韓端鋒 昝英飛 袁利毫 吳朝暉 黃福祥

(1. 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

S型鋪管力學(xué)計(jì)算方法發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)展望*

韓端鋒1昝英飛1袁利毫1吳朝暉2黃福祥2

(1. 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

韓端鋒，昝英飛，袁利毫，等.S型鋪管力學(xué)計(jì)算方法發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)展望[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(6)：99-107.

Han Duanfeng，Zan Yingfei，Yuan Lihao,et al.Development status and prospect of S-laying mechanical calculation method[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):99-107.

基于S型鋪管技術(shù)特點(diǎn)，介紹了國(guó)內(nèi)外管道靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算方法、管道觸地段與海床耦合分析以及管道與張緊器耦合分析發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比分析了各種計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)和使用局限性；在此基礎(chǔ)上，指出了未來尚待解決的問題和今后技術(shù)的研究方向，為保證S型鋪管作業(yè)安全和提高作業(yè)性能奠定了理論基礎(chǔ)。

S型鋪管；管道靜力學(xué)；管道動(dòng)力學(xué)；計(jì)算方法；耦合分析；發(fā)展現(xiàn)狀；技術(shù)展望

近年來，隨著世界能源需求量的持續(xù)增加，海洋油氣資源勘探開發(fā)飛速發(fā)展，開采區(qū)域從近海淺水逐漸延伸至遠(yuǎn)海深水，而海底管道是深水油氣田開發(fā)建設(shè)工程的重要組成部分，對(duì)海上油氣的開發(fā)、生產(chǎn)和產(chǎn)品外輸起著關(guān)鍵性的作用，被稱為海上油氣田的“生命線”[1- 2]。在海底管線鋪設(shè)安裝中，有多種不同的技術(shù)方法和裝備可以采用，S型鋪管法是代表方法之一。

1998年建造的“Solitaire號(hào)”S型鋪管船代表了新一代的鋪管技術(shù)，該船的載重量達(dá)22 000 t，采用動(dòng)力定位系統(tǒng)，已經(jīng)完成了大量的海底管道鋪設(shè)工程，保持著2 775 m的海底管道鋪設(shè)水深記錄，克服了S型鋪管在深水中鋪設(shè)的限制，集成創(chuàng)新了多項(xiàng)世界頂級(jí)裝備技術(shù)[3-8]。為推動(dòng)中國(guó)海洋石油開發(fā)從近海走向深海，我國(guó)“海洋石油201”號(hào)S型鋪管船于2012年4月交付使用，并于2013年5月完成了首個(gè)工程項(xiàng)目荔灣3-1氣田深水段的長(zhǎng)78.9 km、管徑152.4 mm的海底管道鋪設(shè)任務(wù)，最大鋪設(shè)作業(yè)水深達(dá)1 409 m，創(chuàng)造了中國(guó)海洋石油工程中的海管鋪設(shè)水深、鋪設(shè)速度、首次大角度高落差的L型彎鋪設(shè)以及首個(gè)深水在線三通安裝等一系列紀(jì)錄，極大地提升了國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)新能力，填補(bǔ)了中國(guó)在深水海洋工程建設(shè)特大型裝備項(xiàng)目上的空白[9-11]。

隨著深海油氣的開發(fā)以及S型鋪管作業(yè)的增多，S型鋪管的特性更加突出，其特點(diǎn)主要有[12-13]：具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既可用于淺水鋪管，也可用于深水鋪管；在水平方向采用單或雙接頭進(jìn)行焊接，鋪管效率較高，節(jié)約時(shí)間和鋪管成本，典型鋪設(shè)速度可以達(dá)到3.5 km/d；相比較其他方法，對(duì)海況的適應(yīng)能力及持續(xù)作業(yè)能力較強(qiáng)；管道在鋪設(shè)過程中張力極大，必須尋找合適的方法處理極大的張力；作業(yè)水深越深，托管架越長(zhǎng)，越難以保證船舶的穩(wěn)定性；作業(yè)水深越深，鋪管所需張力越大，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)越高。

