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摘 要：本文首先对海底管道壁厚的影响因素进行了详细的介绍，明确了因素的决定性作用，然后从计算的角度对海底管线壁厚的计算流程进行了详细介绍，然后提出三点对海底管道设计的修改建议。
关键词：海底管道 壁厚 设计
海上工程风险高，施工技术要求苛刻，投资巨大，其中海底管道的投资占了很大的比重。海底管道设计中一项重要的内容就是管径和壁厚的选定问题。海底管道的外径主要是根据工艺流量和压力，结合经济和安全两方面因素确定，材质主要考虑强度大小以及制造工艺的优劣和价格因素。壁厚是管径以外最重要的参数，在设计海底输送油气管道的壁厚过程中，应考虑多方面的因素。
一、海底管道壁厚的影响因素
1.材料的许用应力
材料的许用应力是指材料的强度指标除以相应的安全系数而得到的值。当管道元件中的应力超过其许用应力值时，就认为其强度已不能得到保证。因此说，材料的许用应力是确定管道壁厚等级的基本参数。
2.腐蚀余量
腐蚀余量是考虑因介质对管道的腐蚀而造成的管道壁厚减薄，从而增加的管道壁厚值。它的大小直接影响到管道壁厚的取值，或者说直接影响到壁厚等级的确定。
目前我国尚没有一套有关各种腐蚀介质在不同条件下对各种材料的腐蚀速率数据，因此，工程上大多数情况下仍是凭经验来确定其腐蚀余量的。
二、海底管线壁厚计算
1.水深计算
在校核计算满足海底油气管道内压压裂要求的壁厚时可以不考虑水深。而在校核计算满足管道外压压溃以及扩展屈曲时应考虑管道处于最大水深情况，最大水深的计算见下式：
最大水深=平均水深+100年一遇最大波高+风暴大潮+涨潮高度
2.内压（压裂）设计计算
根据规范ASME B31.8，海底管道和立管/膨胀弯满足内压要求的壁厚可由以下公式表示：
这里Pi－设计内压压力（MPa）
Pe－设计外压压力（MPa）
D－管线的外径（mm）
tn－满足压力和腐蚀要求的名义壁厚（mm）
t－满足压力要求的壁厚（mm）
CA－腐蚀裕量（mm），取4mm
Sh－环向应力（MPa）
F1－环向应力设计因子，数值见规范ASME B31.8中表A842.22
=0.72 （1区管线）
=0.50 （2区和立管/膨胀弯管线）
T－温降因子，数值见ASME B31.8中表841.116A
=1.0 （温度<250F）
S －管材的标定最小屈服强度（MPa），358.54MPa
3.外压（压溃）设计计算
规范ASME 31.8并没有提供海底管道的极限外压力设计，因此外压设计依据Timoshenko的“稳定性的弹性理论”进行计算。
极限外压力用以下公式进行计算：
式中：
Pcol－管线极限外压力（MPa）
U－管线的椭圆度（%），取2％
Pcr－弹性变形临界压力（MPa）
Pcr= 3
E－钢管的杨氏模量（MPa），2.07x105（MPa）
Rm－钢管的平均半径（mm），
Rmin－管线的最小半径（mm）
Rmax－管线的最大半径（mm）
ν－管线的泊松比，取值为0.3
σy－管材的标定最小屈服强度（MPa），358.54MPa
tc－考虑腐蚀裕量的壁厚（mm）
4.屈曲扩展设计计算
管线壁厚的设计应该能满足管线不会发生屈曲。海底管线在一定的水深条件下，当静水压力足够大时就会使管线屈曲。初始屈曲压力的大小可由Battlle公式计算：
式中：
Pi－初始屈曲压力（MPa）
E－管线的杨氏模量（MPa）
t－名义壁厚（mm）
D－管线外径（mm）
5.壁厚计算值的选取
根据以上公式计算所得壁厚值，从四个值中选取最大值做为管线壁厚的计算值，根据《DNV-OS-F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS》规范要求，确定最终壁厚。
三、海底管线壁厚计算的修改提议
