海外高地下水位地段油气管道抗漂计算*

时间：2024-07-28

程浩力张大凡高雪利吴高锋刘畅徐子健金龙桑玉希

1中国石油工程建设有限公司北京设计分公司

2中国石油天然气管道工程有限公司

近年来，中国石油企业以“一带一路”为重点不断布局海外业务，以中石油为例，截至2020 年底，中国石油共在全球35 个国家和地区开展海外油气投资业务，在海外已建成的油气管道总里程达到14 996 km[1]。在开展油气业务投资的同时，中国石油也同欧美石油公司及中东产油国国家石油公司进行了大量合作，工程建设企业也参与了合作方的很多油气田地面工程及长输管道项目。当油气管道在高地下水位地区或盐沼地区铺设时，管道施工过程中面临着漂管问题，管道在一定条件下漂浮的特性可以在水域穿越及高地下水位地段沉管施工中得到应用[2-4]。对于漂管的控制也有很多措施[5-12]，但当采取常规开挖回填施工方式时，处理不当可能导致管道埋深不足，在运营期间产生第三方破坏事故隐患或者间接引起管道的隆起屈曲[13]，因此需要对管道漂管的可能性进行计算，以确定需采取的浮力控制措施。国外油气管道工程设计中最常用的ASME B 31.4—2019[14]及ASME B 31.8—2018[15]均提出管道在水域或沼泽等敷设时，应考虑采取配重及锚固措施以防止浮起。浮力计算是抗漂设计中的最基本内容，美国土木工程师学会（The American Society of Civil Engineers，简称ASCE）的Guidelines for the design of buried steel pipe 针对管道浮力的计算给出了基本公式[16]，挪威船级社的标准DNVGL-RP-F 109—2021[17]及对其采标的国内石油行业标准SY/T 7060—2016[18]，对管道在水中垂向稳定性的计算方式做了介绍。在对外合作过程中，很多欧美石油公司业主及工程公司均将单独的管道抗漂计算报告作为项目必要文件进行提交批复。阿布扎比国家石油公司（简称ADNOC）标准中对高地下水位的盐沼地区管道抗漂也有相关技术要求[19]，其旗下项目中广泛提交独立的管道抗漂计算报告。ADNOC 由壳牌公司（SHELL）、英国石油公司（BP）、法国石油公司（CFP，道达尔石油公司前身）、美国美孚石油公司（MOBIL）、美国埃克森石油公司（EXXON）等石油巨头创立，其标准规范融合了欧美石油巨头技术理念。因此，对ADNOC相关设计项目中关于管道抗漂计算要求进行探讨，对于海外项目的设计具有较强的实用性及借鉴意义。

1 漂管计算及校核原理

当位于地下水静水位以下的管道受到的浮力超过管道及其上方土壤向下的总重力时，埋地管道上会产生向上的力，此时管道无法保持稳定，需要采取措施以防止管道浮起。为验证管道的稳定性，管道的浮力检查应考虑以下安装条件：未回填状态下管沟中的管道（管道内部无介质，管沟未回填，管道淹没于水中）；已回填状态下管沟中的管道（管道内部无介质，管沟已回填，管道淹没于水中）。

1.1 未回填状态下管道浮力校核

在高地下水位地区（包含水域开挖穿越、沼泽等地区）且当下沟和回填期间无法有效降水时，管道可能会由于浮力作用（为简化计算，以下均为静水浮力）在管沟内浮起及摆动，影响管道的安装。可以通过比较管道向下的重力与水对管道向上的浮力的差值来判断管道的稳定性，即比较单位长度管道质量同管道排开水的体积。计算中通常考虑1.25的安全系数(F.O.S)，基本计算公式为

式中：Mp为单位长度管道总质量，kg/m；Mw为单位长度管道排出的水的质量，kg/m；Mst为单位长度钢管质量，kg/m；γst为钢管密度，kg/m3；Ast为钢管截面积，m2；Mcorr为单位长度钢管防腐层质量，kg/m；γcorr为防腐层密度，kg/m3；Acorr为防腐层截面积，m2；γw为水的密度，kg/m3；Ap为单位长度钢管截面积，m2。

