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海底管道是連接油井與平臺及平臺與陸上儲運(yùn)設(shè)施的輸送油氣工具。由于其工作環(huán)境不同于陸上管線，在波浪等惡劣環(huán)境荷載作用下，受管道重量、環(huán)境荷載和海底土層產(chǎn)生的阻力等多種因素的影響，海底管道可能從原位滑出或振動導(dǎo)致疲勞破壞。而管道一旦失穩(wěn)，必然會引起管道油氣泄漏，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，更會產(chǎn)生巨大的海洋環(huán)境污染，所以有必要對管道進(jìn)行一些的強(qiáng)度分析。
為防止海底管道破壞，工程上有多種方案和措施，如提高鋼管等級、增加鋼管壁厚或管道配重層，開設(shè)溝槽進(jìn)行埋設(shè)等。雖然這些措施比較可行，但是從經(jīng)濟(jì)投資角度考慮，以上方法均會增加投資費(fèi)用，而且部分措施會對管道鋪設(shè)提出比較高的要求。海底管道在位強(qiáng)度分析的目標(biāo)就是選擇最合理的鋼管壁厚及鋼管等級以滿足工程需求，除此以外，還為立管設(shè)計(jì)中提供所需的膨脹位移，確定埋藏管線的抗震能力和計(jì)算懸空管線的最大跨距等數(shù)據(jù)。由此可見，進(jìn)行詳細(xì)的海底管道在位強(qiáng)度分析，對海底管道設(shè)計(jì)和鋪設(shè)施工方法的選擇具有重要意義。
對于埋藏管線，管土之間的禍合作用對估算水動載荷引起的潛在不穩(wěn)定效應(yīng)以及管線內(nèi)部流體壓力引起的管壁擴(kuò)張很重要。另外，土壤構(gòu)成形式是決定土壤摩擦系數(shù)、剛度系數(shù)及管線鋪設(shè)方式的重要因素。土壤剛度阻止與海底接觸管線的垂直軸線方向的運(yùn)動，可根據(jù)簡單的位移理論得到。定義剛度系數(shù)Kf為垂直軸線方向的力與土壤位移之比。Kf的表達(dá)式為：對于管線受土壤作用的軸向摩擦力的計(jì)算描述，不同的規(guī)范中有不同的表達(dá)式。ASCE給出埋藏管道軸向摩擦阻力的表達(dá)式在工程上被廣泛運(yùn)用(Y為土壤容重；D為管線的外徑；c為土壤與回填相關(guān)的粘性系數(shù)或是土壤擾動不排水剪切強(qiáng)度；a=0.608-0.123；c=0.274/(c2+1)+0.695/(c3+1)，這里H為管線埋藏的深度(海床到管線中心線的距離)；k為靜態(tài)壓力系數(shù)；占為土壤與管線的接觸角度；p為土壤內(nèi)摩擦角度；f為涂層的相關(guān)系數(shù)。
根據(jù)DNVF101規(guī)范要求，通過在位強(qiáng)度分析計(jì)算和校核管道的壁厚及等級，包括壓力控制(抗壓)分析、局部屈曲(擴(kuò)展)分析、系統(tǒng)壓潰分析、熱膨脹分析、地震分析、懸跨分析。DNVF101依據(jù)所有相關(guān)破壞模式，將極限狀態(tài)分為操作極限狀態(tài)(SLS)，臨界極限狀態(tài)(LTLS)，疲勞極限狀態(tài)(FLS)，偶然極限狀態(tài)(ALS)。對應(yīng)每種極限狀態(tài)，考慮了各種載荷類型下的載荷效應(yīng)系數(shù)。依照管線系統(tǒng)的損害可能性，設(shè)定了不同的安全等級標(biāo)準(zhǔn)。基于此，建立了設(shè)計(jì)荷載(設(shè)計(jì)軸力，設(shè)計(jì)彎矩)組合的具體表達(dá)式。
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