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摘要：本文以实际生产项目为例，介绍了海底柔性管道作为油气混输管道时的设计方法。海底柔性管道将逐步应用于深海油田开发领域，希望本文能为今后海底柔性管道在深海的设计提供参考。
关键词：柔性管道；设计方法；稳定性分析
【分类号】：TE832
柔性管道在国际海洋石油工业中已得到广泛的应用，如用于连接平台、浮体、海底装置等的跨接管线和油气水输送管线，据统计国际上FPSO（浮式生产存储装置）的海底立管采用柔性管的比例已占85%以上[1]。在国外的一些深水油田，也有将柔性管道铺设到海底用于油气混输管道的，但在国内却应用不多。本文以我国南海某海上油田开发项目中新建柔性管道的为例，介绍柔性管道在海底油水混输管道中的设计。
1 柔性管道应用简介
1.1 柔性管道的分类及结构
柔性管道根据其使用功能可以分为柔性立管、铺管和连接管等[2]。柔性管道根据其制作工艺可分为粘性柔性管道和非粘性柔性管道[3]。由于非粘性柔性管道可以根据需要加减层，层间允许相对位移，更好地满足用户的特殊要求，并且也可以避免粘性管道的特殊工艺及其产生的副作用对环境造成影响，因此广泛应用于立管和输油管。国外现在都致力于非粘性柔性管道的研究，使其成为柔性管道中的主流产品[4]。
非粘性柔性管道由基本层、附加层和终端部件组成。基本层是柔性管道的基本部分，具有密封和承载压力的基本功能；附加层主要为一些保温层、防腐层等，起到不同的作用；终端部件多为专利产品，其连接部位是管道最薄弱的环节。柔性管道的终端部件可以提供标准的API/ANSI法兰连接。管端部件是柔性管道的关键技术之一。
1.2 柔性管道的技术优势和适用范围
1.2.1 柔性管道的技术优势
柔性管道采用多层复合结构，在相同拉伸刚度的条件下具有很低的弯曲刚度。在相同的压力承载能力条件下，柔性管道可以有更小的弯曲半径，也增加了其承受因海流、涡激振动、浮船运动和安装导致的载荷所产生的大变形能力[2]。其主要优点可以概括为：（1）良好的柔性；（2）安装速度快，安全可靠性高；（3）可采用模块化的设计方式；（4）抗腐蚀性好；（5）抗压性能好；（6）可以被多次回收利用。
1.2.2 柔性管道的适用范围
柔性管道主要用于下列工况下：（1）输送油/气的管道；（2）输送管道（Flow line）到（浮式）生产设施之间的立管（包括动态立管）；（3）水下卫星井口到水下管汇（PLEM）之间的跨接管线（Jumper）；（4）从生产设施平台到井下的注水、注化学药剂管道；（5）各生产设施之间的连接管，如FPSO。
2 柔性管道的设计方案
2.1 柔性管道方案与钢管方案的对比分析
根据从厂家得到的柔性管道参数，柔性管道可以满足强度要求，柔性管道方案和钢管方案的优缺点对比见表1。
表1 柔性管道方案和钢管方案的优缺点比较
通过上述分析可知，海底柔性管道虽然材料价格较高，但易于铺设，施工时间短，也可重复利用，在世界海洋石油领域应用广泛，并且在深水油田使用十分成熟，应用于本项目（约1000m）这样较短距离海管有一定的优势，因此选择使用柔性管道。
2.2 柔性管道稳定性分析
柔性管道放置在海床上，其稳定性与水下重量、环境和与土壤产生的阻力这三者有直接的关系。稳定性分析需要证明不埋设的柔性管道，其水下重量能够满足稳定性标准的要求。柔性管道底座稳定性分析需考虑安装期和正常操作期两种工况。柔性管道可能发生上浮或下沉的垂向稳定性分析需考虑内部介质最极端的情况（最大或最小）。