國(guó)內(nèi)有許多研究團(tuán)隊(duì)對(duì)S型鋪管計(jì)算問題進(jìn)行了相關(guān)研究。李志剛 等[13]系統(tǒng)地總結(jié)了包括S型鋪管技術(shù)在內(nèi)的深水鋪管技術(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)使用的主要鋪管技術(shù)和鋪管船進(jìn)行了綜述；孫麗萍 等[14-15]對(duì)管道-托管架-船體間進(jìn)行了全耦合的計(jì)算分析；岳前進(jìn) 等[16]基于國(guó)家“863”計(jì)劃與“973”計(jì)劃課題對(duì)超深水S型海底管道鋪設(shè)中上彎段關(guān)鍵力學(xué)問題進(jìn)行了研究；王立忠 等[17]對(duì)管道與海床間的相互作用進(jìn)行了研究。

國(guó)外開發(fā)了很多S型管道的計(jì)算軟件。Malahy[18]基于有限元法開發(fā)了Offpipe管道計(jì)算軟件，具有較高的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，得到了全球眾多海洋工程公司的認(rèn)可；Orcina公司開發(fā)了Orcaflex[19]海洋動(dòng)力學(xué)軟件，可以計(jì)算管道的動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)問題，并且可以處理全三維、非線性問題以及進(jìn)行時(shí)域分析；Jensen[20]基于Reflex軟件利用有限元法對(duì)管道進(jìn)行了分析；ABAQUS軟件也可對(duì)S型管道進(jìn)行計(jì)算分析[21]；DNV船級(jí)社[22]基于船級(jí)社規(guī)范開發(fā)了相應(yīng)的S型/J型管道計(jì)算軟件。然而，在國(guó)內(nèi)尚未有成型的商業(yè)管道計(jì)算軟件。

S型管道在鋪設(shè)中的變形實(shí)際上是大撓度、非線性的彈性形變，屬于幾何非線性的范疇，其求解中常用的方法主要有懸鏈線法、有限差分法、非線性有限元法等，這些方法在求解精度、求解時(shí)間及實(shí)用范圍上存在各自的局限性。特別是在實(shí)際計(jì)算中，由于管道的著地點(diǎn)的水平力及海床的支反力未知，管道的懸跨段長(zhǎng)度及水平投影長(zhǎng)度未知，故而增加了管道求解的難度，因此多年來人們大都在關(guān)注管道的數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法。

1 S型管道受力分析

如圖1所示，根據(jù)受力特點(diǎn)的不同，整條S型管道可以劃分為4個(gè)部分：第1部分是從鋪管船上的張緊器開始向下延伸到管道脫離托管架支撐為止，稱為上彎段，包含水面以上的部分和水面以下的部分，上彎段管道同時(shí)受張緊器拉力、彎矩以及托管架托輥支撐力，由此管道材料進(jìn)入非線性階段。第2部分為托管架段和下彎段之間的部分稱為中間段，此段既受到托管架段的彎矩影響，也受到下彎段彎矩影響，因此該段計(jì)算中應(yīng)當(dāng)將彎矩的影響考慮在內(nèi)。第3部分是從反彎點(diǎn)到管道觸地點(diǎn)的部分,稱為下彎段，具有很長(zhǎng)的懸跨段，也是計(jì)算中比較關(guān)注的部分，特別是接近于海底段管道受到較大的軸力、彎矩和靜水壓力的組合作用[5]。第4部分為管道與海平面接觸的部分，稱為觸地段，有時(shí)學(xué)者將海平面假設(shè)為鋼性的，以簡(jiǎn)化求解。然而，觸地段管道受靜水壓力、海底與管道的相互作用力以及可能出現(xiàn)的沖擊等，導(dǎo)致此部分也是鋪設(shè)分析的難點(diǎn)。

圖1 S型鋪設(shè)中的管道形態(tài)

2 管道靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析發(fā)展現(xiàn)狀

在管道靜力學(xué)分析中，根據(jù)管道受到的重力、浮力、托管架支撐力、張緊器拉力與海底支撐力建立靜力平衡方程，解算管道的形態(tài)，并分析管道受力、彎矩與應(yīng)力，從而校核管道受力是否在載荷允許范圍內(nèi)。在管道動(dòng)力學(xué)分析中，除了需要考慮管道受到的靜力作用，還需要考慮作用于管道上的海流、波浪、船舶運(yùn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)力作用，根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程求解管道動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，并計(jì)算管道的受力、彎矩與應(yīng)力，從而校核管道由于受到動(dòng)態(tài)外動(dòng)力作用后的設(shè)計(jì)狀態(tài)。

