余志兵, 馮現(xiàn)洪, 高 嵩, 趙 黨, 王文亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

深水海管在線結(jié)構(gòu)物的安裝分析

余志兵, 馮現(xiàn)洪, 高 嵩, 趙 黨, 王文亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

該文主要對(duì)深水海管在線結(jié)構(gòu)物的安裝分析方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。深水海管的安裝分析通?？紤]如下設(shè)計(jì)工況：海管的起始鋪設(shè)、棄管與回收、S型鋪設(shè)。為了建立鋪管分析計(jì)算模型，提出分析前提假設(shè)和實(shí)施路線，結(jié)合路由水深、浪向角等敏感性參數(shù)，通過(guò)使用專業(yè)有限元分析軟件Offpipe對(duì)一工程實(shí)例進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，結(jié)果經(jīng)過(guò)校核后滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

海管；安裝分析；在線結(jié)構(gòu)物

0 前言

隨著深水技術(shù)的迅猛發(fā)展,水下生產(chǎn)系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用到深水和超深水領(lǐng)域,并成為深水開發(fā)的主要模式。深水管道在線結(jié)構(gòu)物主要分為海底管道終端(PLET)和在線管匯(ILM)，作為深海水下生產(chǎn)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)(如圖1、圖2所示)。

圖1 管道終端(PLET)結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 在線管匯(ILM)結(jié)構(gòu)示意圖

通常, PLET或ILM與海管通過(guò)焊接形式完成對(duì)接，然后隨著海管一起鋪設(shè)至海底。由于在結(jié)構(gòu)形式上與海管有著很大不同，作為海管正常鋪設(shè)過(guò)程的附屬結(jié)構(gòu)物，有必要對(duì)其鋪設(shè)分析做深入研究。

1 安裝分析方法

1.1 計(jì)算模型

圖3 鋪管船/托管架的典型圖

海底管道的鋪設(shè)分析通常需要將有限元計(jì)算模型中的管線與鋪管船進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如鋪管船上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)輸入一般定義為作業(yè)線第一站中心位置至船尾最后一滾輪，然后沿至托管架尾部最后一滾輪。對(duì)于多節(jié)托管架組合使用時(shí)，設(shè)計(jì)分析初期，建議使用“曲率半徑法”進(jìn)行管線鋪設(shè)模擬分析。“曲率半徑法”是一種確定管線邊界條件較為簡(jiǎn)單的處理方法，可以直接通過(guò)輸入鋪管船上滾輪水平坐標(biāo)和船尾弧度，用以形成的光滑曲線輪廓來(lái)模擬管線的鋪設(shè)狀態(tài)(如圖3所示)。

1.2 前提假設(shè)

計(jì)算模型搭建完成后，在計(jì)算分析運(yùn)行前，為工程上優(yōu)化計(jì)算需要，還必須對(duì)計(jì)算模型提出一些前提假設(shè)條件：

(1) 鋪設(shè)船甲板上所有的滾輪支撐形式均為簡(jiǎn)支約束，即僅約束垂直作用面的向下位移；

(2) 管線或纜繩能從支撐點(diǎn)位置左右自由偏移；

(3) 與施加在管道上的張力相比，滾輪與管道之間的摩擦力非常小，因此，計(jì)算分析時(shí)可以忽略;

(4) 鋼制管線屬性定義為為線彈性，彈性模量恒定;

(5) 模型中的管線或纜繩將被劃分成一定數(shù)量的有限單元，海床模擬成離散的彈性基礎(chǔ)單元;

(6) 在線管匯ILM(或PLET)的重力、剛度及長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)作實(shí)際等效處理。

1.3 模型載荷

計(jì)算模型需要考慮的載荷類型包括功能荷載和環(huán)境荷載，管線所承受的主要荷載有：均勻分布的管道自身重(含涂層重量)；恒定不變的船舶張力；外部靜水壓；浮力；RAO 船舶運(yùn)動(dòng)；PLET的重量；海床土壤的靜摩擦力；波流水動(dòng)力作用。

1.4 船舶RAO

圖4 船舶六自由度運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系統(tǒng)

RAO(幅值響應(yīng)算子，Response Amplitude Operator)被用來(lái)計(jì)算船舶在海中工作時(shí)的行為，船體RAO一般可以通過(guò)船舶的水池模型實(shí)驗(yàn)或SESAM軟件模擬獲得。船舶具有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，包括橫蕩、縱蕩、艏搖、橫搖、縱搖，垂蕩(如圖4所示)。波浪與船艏的夾角范圍為0°到180°。波浪方向定義為沿x軸正方向?yàn)槲搽S浪(0°)，沿Y軸正方向?yàn)闄M浪(90°)，沿x軸負(fù)方向?yàn)橛?180°)。RAO預(yù)報(bào)的浪向角包括0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°。

