白 寧，趙冬巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

基于OFFPIPE的海底管道S型鋪設(shè)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

白 寧，趙冬巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

OFFPIPE是海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)中廣泛使用的功能強(qiáng)大的鋪管分析軟件，但是，該軟件也存在對(duì)托管架建模不夠精確、手動(dòng)操作過程較繁瑣以及輸出結(jié)果難于被數(shù)據(jù)處理軟件讀取等缺點(diǎn)。文章論述了采用Delphi開發(fā)了一套針對(duì)OFFPIPE的輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，具有對(duì)托管架精細(xì)建模、OFFPIPE外部程序自動(dòng)控制、OFFPIPE輸出文件讀取等技術(shù)特點(diǎn)，使繁瑣的人工設(shè)計(jì)調(diào)整過程完全自動(dòng)化。該軟件大大提高了OFFPIPE的使用便捷性和效率，在海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值。

海底管道鋪設(shè)；OFFPIPE軟件；Delphi軟件；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

OFFPIPE是一款基于有限元方法的用于海底管道鋪設(shè)分析的專業(yè)軟件，由于其功能強(qiáng)大，運(yùn)算迅速，在海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)工作中得到了廣泛的應(yīng)用。OFFPIPE在海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)中一般用于計(jì)算管道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，工程師可根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷調(diào)整作業(yè)線形態(tài)，以得到最佳的施工參數(shù)。這是目前國內(nèi)最常用的海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)方法。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法原理簡(jiǎn)單，容易操作，因此得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于OFFPIPE本身的限制，這種方法也存在一定的局限性。在國內(nèi)，關(guān)于海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)方面的工作主要集中在鋪管應(yīng)力應(yīng)變分析領(lǐng)域[1-5]，與本文類似的關(guān)于設(shè)計(jì)輔助優(yōu)化方面的工作介紹還未見到。

（1）OFFPIPE提供了若干種作業(yè)線建模方法，但是功能都比較簡(jiǎn)單粗略，最精確的一種建模方法也僅僅是要求用戶直接輸入各個(gè)滾輪支撐點(diǎn)的精確坐標(biāo)。但是要根據(jù)某條鋪管船得到一組可用的滾輪支撐坐標(biāo)值是一件非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，一般的步驟是，采用CAD軟件來建立鋪管船和托管架的模型，然后手動(dòng)調(diào)整托管架角度和支撐滾輪高度等參數(shù)，使所有滾輪都能接觸到管道，這時(shí)作業(yè)線的配置參數(shù)以及相應(yīng)的滾輪支撐坐標(biāo)就能夠用于實(shí)際施工。應(yīng)該注意到，這種方法至少有兩個(gè)明顯的局限性。第一，在淺水作業(yè)中，托管架通常只有一段或兩段，這種較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使得通過手動(dòng)調(diào)節(jié)方式得到可用參數(shù)成為可能。但是在深水作業(yè)中，托管架的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，通常會(huì)由三段甚至四段組成，這時(shí)傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式就會(huì)失效，得到可用參數(shù)非常困難。第二，對(duì)于淺水管道鋪設(shè)，管道的應(yīng)力水平一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于管道鋼材的屈服應(yīng)力。由于對(duì)于絕大多數(shù)可用參數(shù)，相應(yīng)的管道應(yīng)力水平都遠(yuǎn)遠(yuǎn)在屈服應(yīng)力以下，完全可以用于施工，因此就沒有必要保證作業(yè)線的參數(shù)配置最優(yōu)化。而在深水鋪管作業(yè)中，管道的應(yīng)力水平較接近屈服應(yīng)力，這時(shí)保證作業(yè)線的形狀最優(yōu)化就變得非常重要。但是上述的傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)方法無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

（2）OFFPIPE是用FORTRAN語言開發(fā)的基于DOS系統(tǒng)的程序，已經(jīng)有20多年歷史，只能用鍵盤進(jìn)行操作，參數(shù)必須手動(dòng)輸入，輸出的圖表無法保存，數(shù)據(jù)文件格式也比較復(fù)雜，很難被數(shù)據(jù)處理軟件讀取。而在設(shè)計(jì)工作中，往往需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，OFFPIPE的這些特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)人員只能重復(fù)地手動(dòng)調(diào)整輸入?yún)?shù)，再人工觀察輸出文件中的計(jì)算結(jié)果，如此反復(fù)直到得出可用的設(shè)計(jì)結(jié)果為止。這種簡(jiǎn)單勞動(dòng)的重復(fù)進(jìn)行會(huì)浪費(fèi)大量的人工，而且意義不大，完全可以利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