目前，管线设计是根据 ASME B31.8（美国机械工程师协会） 计算所需的管壁厚度或允许压力，是一种基于允许环向应力的设计方法。当管道受到升温及内部压力的综合作用时， ASMEB31.8 并无相应的壁厚修正标准或公式。在遵循原有基本原则以及极限状态设计概念的基础上，建议改变 B31.8 的保守设计，在不影响管道的完整性情况下，减小管道壁厚。
1.引入最小壁厚设计因素
管线的壁厚越小，环向应力越大。设计要求由管线几何尺寸决定的环向应力小于（或等于）允许的环向应力，从而可计算出最小的壁厚尺寸。采用 B31.8 中管道壁厚的计算标准，考虑管道制造中的公差，可以修正设计因数，增加环向应力允许值，则可减小名义壁厚的允许值。例如，管线外径小于 20in 的焊接管或无缝管，利用修正后的公式计算，允许的环向应力可增加8.5% 。
2.完善环向应力计算公式
基于极限状态标准的设计是管道设计规范的趋势。保守的极限状态设计是应用传统的允许应力标准来计算材料实际的非线性特性下的应力，改进后的壁厚设计公式充分考虑到了管道材料的非线性性能以及管壁径向应力分布。与原有公式相比，新的环向应力计算公式提供了更经济的方案。
3.管道壁厚与温差之间的关系
对于现代管道而言，确定管道壁厚与温差的关系具有重要意义。 B31.8 中既不包括纵向应力和等效应力，也不包括确定受限制的管道纵向应力的计算公式，因此建议加以修订。对于受限制的管道考虑实际的非线性特性下的应力，采用修正后的方法计算可增加允许的温差范围或减小需要的壁厚。
四、结论
根据上述海底管线壁厚示例计算可知，壁厚设计需考虑内压压裂、外压压溃以及屈曲产生和扩展等校核计算，另外管道设计的校核也非常重要。综上所述，海底管道的设计影响因素比较多，设计和施工工况比较复杂，在现有设计和计算流程的基础上，逐步探索新的修改提议和方法是非常有必要的。
参考文献
[1]中華人民共和国石油天然气行业标准SY／T4804-92海底管道系统规范Es].1992．
[2]DNV.Rules for Submarine Pipeline System[S].1981．
[3]DNV.Offshore Standard OS-F101 Submarine Pipeline Systems Es].2000.
关键词：海底管道 壁厚 设计
海上工程风险高，施工技术要求苛刻，投资巨大，其中海底管道的投资占了很大的比重。海底管道设计中一项重要的内容就是管径和壁厚的选定问题。海底管道的外径主要是根据工艺流量和压力，结合经济和安全两方面因素确定，材质主要考虑强度大小以及制造工艺的优劣和价格因素。壁厚是管径以外最重要的参数，在设计海底输送油气管道的壁厚过程中，应考虑多方面的因素。
一、海底管道壁厚的影响因素
1.材料的许用应力
材料的许用应力是指材料的强度指标除以相应的安全系数而得到的值。当管道元件中的应力超过其许用应力值时，就认为其强度已不能得到保证。因此说，材料的许用应力是确定管道壁厚等级的基本参数。
2.腐蚀余量
腐蚀余量是考虑因介质对管道的腐蚀而造成的管道壁厚减薄，从而增加的管道壁厚值。它的大小直接影响到管道壁厚的取值，或者说直接影响到壁厚等级的确定。
目前我国尚没有一套有关各种腐蚀介质在不同条件下对各种材料的腐蚀速率数据，因此，工程上大多数情况下仍是凭经验来确定其腐蚀余量的。
二、海底管线壁厚计算
1.水深计算
在校核计算满足海底油气管道内压压裂要求的壁厚时可以不考虑水深。而在校核计算满足管道外压压溃以及扩展屈曲时应考虑管道处于最大水深情况，最大水深的计算见下式：
最大水深=平均水深+100年一遇最大波高+风暴大潮+涨潮高度
2.内压（压裂）设计计算
根据规范ASME B31.8，海底管道和立管/膨胀弯满足内压要求的壁厚可由以下公式表示：
这里Pi－设计内压压力（MPa）
Pe－设计外压压力（MPa）
D－管线的外径（mm）
tn－满足压力和腐蚀要求的名义壁厚（mm）
t－满足压力要求的壁厚（mm）
CA－腐蚀裕量（mm），取4mm
Sh－环向应力（MPa）
F1－环向应力设计因子，数值见规范ASME B31.8中表A842.22