2.1 自然懸鏈線法

自然懸鏈線法中使用的是靜力平衡方程,忽略了管道的剛度，管道的形態(tài)與應(yīng)力可以迅速地通過解析解被解出，這種簡(jiǎn)化產(chǎn)生的誤差對(duì)于深水區(qū)的管道鋪設(shè)可以忽略不計(jì)，但在淺水區(qū)管道剛度對(duì)鋪管形態(tài)影響較大，忽略剛度會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，而且水深越淺誤差越大。Brown[23]設(shè)計(jì)了模型試驗(yàn)，從而直觀反映了深水鋪管的特點(diǎn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步簡(jiǎn)化了懸鏈線理論公式；Dixon[24]在假設(shè)海床為剛性且水平的情況下，推導(dǎo)了自然懸鏈線法的解析解。

2.2 剛懸鏈線法

剛懸鏈線法是在自然懸鏈線法的基礎(chǔ)上考慮了管道的彎曲剛度的影響，使得此種方法既可以適用于深水又可適用于淺水，但方程不具有解析解，僅能求出反彎點(diǎn)以下水深，水平距離間的關(guān)系需要進(jìn)一步通過數(shù)值方法進(jìn)行迭代求解，由此求解耗費(fèi)的時(shí)間要長(zhǎng)于自然懸鏈線法。Plunkett等[25]推導(dǎo)出了用漸進(jìn)擴(kuò)展式近似求解剛懸鏈線的方法；龔順風(fēng) 等[26-27]基于Plunkett推導(dǎo)的結(jié)果，利用剛懸鏈線法對(duì)S型管道形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)托管架半徑、初始角度、張緊器張力、作業(yè)水深等參數(shù)對(duì)管道的影響程度進(jìn)行了詳細(xì)的分析；黨學(xué)博 等[28]對(duì)S型管道的上彎段進(jìn)行了專門計(jì)算分析，分別對(duì)連續(xù)型和滾輪支撐型2種托管架進(jìn)行了討論，結(jié)果表明有滾輪的位置應(yīng)力較大，滾輪支撐之間應(yīng)力較??；周俊[29]分別利用自然懸鏈線法和剛懸鏈線法對(duì)S型管道應(yīng)力與形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明在淺水時(shí)自然懸鏈線法計(jì)算結(jié)果偏于保守，在深水時(shí)兩者計(jì)算的結(jié)果相差不大。

2.3 奇異攝動(dòng)法

攝動(dòng)方法是求解非線性問題近似解析解的有效方法。對(duì)于S型鋪管問題，有2個(gè)邊界層，一個(gè)是托管架的分離點(diǎn)附近，另一個(gè)是在管線距離海底附近。正則攝動(dòng)法在這2個(gè)邊界處失效，而奇異攝動(dòng)法即小參數(shù)法可解決這一問題[30]。Konuk[31- 32]基于彈性桿理論推導(dǎo)出了三維S型管道的靜力平衡方程式，并利用攝動(dòng)法編寫程序計(jì)算分析了管道二維非線性受力問題；Guarracino[33]利用奇異攝動(dòng)法對(duì)S型管道進(jìn)行了靜力分析，并將所得出的結(jié)果與ABAQUS有限元法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明兩者計(jì)算結(jié)果基本吻合；黃玉盈 等[34]提出了利用奇異攝動(dòng)法將懸跨段管道各點(diǎn)的傾斜角分解為外部解、內(nèi)部解和修正項(xiàng)，然后利用邊界條件來確定管道的形態(tài)，由于計(jì)算中忽略了高階項(xiàng)，從而得出計(jì)算角度的解析式，此方法具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)；Zhu[35]研究表明，在忽略了高階項(xiàng)的情況下，奇異攝動(dòng)法具有很好的計(jì)算速度，并對(duì)于剛度較小的管道計(jì)算準(zhǔn)確度也有保證。

2.4 有限差分法

有限差分法在求解微分方程組時(shí)可以方便地處理海流載荷及海底支撐力等非線性因素及動(dòng)力因素的影響，但計(jì)算效率較低。Palmer[36]提出了將有限差分法用于S型鋪管計(jì)算中；Yan[37]基于有限差分法對(duì)管道在鋪管過程中進(jìn)行了三維靜力學(xué)分析；Callegari 等[38]基于有限差分法對(duì)管道進(jìn)行了靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，并且詳細(xì)分析了海流對(duì)管道的影響以及不同仿真步長(zhǎng)引起的管道計(jì)算結(jié)果的改變；顧永寧[39-40]分別利用剛懸鏈線法、有限差分法對(duì)S型管道計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析；陳凱 等[41]建立了S型管道形態(tài)的大繞度梁微分方程，通過有限差分法對(duì)模型進(jìn)行了求解，并與懸鏈線理論解進(jìn)行了對(duì)比，從而論證了深水S型鋪管時(shí)懸垂段初始構(gòu)形可以采用懸鏈線構(gòu)形進(jìn)行近似；Datta[42]利用有限差分法對(duì)S型鋪管回收A/R作業(yè)中的管道進(jìn)行了分析。