根据规范柔性管道的稳定性分析需要考虑如下内容：（1）在管道膨胀、沉降和水动力的作用下，管道从安装时的位置发生的侧向位移；（2）周围环境的空间限制；（3）与其他管道、水下结构物或障碍物的距离；（4）内部输送介质密度及其在管道寿命期内的变化；（5）管道的张力、曲率半径和扭矩；（6）稳定性与轴向力作用下发生的侧向屈曲之间的相互作用；（7）疲劳破坏；（8）柔性管道最外层管壳的磨损和老化；（9）牺牲阳极的破坏；（10）管端部连接处承受的载荷。
如果水泥压块垫子用于提供柔性管道的稳定性，需保证管道不会由于垫子的突出不平而磨损破坏。本项目设计的水泥压块底部即其与柔性管道接触部分，粘合了10mm厚的聚氯乙烯。如果利用堆砌石块提供稳定性，石块的形状和大小也应保证使柔性管道不会受到破坏。
2.3 柔性管道保护方案及维修方案分析
柔性管道在靠近平台端的部分，不挖沟埋设，因此需要考虑采取保护措施，使其不会受到落物、渔船拖网作业、抛锚等的破坏。由于柔性管道两端连接处均属刚度较大构件，因此在连接处一定范围内应对其采取保护措施，以保证连接部分在波流、土壤等环境条件的作用下始终保持稳定，避免发生振动疲劳或应力集中，评估最适宜的技术性和经济性的保护方式需要考虑如下因素：（1）海底地形地貌情况；（2）柔性管道和保护设施的安装；（3）柔性管道的受热膨胀；（4）垂向隆起屈曲引起的柔性管道弯曲；（5）保护设施便于检查和维护；（6）柔性管道的修复。
3 柔性管道的主要设计要素
3.1 设计基础资料
柔性管道的设计基础主要需要收集下列资料：（1）水深和工程设计水位（重现期100年和1年高水位、最高天文潮和平均海平面等）；（2）浪、流的主极值；（3）空气温度和海水温度（最低和最高温度）；（4）附着海生物信息（水深及对应的厚度）；（5）土壤参数（成分、粘度和内摩擦角等）。
3.2 主要设计参数
柔性管道的主要设计基础数据见表2。
表2 柔性管道主要设计基础数据
柔性管道的选材、计算及制造等工作由专业厂家完成。
3.3 其他设计要素
（1）柔性管道端部法兰形式：本项目中柔性管道的两端均与钢管连接，为便于法兰在水下连接，要求柔性管道两端法兰均采用旋转法兰，磅级为：ANSI 900LB，密封面形式为：RTJ。此旋转由柔性管道厂家采办，在出厂前完成法兰与柔性管道的连接工作。由于与柔性管道法兰连接的钢管法兰是由项目组采办的，为了保证法兰的匹配性，我们将采办的法兰邮寄了1片至柔性管道厂家，要求柔性管道厂家在出厂前进行法兰匹配性试验，并将结果通知我们。
（2）限弯器：考虑到对端部法兰连接处的保护，在每个端部均配置了4m长的限弯器，限弯器直接与端部法兰连接，且配置有阳极。
（3）Grayloc法兰：柔性管道中间接头采用Grayloc法兰和夹具进行连接，在Grayloc法兰上也安装有阳极。
（4）运输滚筒及吊装用吊臂、索具等及拖拉头、螺栓螺母、垫圈等备件也都需要考虑。
4 结论
随着海洋油气勘探开发的发展，柔性管道将得到越来越广泛的应用。目前国内柔性管道的应用还不广泛，需要更多工程经验的积累，设计方案和方法的完善对柔性管道在深海油气开发中的应用非常关键。
参考文献
[1] 张晓灵，梁国庆，赵敬考，等.JZ9-3油田海底柔性管道铺设方法研究[J]. 中国科技纵横，2012，9：111-113.
