ICS 75.180.10 E 94 备案号：53469—2016
SY
中华人民共和国石油天然气行业标准
SY/T 7053—2016
海底管道总体屈曲高温／高压下的结构设计 Global buckling of submarine pipelines-
Structural design due to high temperature/high pressure
2016-06-01实施
2016-01-07发布
国家能源局 发布 SY/T7053—2016
目 次
前言
ImI
总则 1.1 概述 1.2 目的 1.3 范围和应用 1.4 本标准的结构 1.5 与其他标准间的关系 1.6 参考的标准 1.7 定义 1.8 缩写 1.9 符号 1.10 单位设计情况 2.1 总体屈曲 2.2 设计流程 3 设计基础 3.1 概述 3.2 不确定因素 3.3 管道几何尺寸 3.4 管道材料 3.5 荷载 3.6 时间效应
2
10
14
14 .14 ·16 16 18 20
管土相互作用 4.1 概述 4.2 管道铺设的垂向刚度 4.3 露置管道 4.4 埋设管道荷载效应计算 5.1 概述 5.2 荷载建模 5.3 分析方法 5.4 详细的有限元分析 5.5 混杂情况
4
20
20 ·21 .21 22
23
5
23 23 ·24 26 28
1 SY/T7053—2016
5.6 工程工具 6 I 露置于平坦海床上的管道 6.1 目的和适用性 6.2 设计流程 6.3 步骤1 总体屈曲（前屈曲）评估· 6.4 步骤2- 管道完整性检查 6.5 步骤3- 缓解措施
28
29
29 29 ·30 34 37
II 露置于不平坦海床的管道 7.1 目的和适用性 7.2 设计过程 7.3 步骤1- 总体屈曲（前屈曲）评估· 7.4 步骤2- 管道完整性校核 7.5 步骤3- 缓解措施校核· 8 II 埋设管道 8.1 目的和适用性 8.2 设计过程 8.3 步骤1- 指定的覆盖层设计. 8.4 步骤2- 最小覆盖层设计. 8.5 步骤3- 覆盖层的要求· 8.6 步骤4 管道完整性校核
A
:38 .38 38 39 40 41
42
42 ·43 43 46 46 48
露置管道的条件荷载效应系数 9.1 基本原则 9.2 轴向土壤抗力不确定性系数CoV（X）的计算 9.3 横向土壤摩擦不确定性系数CoV（X）的计算 9.4 应力应变不确定性系数CoV（X.）的计算 9.5 拖网作业不确定性系数CoV（X.）的计算 9.6 参数大幅度变化及非对称上下界时的不确定性系数计算 10 管道完整性检查· 10.1 概述 10.2 设计条件格式 10.3 管道完整性极限状态标准 11 操作文件 12 参考文献· 附录A 露置管道的缓解措施附录B 埋设管道的土壤抗力附录C 露置管道设计流程附录D 不确定性讨论 II
48
9
48
48 ·49 50 50 51
·52 52 52 52 53
53
54
60 ·88 91 SY/T7053—2016
前言
本标准按照GB/T1.1一2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。 本标准等同采用DNV-RP-F110Globalbucklingof submarinepipelines—Structuraldesigndueto
hightemperature/highpressure（2007年版）。
为便于使用，本标准计量单位以我国法定计量单位为主，英制单位的相应值标注在括号中。 本标准由海洋石油工程专业标准化技术委员会提出并归口。 本标准起草单位：中海油研究总院。 本标准主要起草人：曹静、贾旭、周巍伟、沙勇、黄俊、冯现洪、罗世勇、何杨、张晓灵、赵学
年、吴文通、李丽玮。
II SY/T7053—2016
海底管道总体屈曲一一高温/高压下的结构设计
1总则 1.1概述
管道的总体屈曲是指管道作为一个压杆发生的屈曲。总体屈曲可能发生在向下方向（自由悬跨）、 水平面（海底侧向屈曲）或者垂直面上（埋管隆起屈曲或露置管道顶部的侧向弯曲）。
另一方面，局部屈曲为管道横截面的明显变形。 总体屈曲是对有效轴向压力的反应，总体屈曲降低了轴向承载能力。管道可能发生总体届曲，要
么是承受高有效轴向压缩力，要么是抗屈曲能力低，其有代表性的是侧向管土抗力低的轻质管道。
