используем упрощенный статический метод расчета устойчивости:

Принят песок средней крупности, μ = 0,7.

 

CL =0.9,  CD  =0.7 ,  CM = 3.29

 

примерный диаметр D ~ 0,5 м.

 

Из рис. 5.12: Fw= 1.25.

Вычисляем гидродинамические силы и выполняем итерации для нахождения фазового угла (θ

), дающего требуемый максимальный вес в воде (Ws).

Для θ = 21 град, максимальный Ws находится как:

 

 

Ws = 728,75 н/м.

 

Требуется минимальный вес в воде 728,75 Н/м.

(Вычислить требуемую плотность бетона для достижения вышеупомянутого веса в воде и определения толщины слоя бетона. Изменять толщину и плотность бетона по мере необходимости, пока не будет достигнуто удовлетворительное сочетание плотности и толщины.)

 

 

В.3 Обобщенный метод

Используя упрощенный статический расчет, мы определили следующие начальные значения:

Ws = 728.75 Н/м,

D = 0.5 м (исходный примерный наружный диаметр трубы).

Используя схему раздела 5.2.3.4, принимаем в первом приближении толщину такую же, как и в Упрощенном Методе выше.

Проверяем диаметр по формуле:

 

 

D = 0,5 м - требуемый наружный диаметр.

Вычисляем параметры (данные окружающей среды от упрощенного статического метода расчета устойчивости):

 

 

 

 

(при продолжительности шторма 3 ч).

Заданное перемещение = 10 м; δ = перемещение/D = 10/0.5 = 20.

Используем рис. 5.1 - 5.6 для определения L, интерполируя относительно значений δ и Т по мере необходимости:

 

 

Интерполируя =2,72, получим L = 7.40.

Вычисляем новые величины Ws и D:

 

WS = L·0,5·ρw D·Us2

=7,40 ·0,5· 1025·0,500·606 H2/м

WS= 696,4 H/м

 

 

 

D = 0.497 м (т.е. 0.6 % разницы с заданной величиной 0.500 м, значит, приемлемо).

Проверяем уровень деформаций.

Используем рис. 5.1- 5.4 для определения способом интерполяции ε' = 2.6 %.

Инженерная деформация, раздел 5.2.3.3:

 

 

Деформация является приемлемой: ε = 0.0023 % < 0.2 %.

 

 

 

 

Текст сверен по:

Официальное издание

М.,ООО « ИРЦ» Газпром 2006

ООО «Газнадзор»2006г.