作者简介：石磊（1982-）男，硕士，工程师。從事海洋石油工程水下产品的设计和科研工作。
邮寄地址：天津市塘沽区丹江路1078号海油工程设计公司 石磊（收），联系电话是：15816898826、13516253615。
关键词：柔性管道；设计方法；稳定性分析
【分类号】：TE832
柔性管道在国际海洋石油工业中已得到广泛的应用，如用于连接平台、浮体、海底装置等的跨接管线和油气水输送管线，据统计国际上FPSO（浮式生产存储装置）的海底立管采用柔性管的比例已占85%以上[1]。在国外的一些深水油田，也有将柔性管道铺设到海底用于油气混输管道的，但在国内却应用不多。本文以我国南海某海上油田开发项目中新建柔性管道的为例，介绍柔性管道在海底油水混输管道中的设计。
1 柔性管道应用简介
1.1 柔性管道的分类及结构
柔性管道根据其使用功能可以分为柔性立管、铺管和连接管等[2]。柔性管道根据其制作工艺可分为粘性柔性管道和非粘性柔性管道[3]。由于非粘性柔性管道可以根据需要加减层，层间允许相对位移，更好地满足用户的特殊要求，并且也可以避免粘性管道的特殊工艺及其产生的副作用对环境造成影响，因此广泛应用于立管和输油管。国外现在都致力于非粘性柔性管道的研究，使其成为柔性管道中的主流产品[4]。
非粘性柔性管道由基本层、附加层和终端部件组成。基本层是柔性管道的基本部分，具有密封和承载压力的基本功能；附加层主要为一些保温层、防腐层等，起到不同的作用；终端部件多为专利产品，其连接部位是管道最薄弱的环节。柔性管道的终端部件可以提供标准的API/ANSI法兰连接。管端部件是柔性管道的关键技术之一。
1.2 柔性管道的技术优势和适用范围
1.2.1 柔性管道的技术优势
柔性管道采用多层复合结构，在相同拉伸刚度的条件下具有很低的弯曲刚度。在相同的压力承载能力条件下，柔性管道可以有更小的弯曲半径，也增加了其承受因海流、涡激振动、浮船运动和安装导致的载荷所产生的大变形能力[2]。其主要优点可以概括为：（1）良好的柔性；（2）安装速度快，安全可靠性高；（3）可采用模块化的设计方式；（4）抗腐蚀性好；（5）抗压性能好；（6）可以被多次回收利用。
1.2.2 柔性管道的适用范围
柔性管道主要用于下列工况下：（1）输送油/气的管道；（2）输送管道（Flow line）到（浮式）生产设施之间的立管（包括动态立管）；（3）水下卫星井口到水下管汇（PLEM）之间的跨接管线（Jumper）；（4）从生产设施平台到井下的注水、注化学药剂管道；（5）各生产设施之间的连接管，如FPSO。
2 柔性管道的设计方案
2.1 柔性管道方案与钢管方案的对比分析
根据从厂家得到的柔性管道参数，柔性管道可以满足强度要求，柔性管道方案和钢管方案的优缺点对比见表1。
表1 柔性管道方案和钢管方案的优缺点比较
通过上述分析可知，海底柔性管道虽然材料价格较高，但易于铺设，施工时间短，也可重复利用，在世界海洋石油领域应用广泛，并且在深水油田使用十分成熟，应用于本项目（约1000m）这样较短距离海管有一定的优势，因此选择使用柔性管道。
2.2 柔性管道稳定性分析
柔性管道放置在海床上，其稳定性与水下重量、环境和与土壤产生的阻力这三者有直接的关系。稳定性分析需要证明不埋设的柔性管道，其水下重量能够满足稳定性标准的要求。柔性管道底座稳定性分析需考虑安装期和正常操作期两种工况。柔性管道可能发生上浮或下沉的垂向稳定性分析需考虑内部介质最极端的情况（最大或最小）。
