王晶，楊啟，陳新權(quán)，丁金鴻

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

海底管道J形鋪設(shè)張緊器的張緊力計(jì)算分析

王晶，楊啟，陳新權(quán)，丁金鴻

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

對(duì)海底管道建立微段和整體的力學(xué)模型，通過(guò)MATLAB編程求解頂部張緊器應(yīng)提供給管道的張緊力。對(duì)比編程計(jì)算和Abaquas數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證編程求解代替軟件模擬計(jì)算的可行性和便捷性。探討海域水深、管道入水角度、管重對(duì)張緊力的影響，結(jié)果表明，增加鋪設(shè)水深和單位長(zhǎng)度管重，所需張緊力增加;而增加鋪設(shè)角度，所需張緊力相應(yīng)減小。

海洋油氣;海底管道;J形鋪管;海水深度;鋪設(shè)角度;單位管重

隨著陸地油氣資源日益枯竭，海洋油氣工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為了地球油氣開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)。海上油氣田開(kāi)采出的油氣大多是通過(guò)管道輸送至水面或直接輸至陸地，深水油氣開(kāi)發(fā)大量采用水下作業(yè)系統(tǒng)，海洋管道鋪設(shè)作業(yè)越來(lái)越多，重要性日益突出。

海底管道鋪設(shè)常用的方法有“S”形、“J形”和卷筒式。S形和J形因其鋪設(shè)過(guò)程中管道的形狀而得名。S形鋪管方式中管道沿著托管架離開(kāi)鋪管船，上段呈現(xiàn)出上凸的形狀，在中間轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后呈現(xiàn)出下凸的形狀，整個(gè)管道受力較為復(fù)雜，鋪設(shè)完成后管道內(nèi)部有較危險(xiǎn)的殘余應(yīng)力。J形鋪管方式中管道從鋪設(shè)塔以幾近垂直的角度離開(kāi)船體進(jìn)入海洋，整根管道在海洋中呈現(xiàn)出J形［1］。卷筒式鋪管，也稱Reel鋪管方式，這種鋪管方式是柔性管鋪設(shè)方法的拓展，工程中首先將管線在陸地上完成管線接長(zhǎng)并纏繞在卷筒上，然后在海上展開(kāi)鋪入海底，這種方式由于管線發(fā)生塑性變形而有較大損傷［2］。在現(xiàn)在鋪管工程中S形主要用于淺水，而J形則主要用于深水和超深水的海底管道鋪設(shè)。隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)向深海邁進(jìn)，J形鋪管的應(yīng)用越來(lái)越普遍。J形鋪管方式見(jiàn)圖1。

圖1 J形鋪管方式示意

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于J形鋪設(shè)過(guò)程中管道形態(tài)控制及力學(xué)模型的研究［3-7］重點(diǎn)均集中于管道，對(duì)于保證管道正常鋪設(shè)所需頂端張緊力的計(jì)算研究很少。

在實(shí)際工程中，確定鋪管船在工作海域內(nèi)作業(yè)時(shí)所需的頂部張力，是設(shè)計(jì)鋪管船張緊器的一個(gè)重要前提。為此，構(gòu)建一種管線鋪設(shè)張緊力的計(jì)算方法，該方法將管道簡(jiǎn)化成一根懸鏈線，推導(dǎo)張緊力的計(jì)算模型，編程實(shí)現(xiàn)模型的求解。

1 J型鋪管方式管道力學(xué)模型的建立

在管道分析過(guò)程中，做如下假設(shè)。

1)在管道靜態(tài)分析中，假設(shè)船靜止不動(dòng)，即船的運(yùn)動(dòng)對(duì)管道的影響在文中不予考慮。船對(duì)管道的作用即為張緊器對(duì)管線的作用力。

2)管道鋪設(shè)過(guò)程被認(rèn)為是一個(gè)平面過(guò)程。

3)洋流速度在管道鋪設(shè)平面內(nèi)，沿水平方向。

4)對(duì)于懸掛段而言，由于水深和船吃水相比足夠大，因此假設(shè)管道是柔性的，即不承受彎矩。

1．1 微段力學(xué)模型

管道從觸底點(diǎn)分為兩段:一段放置在海床上;另一段懸置于海水中，稱為懸掛段。以懸掛段為研究對(duì)象，懸掛段上一長(zhǎng)度為dl的微分管單元受到重力、浮力、外部水動(dòng)力載荷和兩端管道內(nèi)部張力。其受力情況見(jiàn)圖2。

圖2 微分管單元的受力情況

ω為單位長(zhǎng)度管道的重力和浮力的合力:

式中:Fn，F(xiàn)t——徑向和切向的水動(dòng)力載荷，采用半經(jīng)驗(yàn)的Morison公式得到，即

式中:ρW、ρP——海水密度和管道密度;

Cn、Ct——徑向和切向的水動(dòng)力系數(shù)，Cn取決于雷諾數(shù)、管道粗糙度等眾多因素;