1.5 計(jì)算分析工況

對(duì)于深水海底管道的鋪設(shè)分析，不僅要讓靜態(tài)分析結(jié)果滿足規(guī)范條件，還應(yīng)開展船舶與管道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析，這樣才能給施工作業(yè)者提供可接受的天氣窗口。另外，RAO預(yù)報(bào)的浪向角和路由水深也應(yīng)作為管道安裝分析重要的敏感性因素，計(jì)算中應(yīng)分別予以考慮。

在線管匯(ILM)和管道終端(PLET)作為海底管道的附屬結(jié)構(gòu)物，因其結(jié)構(gòu)屬性與管道結(jié)構(gòu)的差異會(huì)使計(jì)算模型的處理變得較為繁瑣。為了簡(jiǎn)化計(jì)算流程，通常可以選取在線管匯ILM(或PLET)所在S型鋪設(shè)曲線中幾個(gè)重要位置進(jìn)行模擬計(jì)算，詳細(xì)的計(jì)算分析工況見表1。

表1 計(jì)算分析工況

2 Offpipe模擬分析

2.1 曲率半徑法簡(jiǎn)介

“曲率半徑法”是一種通過(guò)給定的托管架和船舶滾輪，滿足設(shè)計(jì)鋪設(shè)半徑的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于多節(jié)托管架組合使用的管道鋪設(shè)情況，“曲率半徑法”能有效地確定最優(yōu)的鋪設(shè)半徑，通過(guò)此半徑值能夠輕易導(dǎo)出船舶滾輪的高度、托管架調(diào)整角度及滾輪的高度，這種做法多用于工程項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)階段。

2.2 在線結(jié)構(gòu)物的屬性定義

一般在線結(jié)構(gòu)物均由鋼結(jié)構(gòu)附加一些小型設(shè)備組成，整體重量較輕，剛度變化不大。因此，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)需要，可以僅考慮在線結(jié)構(gòu)物的重力、剛度和長(zhǎng)度等屬性的輸入。Offpipe軟件的Pipe單元可以用來(lái)定義在線結(jié)構(gòu)物，長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際確定，通過(guò)設(shè)置INTE系數(shù)表述其剛度的不同。

在線結(jié)構(gòu)物的重力(干重或浮重)可以模擬成作用在管道單元節(jié)點(diǎn)上垂直向下的集中力；節(jié)點(diǎn)數(shù)可選擇2～3個(gè)。

2.3 海管在線結(jié)構(gòu)物的鋪設(shè)模擬

深水海管在線結(jié)構(gòu)物的鋪設(shè)分析通?？紤]如下設(shè)計(jì)工況：海管帶PLET起始鋪設(shè)及終止鋪設(shè)、在線結(jié)構(gòu)物的S型鋪設(shè)。Offpipe軟件定義了兩種單元類型：pipe和cable，就上述分析工況而言，所建立的計(jì)算模型應(yīng)至少需要定義3種單元。

(1) 海管帶PLET起始鋪設(shè)

該分析工況下的計(jì)算模型，應(yīng)有三種單元：起始纜繩，PLET，海管。Offpipe定義的關(guān)鍵詞參數(shù)可參見下例：

*PIPE ROW=1, LENG=47.45,….. INTE=1.00

*PIPE ROW=2, LENG=8.91, ....INTE=1.25

*CABL ROW=3, LENG=1500, DIAM=5.08

其中：ROW 1定義為海底管道；ROW 2定義為PLET；ROW 3定義為起始鋪設(shè)纜索。PLET的下放鋪設(shè)模擬可根據(jù)表1對(duì)應(yīng)的多個(gè)位置工況，通過(guò)設(shè)置各單元的LENG值逐一實(shí)現(xiàn)。其中PLET的剛度定義為海管剛度的倍數(shù)。

(2)海管在線管匯(ILM)的S型鋪設(shè)

此類分析工況下的計(jì)算模型應(yīng)定義三種pipe單元，即ILM、ILM連接前的海管、ILM連接后的海管。具體Offpipe定義的關(guān)鍵詞參數(shù)可如下例所示：