針對(duì)OFFPIPE的上述局限性，本文用Delphi開發(fā)了一套針對(duì)OFFPIPE的輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，該軟件能夠根據(jù)輸入的管道彎曲半徑自動(dòng)計(jì)算得到可用的作業(yè)線形狀配置參數(shù)和滾輪坐標(biāo)，并可以自動(dòng)生成OFFPIPE的輸入文件，控制OFFPIPE進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，還能夠過濾掉其輸出文件中的多余信息，對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析并用圖表顯示。只要用戶設(shè)定好求解最優(yōu)化配置參數(shù)的范圍，該軟件就能夠自動(dòng)選擇出最佳的作業(yè)線形狀。在某種意義上，這套軟件代替了工程師的大部分重復(fù)性設(shè)計(jì)工作。下面就給出該軟件的主要編制流程。

1 軟件主要原理和流程

1.1 作業(yè)線滾輪坐標(biāo)計(jì)算技術(shù)

為了得到準(zhǔn)確的支撐滾輪坐標(biāo)，必須建立精細(xì)的作業(yè)線模型，包括船上的張緊器及其之后的作業(yè)線部分。

管道、管道支撐以及有限元模型的坐標(biāo)都是在如圖1所示的坐標(biāo)系中定義的。在這個(gè)坐標(biāo)系中，X軸是水平的，位于靜止的水面上。X軸與管道鋪設(shè)的方向平行，并且位于管道鋪設(shè)路徑的正上方，X軸的正向指向管道鋪設(shè)的方向。

Y軸是豎直的，并且垂直于水面。Y軸指向正上方，在水面處其坐標(biāo)為零，在水面上其坐標(biāo)為正，水面下為負(fù)。整條鋪設(shè)中的管道都位于X-Y平面內(nèi)。

船尾板與水面的交點(diǎn)被定義為原點(diǎn)。在本文中，整個(gè)問題都是在X-Y平面這個(gè)二維系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分析的。

為了精確描述托管架的結(jié)構(gòu)，考慮到計(jì)算的方便，需要在每段托管架上建立局部坐標(biāo)系，這里以托管架段的最左端支撐滾輪柱與上懸桿中線的交點(diǎn)為原點(diǎn)，X坐標(biāo)軸與上懸桿中線平行，Y軸與上懸桿垂直向上。如圖2所示。

對(duì)于某條特定的鋪管船和托管架，使用表1中所列的參數(shù)，就能精確地建立整條作業(yè)線模型。

一般來說，托管架是由若干段構(gòu)成的，段與段之間通過鉸接相連。鉸接點(diǎn)有可能位于托管架上懸桿，也可能位于下懸桿，圖3和圖4分別顯示了鉸接點(diǎn)位于上懸桿和下懸桿的兩種托管架段類型。在本文描述的方法中，鉸接點(diǎn)可以位于任何位置，位于上懸桿和下懸桿在算法上都沒有任何區(qū)別，甚至位于上下懸桿中間也可以。這種特點(diǎn)使本文的方法可以建立任何形狀的托管架模型。

從支撐滾輪柱的根部到管道的距離由兩部分構(gòu)成，即滾輪高度和滾輪附加高度。圖5是典型的滾輪箱3D視圖，圖6顯示了這兩個(gè)參數(shù)的定義，滾輪高度是上懸桿中線到滾輪支撐旋轉(zhuǎn)軸的位置，而附加高度則是從旋轉(zhuǎn)軸到管道的距離。實(shí)際上，有可能是如圖中所示的由兩個(gè)滾輪箱構(gòu)成一組滾輪支撐，也可能僅由一個(gè)滾輪箱構(gòu)成一組滾輪支撐。只要知道滾輪箱的設(shè)計(jì)尺寸、管道的外徑以及管道的半徑，即可根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何公式求出滾輪高度和附加高度，在這里不再贅述。

表1 建立作業(yè)線模型的必需參數(shù)

在S型鋪管施工中，托管架上管道的理想形態(tài)就是標(biāo)準(zhǔn)圓弧，因此在本文描述的計(jì)算方法中，把該圓弧的半徑作為一個(gè)輸入?yún)?shù)，計(jì)算的目的就是要讓滾輪支撐都能貼合這個(gè)理想圓弧。計(jì)算滾輪支撐坐標(biāo)的主要思路是：首先根據(jù)各個(gè)滾輪支撐的滾輪高度范圍計(jì)算出允許的管道圓弧所處的位置范圍，然后在這其中選擇一個(gè)最佳的圓弧位置以及最佳的托管架形態(tài)，最后根據(jù)此圓弧通過幾何方法計(jì)算出滾輪支撐坐標(biāo)。