=0.72 （1区管线）
=0.50 （2区和立管/膨胀弯管线）
T－温降因子，数值见ASME B31.8中表841.116A
=1.0 （温度<250F）
S －管材的标定最小屈服强度（MPa），358.54MPa
3.外压（压溃）设计计算
规范ASME 31.8并没有提供海底管道的极限外压力设计，因此外压设计依据Timoshenko的“稳定性的弹性理论”进行计算。
极限外压力用以下公式进行计算：
式中：
Pcol－管线极限外压力（MPa）
U－管线的椭圆度（%），取2％
Pcr－弹性变形临界压力（MPa）
Pcr= 3
E－钢管的杨氏模量（MPa），2.07x105（MPa）
Rm－钢管的平均半径（mm），
Rmin－管线的最小半径（mm）
Rmax－管线的最大半径（mm）
ν－管线的泊松比，取值为0.3
σy－管材的标定最小屈服强度（MPa），358.54MPa
tc－考虑腐蚀裕量的壁厚（mm）
4.屈曲扩展设计计算
管线壁厚的设计应该能满足管线不会发生屈曲。海底管线在一定的水深条件下，当静水压力足够大时就会使管线屈曲。初始屈曲压力的大小可由Battlle公式计算：
式中：
Pi－初始屈曲压力（MPa）
E－管线的杨氏模量（MPa）
t－名义壁厚（mm）
D－管线外径（mm）
5.壁厚计算值的选取
根据以上公式计算所得壁厚值，从四个值中选取最大值做为管线壁厚的计算值，根据《DNV-OS-F101 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS》规范要求，确定最终壁厚。
三、海底管线壁厚计算的修改提议
目前，管线设计是根据 ASME B31.8（美国机械工程师协会） 计算所需的管壁厚度或允许压力，是一种基于允许环向应力的设计方法。当管道受到升温及内部压力的综合作用时， ASMEB31.8 并无相应的壁厚修正标准或公式。在遵循原有基本原则以及极限状态设计概念的基础上，建议改变 B31.8 的保守设计，在不影响管道的完整性情况下，减小管道壁厚。
1.引入最小壁厚设计因素
管线的壁厚越小，环向应力越大。设计要求由管线几何尺寸决定的环向应力小于（或等于）允许的环向应力，从而可计算出最小的壁厚尺寸。采用 B31.8 中管道壁厚的计算标准，考虑管道制造中的公差，可以修正设计因数，增加环向应力允许值，则可减小名义壁厚的允许值。例如，管线外径小于 20in 的焊接管或无缝管，利用修正后的公式计算，允许的环向应力可增加8.5% 。
2.完善环向应力计算公式
基于极限状态标准的设计是管道设计规范的趋势。保守的极限状态设计是应用传统的允许应力标准来计算材料实际的非线性特性下的应力，改进后的壁厚设计公式充分考虑到了管道材料的非线性性能以及管壁径向应力分布。与原有公式相比，新的环向应力计算公式提供了更经济的方案。
3.管道壁厚与温差之间的关系
对于现代管道而言，确定管道壁厚与温差的关系具有重要意义。 B31.8 中既不包括纵向应力和等效应力，也不包括确定受限制的管道纵向应力的计算公式，因此建议加以修订。对于受限制的管道考虑实际的非线性特性下的应力，采用修正后的方法计算可增加允许的温差范围或减小需要的壁厚。
四、结论
根据上述海底管线壁厚示例计算可知，壁厚设计需考虑内压压裂、外压压溃以及屈曲产生和扩展等校核计算，另外管道设计的校核也非常重要。综上所述，海底管道的设计影响因素比较多，设计和施工工况比较复杂，在现有设计和计算流程的基础上，逐步探索新的修改提议和方法是非常有必要的。
参考文献
[1]中華人民共和国石油天然气行业标准SY／T4804-92海底管道系统规范Es].1992．
[2]DNV.Rules for Submarine Pipeline System[S].1981．
[3]DNV.Offshore Standard OS-F101 Submarine Pipeline Systems Es].2000.