从结构的观点上看，高压高温(HP/HT）管道具有受热和内压而发生膨胀的特征，因此成为总体屈曲分析典型考虑对象。从总体屈曲的观点上看，高压或高温的定义与总体届曲的能力相关，与温度或压力本身无关。
可能发生总体屈曲的管道可以从以下两个设计原则来保证管道完整性：一 约束管道，维持大的压力；
释放膨胀力，这一受力可能导致管道发生总体屈曲且使管道产生强制弯曲。 设计原则的最后选择取决于一系列因素。 本标准将深入地叙述两种设计原则。 验收准则基于最新的设计原则，旨在提供一致的、可靠的和高性价比的设计方案，这意味着已认
可的技术方法应用在设计阶段，包括以下方面：
一结构响应模型。 路由模型（精确的海床竖向曲线和横断面图）。
一管一土的相互作用模型（包括现场土壤取样）。
工程评价，例如环焊缝性能、应力集中和腐蚀。 传统的设计方法，基于解析公式(Hobbs，见参考文献[1];TaylorandGan，参考文献[2]和封闭形
式解，对于本标准的应用来说可能不是足够的和最优的。 1.2目的
本标准的目的是提供分析流程和验收准则以满足DNV-OS-F101中的总体屈曲功能要求。它允许露置管道在可控制的前提下发生屈曲，但是应确保埋设的管道保持原位。 1.3范围和应用
本标准适用于可能总体届曲的刚性管道结构设计，总体屈曲一般是指所谓的高压/高温管道，但依据总体屈曲抗力，也可能是中等温度的管道（例如非常轻的管道）。本标准不考虑温度和压力对材料、保温、热条件和流动保障的影响，而只是给总体屈曲一个分析流程和接受标准。因此，本标准对压力和温度方面没有限制，除非材料性能造成的结构限制。
总体屈曲是一种荷载响应，而非失效模式。但是，总体屈曲可能会引发极限失效模式，例如：
局部屈曲。
1 SY/T7053—2016
一断裂。 疲劳。 本标准覆盖了局部届曲限制的总体屈曲。设计流程也提供了可用于断裂评估的最优估计应力值及
其上限。其他失效模式参考DNV-OS-F101。
高温/高压管道三种总体屈曲场景包含在本标准中： 1）平坦海床上的露置管道。总体屈曲发生在水平面上，可允许出现后屈曲形态。 2）不平坦海床上的露置管道。总体位移先发生在垂直平面上（挤人和隆起），然后发生在水平面
上，或者与情况1）组合出现，例如在不平坦海床上的弯曲。也可能引起后屈曲形态。 3）埋设/覆盖的管道。总体屈曲发生在垂直平面上，即所谓的隆起屈曲。这里只给出了避免发
生总体屈曲的标准。 本标准仅限制在侧向屈曲中进行拖网干涉评估。因此，自由悬跨上的拖网分析没有包含在本标准
中，而是在DNV-RP-F111中。
关于拖网的适用性，见3.5.3。对于其他的设计问题，提供了其他参考标准，见1.5。 本标准中的设计流程和接受标准是基于大量分析得到的，尽管非常特殊的组合可能给出无法预测
的结果，设计者应评判性地评估所有结果。
总之，所提供的设计流程考虑了其适用性，其建立的基础条件是10”至42”的管道。 1.4本标准的结构
本标准的第一部分对于上述的三种场景是通用的，包括以下部分：
不同场景，决策流程图和背景的描述，见第2章。 输入参数，如管道的几何尺寸、材料、操作参数、勘察数据和拖网参数，包括不同荷载的组合，见第3章。 土壤的总体讨论，见第4章。 分析的轴向荷载和响应模态（有限元模态）一般要求，见第5章。 三种场景的详细设计流程和接受标准： I)平坦海床上的总体屈曲，见第6章； II)不平坦海床上的总体屈曲，见第7章； III)埋设管道的隆起届曲，见第8章。
每一种场景都是从一个总体的设计流程开始，概述了在设计过程中的总体送代，紧接着是对所需设计步骤进行更详细的说明。这里也给出了结构建模所需特定设计场景的特殊指导，总体讨论见第5章：
露置管道（场景I和场景II）条件荷载效应系数的计算流程见第9章。 针对DNV-OS-F101的补充极限状态见第10章。 关于操作文件的建议见第11章。 参考文献见第12章，参考标准见1.6。 一附录A包括适用于露置管道的缓解性措施案例。 附录B针对隆起抗力（隆起屈曲）对管土相互作用进行了更详细的指导（针对隆起屈曲）。 一附录C给出了露置管道的设计流程。 附录D给出了设计中不确定因素的一些信息。
1.5与其他标准间的关系
DNV-OS-F101是基于极限状态模式的风险分析，对于每个相关的失效模式，通过设计标准确保
2 SY/T7053—2016