2.5 非線性有限元法

非線性有限元法的計(jì)算方法與有限差分法很相似，只是它的迭代關(guān)系是由能量原理或加權(quán)殘值法(如最小二乘法等)確定的。此種方法計(jì)算效率較低，但由于能夠處理復(fù)雜的邊界條件和海洋環(huán)境載荷，并能夠適用于管線的動(dòng)力學(xué)分析，因此適用范圍廣泛。陳凱 等[41]在對(duì)深水S型鋪管進(jìn)行的整體變形和受力有限元分析計(jì)算中，對(duì)觸地段考慮了管土間相互作用，對(duì)過彎段則通過約束條件的處理，模擬了管道在托管架上的真實(shí)狀態(tài)，并與其他方式邊界條件下的有限元法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較及驗(yàn)證；Vlahopoulos[43-44]和 Schmidt[45]基于非線性增量有限元法分析了不同張緊器張力對(duì)管道形狀和應(yīng)力的影響；Malahy 等[46-48]基于有限元法計(jì)算了管道的三維模型；Kirk[49]利用有限元法分析了波浪對(duì)管道的動(dòng)力響應(yīng)；Ciaccia[50]利用三維有限元法對(duì)管道進(jìn)行了分析，并對(duì)比了海流等外環(huán)境對(duì)管道的形態(tài)與應(yīng)力的影響；Hall[51]基于非線性有限元法在時(shí)域中對(duì)管道進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，著重討論了非線性的海流與海底對(duì)管道的作用力；Clauss[52]討論了船舶運(yùn)動(dòng)、水深和管道參數(shù)、外界環(huán)境對(duì)管道應(yīng)力的動(dòng)態(tài)影響，結(jié)果表明以上參數(shù)對(duì)管道鋪設(shè)過程的可靠性有很大影響。

2.6 機(jī)械人手臂法

機(jī)器人手臂的計(jì)算方法優(yōu)點(diǎn)在于不僅具有較好的準(zhǔn)確性，而且可以滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算。Jensen[53-56]將機(jī)器人手臂的計(jì)算方法用于管道的計(jì)算，在考慮管道附加質(zhì)量、科里奧利項(xiàng)、阻尼系數(shù)以及海流力的情況下對(duì)S型鋪管和J型鋪管建立了數(shù)學(xué)模型，此種方法對(duì)管道邊界條件(如船舶運(yùn)動(dòng)、海底耦合作用)以及海洋環(huán)境因素的影響都可以很容易的考慮。在計(jì)算效率上，機(jī)器人手臂法的計(jì)算效率與劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)目有一定關(guān)聯(lián)，Jensen[56]研究表明在900 m深水中，除了在觸地點(diǎn)附近與懸鏈線法結(jié)果有些不同外，其他部分兩者結(jié)果基本相同，因此管道的劃分?jǐn)?shù)目不需要很多，已經(jīng)可以滿足計(jì)算的精度；楊麗麗 等[57]基于機(jī)械人手臂法將管線與鋪管船相結(jié)合，建立了船舶在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的管線運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)而利用魯棒自適應(yīng)控制方法建立了保證管線形態(tài)的有效控制模型。

表1為在計(jì)算S型管道時(shí)所用方法的適用范圍、對(duì)管道的要求及計(jì)算效率的對(duì)比情況。

表1 S型鋪管計(jì)算方法對(duì)比

3 管道觸地段與海底耦合分析發(fā)展現(xiàn)狀

管道觸地段與海底耦合分析時(shí)，根據(jù)迭代法等計(jì)算管道嵌入土壤的位移，分析觸底段的整體形態(tài)，進(jìn)而分析管道的受力與彎矩，校核管道在觸底點(diǎn)處于觸地段的受力狀態(tài)。在海底海流力可以基本忽略不計(jì)，但由于海底的土壤類型不同以及地形起伏都會(huì)影響管道在觸地點(diǎn)的受力[58-61]。對(duì)于管線與海底耦合的相互作用，主要可以分為2種研究方法：一種是將管線與海底的相互作用簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，分析不同管線埋深下的土體抗力情況；另一種是將管線整體進(jìn)行考慮，分析管線整體受力情況對(duì)管土相互作用的影響[62]。