*PIPE ROW=1, LENG=630.17, ....,, INTE=1.0

*PIPE ROW=2, LENG=12.0, ….., INTE=1.25

*PIPE ROW=3, LENG=300, ,,,,,INTE=1.0

其中： ROW 3定義為ILM連接前的海管；ROW 2定義為ILM；ROW 1定義為ILM之后的 PIPE。ILM的下放鋪設(shè)模擬可根據(jù)表1對(duì)應(yīng)的多個(gè)位置工況，通過(guò)設(shè)置各單元的LENG值逐一實(shí)現(xiàn)。

(3) 海管帶PLET的終止鋪設(shè)

終止鋪設(shè)分析等同于起始鋪設(shè)，不同之處在于單元的定義順序應(yīng)予以顛倒，如下例所示：

*CABL ROW=1, LENG=47, DIAM=5.08

*PIPE ROW=2, LENG=8.91, ….,INTE=1.25

*PIPE ROW=3, LENG=1000, …, INTE=1.0

其中：ROW 1定義為終止鋪設(shè)纜索；ROW 2定義為PLET；ROW 3定義為海管。

3 校核準(zhǔn)則

依據(jù)DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems規(guī)范，海底管道鋪設(shè)準(zhǔn)則分為簡(jiǎn)化鋪設(shè)準(zhǔn)則和載荷組合控制準(zhǔn)則。其中簡(jiǎn)化準(zhǔn)則僅可作為前期設(shè)計(jì)階段下的一種管道局部屈曲初步校核方法，目前無(wú)法取替DNV-F101所規(guī)定任何一類失效模式校核準(zhǔn)則。而載荷組合控制準(zhǔn)則，則可運(yùn)用在管道所有破壞模式的校核任務(wù)中。

3.1 許用應(yīng)變法和應(yīng)力法

(1)上彎段(Overbend)

對(duì)于靜態(tài)荷載，計(jì)算獲得的應(yīng)變應(yīng)滿足表2的準(zhǔn)則I對(duì)應(yīng)要求，應(yīng)變包括彎曲，軸力和局部Roller載荷的影響，不包括剛度變化(如節(jié)點(diǎn)或止屈器的應(yīng)變集中)產(chǎn)生的影響。對(duì)動(dòng)態(tài)荷載，計(jì)算應(yīng)變應(yīng)滿足表2的準(zhǔn)則II對(duì)應(yīng)要求，應(yīng)變包括所有可能出現(xiàn)的影響，如因節(jié)點(diǎn)或止屈器引起的剛度變化。

表2 簡(jiǎn)化準(zhǔn)則(Overbend)

(2)下彎段(Sagbend)

對(duì)于靜態(tài)載荷工況，在Sagbend和Stinger末端，等效應(yīng)力應(yīng)該滿足許用應(yīng)力法(ASD)準(zhǔn)則規(guī)定的許用應(yīng)力，利用系數(shù)取0.72。對(duì)于動(dòng)態(tài)荷載工況，此利用系數(shù)可取為0.87。

綜上所述，簡(jiǎn)化鋪設(shè)準(zhǔn)則不僅考慮了安裝期下的靜、動(dòng)態(tài)載荷影響，還對(duì)管段的位置進(jìn)行了區(qū)分(見表3)。

表3 許用應(yīng)變和應(yīng)力準(zhǔn)則

3.2 載荷組合控制法

DNV-OS-F101 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)(ULS)、疲勞極限狀態(tài)(FLS)、偶然極限狀態(tài)(ALS)。對(duì)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，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。

受彎矩，有效軸力和內(nèi)部超壓力的管道在所有橫截面上都要按以下要求設(shè)計(jì)來(lái)滿足:

當(dāng)D/t≤45，pi≥pe時(shí)：

(1)

當(dāng)D/t≤45，pi

(2)

4 工程算例

4.1 算例

以南海某深水油田的一條6英寸單層管線為工程算例。該管線由鋼制內(nèi)管及外防腐涂層組成。管線中間設(shè)置一水下管匯，內(nèi)管的公稱外徑為168.3 mm，，彈性摸量為2.07×105，泊松比為0.3，各層相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 單層管線結(jié)構(gòu)參數(shù)

路由設(shè)計(jì)最大水深200 m，最小水深195 m。設(shè)計(jì)一年一遇的底部流速為27 cm/s，有義波高為2.5 m，峰值周期6 s～9 s。

4.2 船舶設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目的海底管線安裝船舶為某大型深水動(dòng)力定位船，其主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 鋪管船主要技術(shù)參數(shù)