D1、D2——管道的外徑和內(nèi)徑;

v——微管處的洋流速度;

θ——管道與水平方向夾角;

g——重力加速度。

對(duì)于該微管道，水平方向和豎直方向受到的力處于平衡狀態(tài)，彎矩也處于平衡狀態(tài)。因此有

由假設(shè)4)可以有dM=0，式(6)可以簡(jiǎn)化為

忽略管道的軸向變形和剪切變形，將微管道簡(jiǎn)化成直管道，得到如下幾何關(guān)系。

1．2 整體力學(xué)模型

對(duì)于整根懸掛段，將船上張緊器對(duì)管道的作用簡(jiǎn)化成一個(gè)張緊力FT、一個(gè)剪切力FQ、一個(gè)彎矩M。管道是柔性的，因此

FQ=0，M=0(10)

對(duì)整根管道，建立如圖3所示的坐標(biāo)軸，將管道離散為沒(méi)有曲率的細(xì)小單元m段，使得每一段在y方向有相同的長(zhǎng)度dy。則有

式中:h——海水深度。

圖3 整根懸掛段的離散情況

單元節(jié)點(diǎn)從與海平面接觸點(diǎn)到觸底點(diǎn)依次編號(hào)1～(m+1)。任意一小段i(i+1)(i=1，2， ，m)，擁有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為i和(i+1)，節(jié)點(diǎn)i處受到上部管子的水平張力和豎直張力分別為FVi和FHi，節(jié)點(diǎn)(i+1)處受到下部管子的水平張力和豎直張力分別為FV(i+1)和FH(i+1)。該細(xì)小單元滿足微段力學(xué)方程(1)～(9)，式中:dFV= FV(i+1)－FVi，dFH=FH(i+1)－FHi。

2 管道力學(xué)模型求解

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)滿足張力在豎直方向上的分力始終向上，即FVi≥0。使得所有點(diǎn)的FV都大于0的最小頂部張力，即為所需的張緊力。根據(jù)這一思路編程求解得到所需最小張緊力，具體的編程流程見(jiàn)圖4。該編程過(guò)程可以循序推導(dǎo)得到懸掛段各點(diǎn)的相對(duì)位置參數(shù)，從而確定管線的形狀。

圖4 懸掛管道分析流程

3 結(jié)果對(duì)比分析

工程中確定頂部張緊力大多是通過(guò)專業(yè)的管道計(jì)算軟件(如OFFPIPE、OrcaFlex、ABAQUS等)建模計(jì)算，將文中求解方法的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［7］中給出的ABAQUAS軟件數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

管道和環(huán)境參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 管道和環(huán)境參數(shù)

將水深固定在3 000 m，取入水角度為70°、75°、80°、85°，計(jì)算的張緊力結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

將入水角度固定在80°，取水深為1 500、2 000、2 500、3 000 m，計(jì)算的張緊力結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

以上對(duì)比顯示，編程計(jì)算結(jié)果和ABAQUS建模計(jì)算結(jié)果極為接近，其差異在2‰以內(nèi)?？梢?jiàn)通過(guò)管道模型求解頂部張緊力這種方法具有一定的準(zhǔn)確性。

表2 水深3 000 m時(shí)不同鋪設(shè)角度下的張緊力

表3 鋪設(shè)角度為80°時(shí)，各種不同海水深度下的張緊力

傳統(tǒng)的利用軟件測(cè)算需要技術(shù)人員對(duì)于這些數(shù)值計(jì)算軟件的使用具有一定的基礎(chǔ)，并且因?yàn)槟Ｐ偷耐暾?，需要?duì)各種參數(shù)(如海床剛度等)都有較為準(zhǔn)確的了解，要求比較高。而文中給出的利用管道模型求解的方法比較簡(jiǎn)單快捷，對(duì)相關(guān)計(jì)算人員要求相對(duì)較低，計(jì)算結(jié)果也比較準(zhǔn)確，因此可以代替軟件在工程上得到應(yīng)用。

4 影響張緊力的關(guān)鍵參數(shù)分析

在J形鋪管船鋪管過(guò)程中因環(huán)境因素不同、選取的設(shè)備參數(shù)不同和需鋪設(shè)管道的大小差異，所需張緊器的張緊力都會(huì)有所差異，從上述計(jì)算張緊力的過(guò)程可以知道影響張緊力的因素有:鋪管海域水深、管道鋪設(shè)角度、單位長(zhǎng)度管重(凈重)和洋流速度等。由于海洋中洋流速度較小，洋流速度對(duì)張緊力的影響不明顯，因此不作為影響張緊力的關(guān)鍵因素考慮。

4．1 鋪管海域水深

海水深度和鋪設(shè)時(shí)所需的管道總長(zhǎng)度是對(duì)應(yīng)的，海水越深，鋪設(shè)時(shí)管道越長(zhǎng)，管道自重也就越大。管道和環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表4，選取鋪設(shè)角度為60°、70°、80°、90°，對(duì)于每個(gè)角度，分析不同的鋪管海域深度(200、400、600、 、3 000 m)下所需張緊力，見(jiàn)圖5。