根据规范柔性管道的稳定性分析需要考虑如下内容：（1）在管道膨胀、沉降和水动力的作用下，管道从安装时的位置发生的侧向位移；（2）周围环境的空间限制；（3）与其他管道、水下结构物或障碍物的距离；（4）内部输送介质密度及其在管道寿命期内的变化；（5）管道的张力、曲率半径和扭矩；（6）稳定性与轴向力作用下发生的侧向屈曲之间的相互作用；（7）疲劳破坏；（8）柔性管道最外层管壳的磨损和老化；（9）牺牲阳极的破坏；（10）管端部连接处承受的载荷。
如果水泥压块垫子用于提供柔性管道的稳定性，需保证管道不会由于垫子的突出不平而磨损破坏。本项目设计的水泥压块底部即其与柔性管道接触部分，粘合了10mm厚的聚氯乙烯。如果利用堆砌石块提供稳定性，石块的形状和大小也应保证使柔性管道不会受到破坏。
2.3 柔性管道保护方案及维修方案分析
柔性管道在靠近平台端的部分，不挖沟埋设，因此需要考虑采取保护措施，使其不会受到落物、渔船拖网作业、抛锚等的破坏。由于柔性管道两端连接处均属刚度较大构件，因此在连接处一定范围内应对其采取保护措施，以保证连接部分在波流、土壤等环境条件的作用下始终保持稳定，避免发生振动疲劳或应力集中，评估最适宜的技术性和经济性的保护方式需要考虑如下因素：（1）海底地形地貌情况；（2）柔性管道和保护设施的安装；（3）柔性管道的受热膨胀；（4）垂向隆起屈曲引起的柔性管道弯曲；（5）保护设施便于检查和维护；（6）柔性管道的修复。
3 柔性管道的主要设计要素
3.1 设计基础资料
柔性管道的设计基础主要需要收集下列资料：（1）水深和工程设计水位（重现期100年和1年高水位、最高天文潮和平均海平面等）；（2）浪、流的主极值；（3）空气温度和海水温度（最低和最高温度）；（4）附着海生物信息（水深及对应的厚度）；（5）土壤参数（成分、粘度和内摩擦角等）。
3.2 主要设计参数
柔性管道的主要设计基础数据见表2。
表2 柔性管道主要设计基础数据
柔性管道的选材、计算及制造等工作由专业厂家完成。
3.3 其他设计要素
（1）柔性管道端部法兰形式：本项目中柔性管道的两端均与钢管连接，为便于法兰在水下连接，要求柔性管道两端法兰均采用旋转法兰，磅级为：ANSI 900LB，密封面形式为：RTJ。此旋转由柔性管道厂家采办，在出厂前完成法兰与柔性管道的连接工作。由于与柔性管道法兰连接的钢管法兰是由项目组采办的，为了保证法兰的匹配性，我们将采办的法兰邮寄了1片至柔性管道厂家，要求柔性管道厂家在出厂前进行法兰匹配性试验，并将结果通知我们。
（2）限弯器：考虑到对端部法兰连接处的保护，在每个端部均配置了4m长的限弯器，限弯器直接与端部法兰连接，且配置有阳极。
（3）Grayloc法兰：柔性管道中间接头采用Grayloc法兰和夹具进行连接，在Grayloc法兰上也安装有阳极。
（4）运输滚筒及吊装用吊臂、索具等及拖拉头、螺栓螺母、垫圈等备件也都需要考虑。
4 结论
随着海洋油气勘探开发的发展，柔性管道将得到越来越广泛的应用。目前国内柔性管道的应用还不广泛，需要更多工程经验的积累，设计方案和方法的完善对柔性管道在深海油气开发中的应用非常关键。
参考文献
[1] 张晓灵，梁国庆，赵敬考，等.JZ9-3油田海底柔性管道铺设方法研究[J]. 中国科技纵横，2012，9：111-113.
作者简介：石磊（1982-）男，硕士，工程师。從事海洋石油工程水下产品的设计和科研工作。
邮寄地址：天津市塘沽区丹江路1078号海油工程设计公司 石磊（收），联系电话是：15816898826、13516253615。