對(duì)于將管線與海底的相互作用簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，Small[63]將管線假設(shè)為一個(gè)條形基礎(chǔ)，其寬度為管線嵌入部分的弦長(zhǎng)；Murff[64]基于塑性理論得到了埋深小于管線半徑的土體抗力的上下限；Aubeny[65]采用有限元法在考慮土體強(qiáng)度隨著深度變化的情況下分別對(duì)光滑與粗糙表面的管線所受到的土體抗力進(jìn)行了計(jì)算；Merifield[66]提出了考慮管線擠壓海床時(shí)的側(cè)傾向壓力管土模型，從而計(jì)算了由于側(cè)向壓力而導(dǎo)致的彎曲，但此模型僅限于應(yīng)用在管線埋深小于管線半徑的情況。

對(duì)于將管線整體進(jìn)行考慮，Lenci[67]應(yīng)用4種數(shù)學(xué)模型對(duì)J型管線進(jìn)行了計(jì)算，分別對(duì)剛性海底與彈性海底的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其中的2個(gè)模型將海底假設(shè)為Winkler土壤，將彈性海底簡(jiǎn)化為線性彈簧，其彈性剛度為常數(shù)，并且對(duì)比分析表明彈性海底的計(jì)算結(jié)果在形態(tài)與拉力分布上與剛性海底有很大不同；Quéau[68]在Lenci建立的模型研究基礎(chǔ)上對(duì)鋼懸鏈線立管進(jìn)行了計(jì)算分析，討論了立管脫離點(diǎn)處的位移變化對(duì)管線靜態(tài)應(yīng)力的影響，并對(duì)不同工況下觸地區(qū)域部分的應(yīng)力進(jìn)行了敏感性分析；You[69]基于模型試驗(yàn)將海底假設(shè)為非線性彈簧，從而計(jì)算了管線與海底的非線性相互作用；Palamer[70]將模型拓展到考慮土體強(qiáng)度隨著深度變化的剛性海床模型；Yuan[71-72]在Aubeny、Palamer等研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)J型管線在鋪設(shè)過程中的受力不同，將管線在海底部分劃分為觸地段和回彈段，分別討論了塑性海床與彈塑性海床管線的形態(tài)與受力，并得到了塑性海床情況下管線形態(tài)的解析解。

4 管道與張緊器耦合分析發(fā)展現(xiàn)狀

在深水中，如果管道端部的預(yù)張力過低，則在觸地點(diǎn)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很大的曲率；如果管道端預(yù)張力過高，則在管道頂部會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)力，因此在鋪管作業(yè)時(shí)張緊器的張力控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素[73-75]。Mattiazzo等[76-77]研究了由于船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)管道應(yīng)力的影響以及由此導(dǎo)致張緊器動(dòng)態(tài)張力的變化，但研究中管道應(yīng)力計(jì)算模型比較簡(jiǎn)單，精度有限；Da Silva[78]對(duì)張緊器的動(dòng)態(tài)張力進(jìn)行了建模計(jì)算，并分析了外界波浪力對(duì)張緊器張力的影響；江峰 等[79-83]對(duì)張緊器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究，但對(duì)于管道與張緊器動(dòng)態(tài)控制張力的研究甚少,然而，研究表明張緊器的張力大小對(duì)鋪管作業(yè)成本有著重要的影響(圖2)[84]。

圖2 張緊器張力對(duì)鋪管作業(yè)成本的影響[84]

5 技術(shù)展望

1) 加強(qiáng)船舶運(yùn)動(dòng)速度及管道下放速度對(duì)管道的影響分析。深水鋪管技術(shù)研究的目的之一是提高鋪管速度，縮短海上施工周期。在管道鋪設(shè)過程中，鋪管船向前運(yùn)動(dòng)，管道下放，如此產(chǎn)生船舶加速—恒速—減速的周期性運(yùn)動(dòng)，如圖3所示[85]。然而，目前關(guān)于在變速運(yùn)動(dòng)過程中船舶與管道間相互耦合的影響研究較少，在計(jì)算過程中需要對(duì)管道與船舶的位移及受力邊界條件進(jìn)行進(jìn)一步的處理及分析。