在計(jì)算過程中，最后需要確定托管架與管道圓弧的相對(duì)位置，而只要托管架段之間的鉸接點(diǎn)與圓弧的距離確定了，托管架與管道圓弧的相對(duì)位置也就確定了。于是在下面的計(jì)算過程中，托管架段之間的鉸接點(diǎn)，包括托管架與船之間的鉸接點(diǎn)與圓弧的距離是最核心的求解對(duì)象。

在這里需要定義兩個(gè)主要的子程序，命名為CalculateHitchRangeFromBarge和Calculate StingerInitialORange。第一個(gè)子程序CalculateHitch RangeFromBarge的功能為：依次根據(jù)船上每個(gè)支撐滾輪的高度范圍計(jì)算出一組允許的管道圓弧水平切點(diǎn)的位置范圍，將所有的位置范圍疊加后得到最終切點(diǎn)位置范圍，進(jìn)而計(jì)算出托管架與船的鉸接點(diǎn)與管道的允許距離范圍，為下一步計(jì)算做準(zhǔn)備。其具體計(jì)算流程見圖7。

第二個(gè)子程序CalculateStingerInitialORange的功能為：根據(jù)每個(gè)托管架上的滾輪高度范圍，計(jì)算出每段托管架的兩端鉸接點(diǎn)與管道圓弧的允許距離范圍，為最終選擇最優(yōu)化參數(shù)做準(zhǔn)備。具體計(jì)算流程是：首先根據(jù)托管架與船的鉸接點(diǎn)與管道的距離范圍計(jì)算出第一段托管架左端鉸接點(diǎn)與管道的距離范圍，這個(gè)鉸接點(diǎn)實(shí)際上就是第二段托管架的右端鉸接點(diǎn)；然后按照相同的方法順次計(jì)算出所有托管架段的左端鉸接點(diǎn)的距離范圍。對(duì)于一段托管架來說，根據(jù)右端鉸接點(diǎn)與管道的距離范圍計(jì)算左端的范圍與從左端計(jì)算右端得到的結(jié)果并不相同，因此在計(jì)算完所有鉸接點(diǎn)與管道的距離范圍后，還需要按照相反的程序，從左端向右端再計(jì)算一遍，這次計(jì)算的結(jié)果與第一次計(jì)算的結(jié)果疊加即可得到每個(gè)鉸接點(diǎn)與管道的真正允許距離范圍。該子程序的流程見圖8。

這兩個(gè)子程序都定義完成后，就可以通過引用這兩個(gè)子程序完成所有滾輪支撐坐標(biāo)的計(jì)算。經(jīng)過這兩個(gè)子程序的計(jì)算，就可以在其中選擇管道水平切點(diǎn)最偏右的位置作為最優(yōu)化的管道圓弧位置，因?yàn)檫@可以使托管架末端處的管道角度盡可能大，有利于改善管道的應(yīng)力分布情況。然后，可以依次為每個(gè)鉸接點(diǎn)選擇最偏下的位置作為最優(yōu)化位置，這樣可以使末端滾輪與管道的接觸點(diǎn)盡可能偏下，同樣有利于降低管道的應(yīng)力水平。最后，就可以根據(jù)幾何公式很容易地計(jì)算出所有滾輪支撐的坐標(biāo)，同時(shí)還能計(jì)算出托管架的形態(tài)，甚至包括決定托管架之間角度的連接桿的長度以及每個(gè)滾輪的高度。整個(gè)計(jì)算程序的流程見圖9。

經(jīng)過上述計(jì)算過程，就可以得到對(duì)應(yīng)于某個(gè)管道彎曲半徑的一組支撐滾輪坐標(biāo)，然后需要將這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)寫入OFFPIPE的輸入文件，供下一步使用。此處不存在需要說明的技術(shù)問題，不再贅述。

1.2 OFFPIPE外部控制技術(shù)

OFFPIPE只能用鍵盤進(jìn)行操作，為了使程序自動(dòng)完成OFFPIPE的運(yùn)行過程，必須開發(fā)出利用外部程序自動(dòng)控制OFFPIPE的方法。控制程序采用Delphi開發(fā)工具編寫并經(jīng)過測(cè)試，最大化、最小化、顯示窗口、關(guān)閉窗口等窗口操作可以采用postmessage函數(shù)實(shí)現(xiàn)，向OFFPIPE輸入鍵盤字符可以使用全局鍵盤函數(shù)keybd_event實(shí)現(xiàn)。打開OFFPIPE后，實(shí)現(xiàn)OFFPIPE運(yùn)行的主要命令行和說明如下：

上述程序?yàn)榇蜷_OFFPIPE之后的初始化程序，功能是尋找到OFFPIPE窗口并將其還原。接下來就需要按照上一節(jié)的方法計(jì)算出可用的滾輪坐標(biāo)，并按照下面的程序用OFFPIPE計(jì)算。當(dāng)然，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的范圍，需要計(jì)算多個(gè)管道彎曲半徑對(duì)應(yīng)的結(jié)果，于是下面的程序也將重復(fù)運(yùn)行若干次。