采用基于三維繞輻射勢(shì)流理論的SEASAM程序，對(duì)鋪管船舶RAO進(jìn)行了預(yù)報(bào)，其RAO的序列頻率數(shù)據(jù)可以從程序結(jié)果文件提取得到。對(duì)于Offpipe數(shù)據(jù)錄入窗口，RAO的導(dǎo)入則需要定義系列頻率數(shù)據(jù)(不同船舶，數(shù)據(jù)不同)、波譜理論及浪向角等重要船舶及該海域環(huán)境信息。

4.3 分析工況

工程算例中僅列出路由最大水深下，在線管匯(ILM)的S型鋪設(shè)這一安裝工況的計(jì)算分析。該分析考慮了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下的計(jì)算，針對(duì)ILM所處的不同位置，計(jì)算程序還對(duì)分析步驟進(jìn)行了細(xì)劃。

動(dòng)態(tài)載荷分析選擇了JONSWAP波譜理論，對(duì)應(yīng)輸入有義波高及峰值周期。出于計(jì)算的嚴(yán)謹(jǐn)性，動(dòng)態(tài)分析過(guò)程應(yīng)執(zhí)行不同浪向角下的RAO運(yùn)動(dòng)敏感性分析，RAO預(yù)報(bào)的浪向角包括0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，因此選取上述角度進(jìn)行各自的動(dòng)態(tài)計(jì)算。

4.4 計(jì)算校核結(jié)果

通過(guò)對(duì)Offpipe輸入數(shù)據(jù)的多次微調(diào)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到海管在線管匯的最優(yōu)鋪設(shè)曲率半徑為120 m。許用應(yīng)力和應(yīng)變法的校核結(jié)果見表6，載荷組合控制法的校核結(jié)果見表7。從兩種校核方法的對(duì)應(yīng)結(jié)果表明，所選擇的船舶張力和曲率半徑能夠滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表6 許用應(yīng)力和應(yīng)變法校核結(jié)果

表7 載荷組合控制法校核結(jié)果

5 結(jié)論

該文介紹了海底管道鋪設(shè)分析方法的設(shè)計(jì)原則，建立了管道在線結(jié)構(gòu)物的安裝分析模型，提出了計(jì)算分析的前提基本假設(shè)。利用Offpipe軟件的數(shù)據(jù)輸入命令，對(duì)海管在線結(jié)構(gòu)物的起始鋪設(shè)、正常S型鋪設(shè)及終止鋪設(shè)等工況下的安裝分析流程作了一般性說(shuō)明。另外，還對(duì)海底管道的校核準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)闡述。最后，通過(guò)一工程項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行了安裝分析模擬計(jì)算，結(jié)果數(shù)據(jù)表明，計(jì)算模型及船舶參數(shù)的選取均滿足規(guī)范要求。同時(shí)，通過(guò)本算例的研究分析，提出如下結(jié)論及建議：

(1)“曲率半徑法”僅適用于項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段，施工設(shè)計(jì)方還需要根據(jù)半徑值，對(duì)每節(jié)托管架的角度、滾輪高度進(jìn)行調(diào)整。

(2)為了獲得更為精確的結(jié)果，可以嘗試對(duì)在線結(jié)構(gòu)物所在多個(gè)不同位置進(jìn)行分析。

(3)Offpipe在有限元單元的數(shù)量劃分方面存在一定的限制，且對(duì)在線結(jié)構(gòu)物的屬性定義僅考慮了軸向剛度的變化，未考慮扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度的影響，因此為了研究在線結(jié)構(gòu)物在鋪設(shè)過(guò)程中的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建議采用通用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

In-line Structure Installation Analysisof Deepwater Subsea Pipeline

YU Zhi-bing，F(xiàn)ENG Xian-hong，GAO Song，ZHAO Dang，WANG Wen-liang

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd. ，Tianjin 300452，China)

The paper presented a solution of the installation analysis of in-line structure during deepwater submarine pipeline laying. By the software Offpipe, computation models under these design cases: pipeline initiation, abandonment and recover, s-lay were developed, assumptions and design methods were proposed, based on the critical sensitive parameters, water depth and wave direction (RAOs). In the end of this research, the results of static and dynamic analysis were validated by the laying calculation of an offshore pipeline from CNOOC.

submarine pipeline; installation analysis; in-line structure

2013-08-22

余志兵(1979-)，男，工程師。

1001-4500(2014)03-0021-06

P756

A