ICS75.180.10 SY E 94 备案号：53472—2016 中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T70562016 海底管道自由悬跨 Free spanning pipelines 2016—01-07发布 2016—06—01实施 国家能源局 发布 SY/T7056—2016 海底管道自由悬跨 1总则 1.1绪论 1.1.1本标准关注波浪和海流联合作用下自由悬跨海底管道。本标准是基于最近的研发项目在管道自 由悬跨技术方面取得的进展以及最近和正在进行的项目中获得的设计经验，即： DNV指南14，见Mork&Fyrileiv（1998）。 地质条件和水动力模型部分是基于GUDESP项目研究成果，见Tura等（1994）。 自由悬跨分析和顺流向涡激振动（VIV）疲劳分析部分是基于MULTISPAN项目已发表的成 果，见Mork等（1997)。 数值研究基于Statoil、DHI和DNV对沟渠附近管道振动进行的计算流体力学模拟研究，见 Hansen等(2001)。 另外，最近R&D项目成果以及从AsgardTransport，ZEEPIPE，TOGI和TROLLOIL管道 项目中获得的设计经验，见Fryleiv等（2005）。 OrmenLange试验针对具有多模态行为的中等和较长悬跨，见Fryleiv等（2004）、Chezhian 等（2003)、MOrk等（2003)。 本标准中采用的基本原则与大多数公认的准则相一致，反映了目前工业作法和最新的研究成果。 本标准对基本的水动力现象、准则和参数进行简要的介绍。详细的介绍可参考Summer&FredsOe (1997）和Blevins（1994)。 1.2目的 1.2.1 本标准的目的是对波流联合作用下管道自由悬跨评估提供合理的设计准则和指南。 1.3范围及应用 1.3.1本标准规定了顺流向和横流向涡激振动（VIV）以及直接波浪作用下自由悬跨管道极端极限状 态（ULS）和疲劳极限状态（FLS）的设计准则。 考虑了以下问题： 自由悬跨分析方法。 结构建模要求。 一地质条件。 环境条件和荷载。 疲劳分析要求。 -VIV响应和直接波浪力分析模型。 验收标准。 1.3.2自由悬跨产生的原因有： 海床不平整。 海底地貌变化（如冲刷、沙波）。 SY/T7056—2016 一人工支撑/抛石等。 一漩涡冲刷。 1.3.3本标准描述了以下环境海流条件： 一海流引起的稳态流。 一波浪引起的振荡流。 一海流和波浪形成的组合流。 流态在1.9中讨论。 1.3.4严格地讲，本标准仅适用于圆形截面钢管道。但是，只要正确地考虑了其他水动力荷载，如驰 振，本标准可慎重地用于子母管等非圆形截面管道。基本原理也适用于截面更复杂的管道，如双层 管、管束、挠性管和脐带缆。 1.3.5本标准对悬跨长度和悬跨间隙没有限制。不论单跨、多跨，单模态、多模态，均可采用本文件 进行评估。除非另有说明，不同模态对管道损伤的作用应针对悬跨上同一最危险（焊接）位置。 1.3.6可以用近似的响应表达式或精确的有限元法进行自由悬跨分析，这取决于悬跨类别和响应类 型，见第6章。 考虑下列情况： 单跨。 与相邻悬跨/单边悬跨相互作用的悬跨。 应力范围和固有频率通常由有限元法求得。结构建模和自由悬跨分析要求见第6章。 1.3.7考虑以下模型： 一响应模型(RM)。 力模型(FM)。 若自由悬跨振动由涡激共振现象控制，可应用振幅响应模型。若自由悬跨振动由水动力荷载，如 直接波浪荷载控制，可应用力模型（Morison方程）。根据主要的流态选取合适的模型见1.9。 1.3.8疲劳标准仅限于弹性范围内的应力循环。弹塑性性能引起的低周疲劳不在本标准考虑范围之内。 1.3.9本标准不考虑拖拉作用、安装期间循环荷载或压力变化导致的疲劳荷载，但在整体疲劳损伤评 估中必须考虑。 1.3.10本标准不包含高温/高压管道自由悬跨结构设计、评估的方法和准则。然而，由隆起引起的 悬跨包含在本标准中。 1.3.11自由悬跨评估的主要内容、关键参数和主要结果如图1-1所示。 1.4本文件应用范围扩展 1.4.1本标准主要针对自由悬跨海底管道。 1.4.2本标准中的基本原则也可应用扩展到其他海上结构单元，如导管架的桩腿结构单元、固定平台 的立管等。然而也存在一些应用限制条件，这些条件在C.2中讨论。 1.4.3对于立管涡激振动更加详细的阐述，参见DNV-RP-F204《立管疲劳》。 1.5安全原理 1.5.1本标准采用的安全原理服从DNV-OS-F101第2章中的规定。 1.5.2用荷载抗力系数法（LRFD）来保证管道抗疲劳的安全可靠性。 对于顺流向和横流向涡激振动接受准则，用基于可靠性的方法，根据接受的目标可靠性水平 标定一组安全系数。 