1.3 OFFPIPE輸出文件過濾技術(shù)

OFFIPIPE的輸出文件格式比較復(fù)雜，包括了輸入數(shù)據(jù)反饋以及分頁表頭等內(nèi)容，導(dǎo)致輸出文件無法被常用的數(shù)據(jù)處理軟件讀取制圖。而OFFPIPE生成的圖表也無法保存，只能在屏幕上觀看。這就要求必須開發(fā)過濾掉輸出文件中的干擾數(shù)據(jù)的技術(shù)。

過濾輸出文件主要由兩個(gè)步驟組成。第一步，OFFPIPE中字符數(shù)大于130的行只有計(jì)算結(jié)果及其相關(guān)的表頭，于是只需要檢查每一行的字符數(shù)，如果不足130就予以刪除，就能過濾掉除計(jì)算結(jié)果和表頭之外的數(shù)據(jù)了。第二步是過濾掉表頭，表頭行中開始的幾個(gè)字符只可能是 “====”、“NODE”、 “NO.”以及 “ ”中的一種，于是只要把起始字符為這些的行刪除掉就可以過濾掉表頭了。完成這兩個(gè)步驟以后，就可以讀取數(shù)據(jù)了，OFFPIPE輸出數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是每個(gè)數(shù)據(jù)都帶有小數(shù)點(diǎn)，因此在某一行中，就可以通過程序查找小數(shù)點(diǎn)，然后向前向后擴(kuò)展至發(fā)現(xiàn)空格，就可以讀取該數(shù)據(jù)了，順次循環(huán)進(jìn)行就可以讀取該行中所有的數(shù)據(jù)。過濾OFFPIPE輸出文件主要流程如圖10所示。

1.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算流程

根據(jù)上面幾節(jié)提供的方法，就可以得到整個(gè)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程，見圖11。

首先用坐標(biāo)計(jì)算技術(shù)建立作業(yè)線模型，由用戶確定需要計(jì)算的管道彎曲半徑范圍和間隔步長，然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)于第一個(gè)管道彎曲半徑的一組可用坐標(biāo)，并寫入自動(dòng)生成的OFFPIPE輸入文件中。第二步，用程序控制OFFPIPE自動(dòng)完成運(yùn)算。最后用OFFPIPE輸出文件過濾技術(shù)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，選擇出管道應(yīng)力應(yīng)變的最大值。以上步驟循環(huán)進(jìn)行，直到計(jì)算完所有的管道彎曲半徑為止，最終在這些計(jì)算結(jié)果中挑選出最優(yōu)者即可。

2 結(jié)論

本文介紹了一套利用計(jì)算程序?qū)鹘y(tǒng)的用于海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)的OFFPIPE軟件進(jìn)行優(yōu)化的方法。該方法包括生成作業(yè)線精細(xì)模型，自動(dòng)計(jì)算可用滾輪坐標(biāo)，外部程序控制OFFPIPE自動(dòng)完成計(jì)算，過濾OFFPIPE輸出文件并進(jìn)行分析，自動(dòng)選擇最優(yōu)化作業(yè)線配置等技術(shù)。這套方法立足于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，可以大大減輕海底管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，并能有效改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]郭艷林，梁政.海底管道鋪設(shè)施工設(shè)計(jì)分析[J].石油學(xué)報(bào)，1999，20（4）：83-87.

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BAI Ning（School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）,ZHAO Dong-yan

Computer Aided Optimization Technology Based on OFFPIPE for Offshore Pipeline S-Lay Design

Software OFFPIPE is a powerful FEM based computer program which has been widely used in offshore pipelaying design.However,several disadvantages still exist in this software,for example,stinger modeling is not precise enough,output files are difficult to read by data-processing software and manual operations are tedious and numerous.This paper develops the design optimization software with software Delphi to provide aid to OFFPIPE,which possesses some new functions,such as precise stinger modeling,OFFPIPE automatically controled by external software and automatic OFFPIPE output file reading.Thus,the whole design procedure can be automatically completed with the aid of this software.By the method described in this paper,the application convenience and efficiency of OFFPIPE increase greatly,which has a significant value in offshore pipelaying design area.

offshore pipelaying;software OFFPIPE;software Delphi;design optimization

TE973.1

A

1001－2206（2011）03－0014－07

白 寧 （1980-），男，河北滄州人，工程師，2008年獲天津大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為海洋石油工程股份有限公司在站博士后，主要從事海底管道鋪設(shè)過程中管道力學(xué)行為分析研究工作。

2010-07-26