結(jié)果分析如下。

1)在相同的鋪設(shè)角度下，所需的張緊力隨海洋深度的增加而增加，張緊力的增加幅度與水深的增加幅度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系;

表4 管道和環(huán)境參數(shù)

圖5 固定鋪設(shè)角度，各種海水深度下的張緊力

2)大鋪設(shè)角度下，張緊力隨海水深度增加的幅度不及小鋪設(shè)角度下明顯。

4．2 鋪設(shè)角度

深水J形鋪設(shè)角度是影響整根管道各個(gè)點(diǎn)的角度分布的一個(gè)重要因素，對(duì)整根管道的受力狀況和臨界狀態(tài)的選擇有重大影響。管道和環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表4，選取鋪設(shè)海域深度為1 000、2 000、3 000 m，對(duì)于每個(gè)深度，選擇各種不同鋪管角度(60°、62°、64°、 、90°)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖6。

圖6 固定海水深度，各種鋪設(shè)角度下的張緊力

結(jié)果分析如下。

1)在相同的海洋深度下，隨著鋪設(shè)角度增加，所需張緊力逐漸減小。

2)隨著鋪設(shè)水深的增加，鋪設(shè)角度對(duì)所需張緊力的影響越來(lái)越明顯。

4．3 單位長(zhǎng)度的凈管重

管道的凈管重是海水密度、管道密度、管道內(nèi)外徑的函數(shù)，因此凈管重對(duì)張緊力的影響融合了多個(gè)因素對(duì)張緊力的影響。在固定的海水深度(1 000、2 000、3 000 m)和鋪設(shè)角度下(60°、70°、80°、90°)選取不同的管道外徑，即0.2 m、0.3 m、 、0.7 m，通過(guò)這種方法來(lái)改變單位長(zhǎng)度的管道凈重(其他管道和環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表4)，分析所需張緊力的變化，見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 固定入水角度時(shí)各海水深度下張緊力隨單位長(zhǎng)度管重的變化

分析結(jié)果表明:

在相同的海水深度和相同的鋪設(shè)角度下，所需的張緊力隨單位長(zhǎng)度管重的增加而增加，張緊力增加的幅度和單位管重增加的幅度呈現(xiàn)一種近似線性的關(guān)系。

在相同的鋪設(shè)角度下，海水深度越大，張緊力隨單位管重的增加幅度越大。

在相同的海水深度下，鋪設(shè)角度越大，張緊力隨單位管重的增加幅度越小。

5 結(jié)論

所構(gòu)建的海底管道J形鋪管方式頂部張緊器的張緊力計(jì)算方法簡(jiǎn)單快捷，具有很高的準(zhǔn)確性，且對(duì)操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求相對(duì)較低，可直接在工程上得到應(yīng)用。

隨鋪管水深和管道自重增加，頂部張緊力增加，并且這種增加近似呈現(xiàn)出線性關(guān)系，因此在同樣的鋪設(shè)角度下，由已知水深和管重下的張緊力可預(yù)估其他水深和管重下的張緊力，對(duì)鋪管工程中快速確定張緊器功率有一定的借鑒意義。并且隨管道入水角度增加，頂部張緊力減小，因此在張緊器能力不足時(shí)，可調(diào)整管道下放角度，對(duì)張緊力進(jìn)行微調(diào)，保證張緊器始終在安全范圍內(nèi)工作。

另外，文中是基于船靜止的假設(shè)對(duì)管道的靜態(tài)分析，而在實(shí)際施工過(guò)程中，鋪管船在海面上受到風(fēng)浪流的聯(lián)合作用會(huì)有一定的運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)(尤其是升沉和縱搖)會(huì)對(duì)張緊器的張緊力有一定的影響，后續(xù)工作應(yīng)圍繞這一點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

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Tension Analysis of the Tensioner for J-method Pipe-laying

WANG Jing，YANG Qi，CHEN Xin-quan，DING Jin-hong
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，School of Naval Architecture，Ocean＆Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The mechanical models of the segment and the whole submarine pipeline are established to calculate the tension at the top of tensioner by a Matlab software.Compare the numerical results with those obtained by simulations in Abaquas，showing that the simplified method is reasonable.The influence of sea depth，pipe-laying angle and pipe weight upon the tension is studied.As shown from the research results:the tension needed will become larger if the sea depth is larger or if unit pipe weight is heavier;if the laying angle is larger，the tension will be smaller.

offshore oil and gas;submarine pipeline;J-lay method;sea depth;pipe-laying angle;unit pipe weight

U178

A

1671-7953(2015)02-0120-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.031

2014-09-23

修回日期:2014-10-11

工信部高技術(shù)船舶科技計(jì)劃支助項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝［2012］539號(hào))

王晶(1989-)，女，碩士生

研究方向:J型鋪管船及海底管道分析

E-mail:jingwang_sjtu2008@163.com