一对所有其他接受准则，基于工程判断确定推荐的安全系数，以达到与工业界实践相当的安全 2 SY/T7056—2016 等级。 可以考虑使用基于疲劳损伤不确定性定量分析得到的特殊工况安全系数。 主要部分 环境描述 结构响应 响应模型、力模型 验收标准 第3章 第6章、第7章 第4章、第5章 第2章 VR 项目数据 管子数据 安全等级 海流统计 KC 海床&管子剖面 安全因子 海流分布 土体数据 S-N曲线 关键参数 波浪统计 一铺设张力 一阻尼 波浪谱 操作条件 一自由悬跨参数 方向性 紊流 筛选 波流重现期值 满足/不满足 固有频率 (悬跨长度) 设计标准&主要结果 疲劳 固有频率 应力范围 满足/不满足 波流长期描述 应力幅 循环数 (疲劳寿命) ULS 固有频率 满足/不满足 波流重现期值 极端应力 应力范围 (局部屈曲) 静弯矩 图1-1 自由悬跨评估主要部分总览 1.6 自由悬跨形态分类 1.6.1形态分类的目的是确定自由悬跨是孤立的还是相互作用的。形态分类确定自由悬跨分析的复杂 程度： 如果静态和动态特性不受相邻悬跨的影响，则两个或两个以上连续悬跨被认为是孤立的（即 单跨)。 如果静态和动态特性受到相邻悬跨的影响，则管道自由悬跨相互作用的（即多跨）。如果自 由悬跨是相互作用，在管道/海床模型中必须包含一个以上的悬跨。 1.6.2自由悬跨形态分类用于下列情况： 评估单跨和多跨的多模态响应。 评估冲刷引起的自由悬跨和应用6.7描述的近似响应值。 1.6.3通常应基于详细的静态和动态分析进行悬跨管道形态分类。 注：当用自动计算的有限元分析工具分析长管段时，在识别相互作用悬跨时会出现某些局限性。 下面的例子说明了这一点： 两个自由悬跨相距1000m，每一悬跨长约50m。根据有限元分析结果，这两个悬跨的一些固有频率是相同的。 而且，由于数值近似或舍人误差，结果可能显示这两个悬跨为单模态响应，即这两个悬跨是单模态相互作用。 但实际上这两个悬跨相距很远，并不发生相互作用。 如果错误地将孤立悬跨模拟为多悬跨，可能会在疲劳损伤评估中产生错误。疲劳损伤依赖于单位应力幅值， 如第4章所述。单位应力幅值依赖于归一化模态，归一化模态与考虑归一化跨长有关。在多跨系统内分析长 3 SY/T7056—2016 距离多跨时，它的归一化不同于孤立单跨的归一化。反之将产生误差。 经验表明若悬跨的频率接近，即使悬跨间距非常大，有限元方法可能预测它们之间是相互作用的。若相互分 离的悬跨有挠曲模态，应考虑采用合适的轴向管一土刚度和悬跨间的局部约束，以分离出单个模态。 因此，宜谨慎使用自动计算的有限元工具识别相互作用悬跨。 1.6.4如果没有详细数据，可以根据土壤类型和悬跨/悬跨支撑长度用图1-2区分悬跨是孤立的还是 相互作用的。图1-2仅用于示意而且仅适用于水平支撑。严格而言，其中的曲线仅适用于垂向（横流 向）动态响应，但也可用于水平（顺流向）响应评估。 图1-2表明：对于给定悬跨，随着土壤的软化，悬跨趋向于相互作用。但是，对于给定的海床形 状，管道在较软的土壤中比较硬的土壤中悬跨较短、较少，相互作用悬跨可能也较少。 相互作用的 砂 FO' 刚性黏土 7/7 孤立的 0.8 相邻悬跨的相对长度 0.6 非常软黏土 软/硬黏土 0.4 0.2 0.0+ 0.0 0.1 0.20.3 0.40.5 0.6 0.70.80.91.0 相对跨肩长度L,/L 图1-2自由悬跨分类 1.7自由悬跨响应分类 1.7.1 自由悬跨振动可以进行下列分类和分析： 孤立单跨一单模态响应。 孤立单跨一多模态响应。 相互作用的多跨一单模态响应。 相互作用的多跨一多模态响应。 1.7.2若在给定流速下可能激起几个振动模态（同一方向），应考虑多模态响应。 1.7.3下面简单保守的方法可用来判断单模态响应或多模态响应： 建立自由悬跨垂向（横流向）和水平方向（顺流向）的最小频率。 采用如下简化准则识别可能激起的频率： VRd,CF>2横流向 VRd,IL>1顺流向 此处，可采用管子处1年流条件计算折减速度，见第3章。 若仅有一个模态满足这一准则，则为单模态响应；否则，则为多模态响应。 注：通常，采用有限元分析确定顺流向和横流向频率。如适用，也可采用6.7中的近似响应值。 1.8自由悬跨响应性能 1.8.1表1-1用自由悬跨长度的函数给出了典型的自由悬跨特征。用（LD）表示的归一化自由悬跨 长度范围只是假定的，仅用于说明。 4 SY/T7056—2016 表1-1典型的自由悬跨特征 LID 响应描述 非常小的动态响应 LID < 30a 通常不需要进行全面的疲劳设计校核。环境荷载引起的动态响应不显著且不可能发 生VIV 响应以梁性能为主 30<L/D<100 操作条件下的典型悬跨长度。固有频率对边界条件（和有效轴力）敏感