管道的完整性。该标准确定了最相关的失效模式，给出了专门的设计标准。对于总体屈曲极限状态，只给出了下面的功能要求：
应考虑以下引发总体屈曲的因素：(i)拖网板的撞击、拖越和钩挂，以及(i)不直度。 此外：可允许位移控制的管道总体屈曲表明了如下情况可允许管道发生允许总体屈曲：
在后屈曲形态中保持管道完整性（例如局部屈曲、断裂、疲劳等）。 管道的位移是可以接受的。
本标准符合DNV-OS-F101的要求，并且补充了具体流程和设计标准下总体屈曲的功能性需要。 根据DNV-OS-F101，结合良好的工程判断，本标准中的流程和设计标准根据DNV-OS-F101中
的结构可靠性理论和目标失效概率来确定，并结合可靠的工程判断。
总体屈曲是对有效轴向荷载的响应，可能导致不同的失效模式。在本标准中，只考虑了局部曲失效。对于其他的结构失效模式，可以参考以下内容：
整体结构；DNV-OS-F101。 涡激振动；DNV-RP-F105。 断裂DNV-RP-F108和BS7910。 海底稳定性；DNV-RP-F109。 一自由悬跨上的拖网干涉，DNV-RP-F111（也可以参见3.5.3注释）。 参考的相关专业规则在1.6中列出，也可以参考第12章的参考目录。 如果这些标准要求和DNV海上标准之间发生冲突，以最新修订的规则要求为准，任何冲突将在
版本修订时排除。
如果本标准要求和非DNV标准之间发生冲突，应以本标准要求进行修订。
1.6参考的标准 1.6.1DNV海上服务规格书
提供下面文件最新版本： DNV-OSS-301 管道的认证和验证 DNV-OSS-302 2海洋立管系统 DNV-OSS-401 技术资格管理
1.6.2DNV近海标准
参考下面文件最新版本： DNV-OS-F101 海底管道系统 DNV-OS-F201 动态立管
1.6.3DNV推荐做法
参考下面文件最新版本： DNV-RP-A203 新技术资格审核程序 DNV-RP-F105 自由悬跨管道 DNV-RP-F108 安装方式发生循环塑性应变的断裂控制 DNV-RP-F109 海底管道稳定性设计 DNV-RP-F111 拖网渔具和管道之间的干涉 SY/T7053—2016
1.6.4其他标准
BS7910英国标准协会评估金属结构缺陷的可接受性的指导方法 1.7定义
参考DNV-OS-F101中的定义。 二维分析：具有全部自由度的管道分析（即3D)，但仅在一个平面内对管道初始几何形状进行建模。 二维半分析：具有全部自由度的管道分析（即3D），在三维进行建模和分析，即包括垂直于水平
面上的曲线，但海床侧向模拟为平坦的。
三维分析：管道在三维中建模和分析，可能有利于给出水平面上曲线。模拟考虑真实的海床，包
括斜坡等。
标准：任何标准、推荐做法、指南、分类说明或类似标准。 无黏性土：土壤类型，如砂、石等。 黏性土：土壤类型，如黏土。 覆盖层：挖沟或平坦海床（不挖沟）时在管道上覆盖的材料，如碎石或海床土壤。 有效轴向力：管壁应力和内外压组合的轴向作用力，见5.2.2。内外压的影响包括在有效轴向力
的概念中。
挤入：当阻力减小时，膨胀扩展到一个区域，如管道储存的能量释放导致管道发生屈曲。
功能荷载设计工况：见3.5。
总体屈曲：管道在一段长度上发生横向失稳。横向失稳可能发生在垂直面（隆起屈曲）或水平面
（侧向屈曲）。
干涉荷载设计工况：见3.5。 侧向屈曲：水平面的总体屈曲（后屈曲条件有时也称为蛇形屈曲）。 局部最大设计温度：管道指定点的温度，与最大设计温度曲线相关。 管道蠕动：管道轴向位移的累积。 后总体屈曲：初始屈曲发生后管道总体形状的发展。 支起形状：管道在水平面上起一个特定高度时，由自重和刚度控制的管道形状。 棘齿效应：一般说来，是横截面变形的累积：
不允许产生附加弯曲的管道，在内压和轴向压应力作用下可能发生整个横截面屈服，引起直径增大。启动和关断产生的循环荷载造成塑性变形累积，可引起直径增大，定义为棘齿效应。 允许附加弯曲的管道可能经历周期荷载或者频繁的拖网拖过荷载产生的累积弯曲破坏（弯曲棘齿效应）。
管道蠕动不是棘齿效应。
蛇形铺设：含有整体侧向曲率的管道铺设方法。 隆起屈曲：垂直面内的累积变形。可发生在露置管道（先于侧向屈曲）和埋设管道。
1.8缩写
ALS- 偶然极限状态； BE 最优估算； CoV- 随机变量的方差系数CoV(X)=标准差(X)/平均值()； FE— 有限元；
4