如果F.O.S＜1.25，则需要考虑抗漂管措施。

1.2 回填状态下管道浮力校核

当管沟回填后，除了考虑管道在空管下质量外，还应考虑饱和土壤的质量来验证管道的稳定性。为保守起见，可以认为管道上方的水位高度与管道覆土厚度相同（即土壤饱和含水量100%），即

根据式（6）计算结果，如果F.O.S＜1.25，则需要考虑回填后的抗漂管措施。

单位长度管道排出的水的质量Mw及土壤、钢管（含防腐层）总的向下的质量MD可用以下方程式求解：

式中：MD为土壤、钢管（含防腐层）总的向下的质量，kg/m；Ms为管道上方土壤的有效质量，kg/m；Hw为管道上方水的深度，视为等同于回填土高度，m；Dtotal为管道外径（含防腐层），m；PV为管道上方单位面积的饱和土壤的静载荷，kg/m2；Rw为浮力系数，；C为管道上覆土厚度，m；γsoil为回填的土壤密度（干土壤），kg/m3。

1.3 试压条件下管道沉降校核

在非黏性土壤中，管道充水试压时，如果管道土壤承载力不足，可能导致管道沉降，影响管道安全。当管道充水后总重力Fp不超过土壤安全承载力FN时，管道不会沉降。

可以使用标准的土壤力学公式来评估没入饱和土壤中的管道。由标准土壤力学公式计算土的承载力，并将其与因管道载荷引起的压力进行比较。参照Brinch Hansen 公式，可将置于管沟的管道视为条状浅基础，土壤最大承载力如式（10）所示：

安全系数取3，土壤安全承载力可用式（11）计算：

式中：FG为土壤最大承载力，N；FN为土壤安全承载力，N；γ为土壤浮容重，N/m3；α为土壤内聚力，非黏性土壤取值为0，N；D为含防腐层的管道外径，m；H为管沟深度，m；Nc、Nq、Nγ为无量纲的土壤承载力系数，它们是土壤摩擦角φ的函数，由具体项目的地勘报告给出。

可以将以上计算出的安全承载力与注满水的管道负载进行比较，以验证其稳定性。为了获得保守的结果，管道负载应考虑为未浸入水中时的质量，管道中充水后的总重力Fp为

式中：Wp为单位长度管道重力（含防腐层），N；Wc为单位长度管道内水的重力，N。

如果Fp＞FN，则管道可能发生沉降，需要在管道下沟前采取降排水、管底土壤置换或采取垫置沙袋等措施。

1.4 抗漂措施

进行上述计算后，如果所获得的安全系数小于1.25，则应采取抗漂措施以确保管道的稳定性。应使用固定质量的配重作为以永久的抗漂浮措施保持管道的稳定性。

防止管道漂浮所需的配重质量和间距，可以通过将管道和配重的总质量与管道和配重所排出水的总质量相等来计算，即

安全系数为1.25 时，配重安装的间距S可由下式（14）求得：

式中：Msw为单位长度配重质量，kg/m；Mws为单位长度配重排出水的质量，kg/m；S为配重的中心间距，m。

2 计算实例

某油气集输项目中有219.1、323.8、406.4、457 mm 四种管径的输油管道，根据上述原理对管道进行了抗漂计算并验证了其稳定性，计算结果见表1。设计及假设条件如下：

表1 管道抗漂计算结果Tab.1 Results of anti-floating calculations for pipelines

（1）在一般地段，计算中考虑了1 m的覆土厚度和0.72设计系数下的管道壁厚。为保守计算，不考虑高出地面的回填土。

（2）在道路穿越段，考虑了1.5 m 的覆土厚度和0.6设计系数下的管道壁厚。

（3）对于“未回填状态”（在施工过程中）的计算，使用了管道未腐蚀的厚度（按照新建管道厚度计算）；对于“回填状态”，则使用了完全腐蚀条件下的厚度计算（管道运行寿命末期）。

根据表1的计算结果可以得出结论，计算中的管道在回填条件下都是安全的，因此不需要采取永久性的抗漂措施。然而，由表1可知，各条输油管道在未回填状态下的一般地段及道路穿越地段，仅219.1 mm管径管道不需要抗漂措施。因此，在施工过程中，应采取降排水或增加管道配重等措施，确保管道下沟直至回填完毕的稳定性。