圖3 鋪管船周期性運(yùn)動(dòng)示意圖

2) 開展船舶回轉(zhuǎn)對(duì)管道著地點(diǎn)的影響分析。在鋪管作業(yè)過程中，受到海底地形等因素的影響，船舶會(huì)進(jìn)行大回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(圖4)，在回轉(zhuǎn)過程中管道成三維形態(tài)，并受到海流及船舶彎矩作用，如何使管道按照預(yù)定軌跡準(zhǔn)確鋪設(shè)是計(jì)算的難點(diǎn)，其中將涉及到船舶DP系統(tǒng)沿軌跡運(yùn)行與管道預(yù)定著地點(diǎn)匹配計(jì)算的準(zhǔn)確性的問題。

圖4 管道鋪設(shè)軌跡及船舶運(yùn)動(dòng)軌跡

3) 加強(qiáng)鋪管極限工況分析。應(yīng)更多地著眼于鋪管危險(xiǎn)極限工況(如管道屈曲、管道進(jìn)水等)的分析，以減小后期作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并能夠在出現(xiàn)危險(xiǎn)作業(yè)時(shí)提供積極應(yīng)對(duì)措施，因此除了利用數(shù)值方法計(jì)算以避免危險(xiǎn)發(fā)生，更需要進(jìn)一步將人為因素考慮在模型中，基于人機(jī)環(huán)的原理對(duì)鋪管極限工況進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4) 開展鋪管過程中耦合運(yùn)動(dòng)分析。宋林峰 等[14]對(duì)托管架—船體—管線之間的耦合進(jìn)行了分析，結(jié)果表明低頻波浪對(duì)鋪管作業(yè)有較大影響，耦合作用力不容忽視。然而，除了低頻波浪作用力，內(nèi)波等環(huán)境載荷作用對(duì)管道動(dòng)力的影響以及管道與鋪管船，張緊器間的動(dòng)力耦合問題也是今后研究的方向，這將對(duì)鋪管的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)有很大的影響。

5) 加強(qiáng)特種類型管道鋪設(shè)計(jì)算研究。對(duì)于子母管鋪設(shè)等特種類型管道鋪設(shè)，國(guó)內(nèi)僅有“海洋石油201”號(hào)船于2014年進(jìn)行了首個(gè)雙金屬機(jī)械復(fù)合子母管的鋪設(shè)工作，對(duì)管道在水下的水動(dòng)力性能以及子管與母管間的相互影響的研究都缺乏經(jīng)驗(yàn)，因此今后需要對(duì)特種類型管道的材料屬性以及水動(dòng)力特性進(jìn)行進(jìn)一步研究，除了進(jìn)行數(shù)值模擬外，更應(yīng)開展模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

6) 開展鋪管計(jì)算驗(yàn)證技術(shù)研究。實(shí)船試驗(yàn)是最真實(shí)可靠的試驗(yàn)方法，但其實(shí)施耗資巨大，具有很大的危險(xiǎn)性和破壞性、海上環(huán)境數(shù)據(jù)的不確定性以及實(shí)船數(shù)據(jù)采集的困難，造成了實(shí)際上很難達(dá)到預(yù)期的實(shí)船試驗(yàn)的目標(biāo)，因此目前對(duì)實(shí)船試驗(yàn)以及在鋪管過程中整個(gè)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究比較少，通常是僅使用屈曲探測(cè)器對(duì)管道進(jìn)行屈曲判斷，并不能詳細(xì)地采集數(shù)據(jù)用于計(jì)算驗(yàn)證。相比之下，模型試驗(yàn)方法具有安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但模型試驗(yàn)受水池深度等限制，Brown[23]對(duì)管道進(jìn)行了二維與三維的縮尺比試驗(yàn)；李金玉[86]利用離散性管道代替了連續(xù)性管道進(jìn)行了試驗(yàn)；Wang等[87]著重對(duì)剛懸鏈線立管與柔軟海底的相互作用進(jìn)行了循環(huán)試驗(yàn)；梁凌云 等[88-91]更多地進(jìn)行了陸上模型試驗(yàn)，對(duì)鋪管作業(yè)整體的水下模型試驗(yàn)研究較少。因此，如何準(zhǔn)確地進(jìn)行深水模型試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)，進(jìn)而驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，是我們今后努力的目標(biāo)。

7) 加強(qiáng)提高計(jì)算效率的方法研究。有限差分法和非線性有限元法在計(jì)算中具有很好的精度，但計(jì)算的效率較低。因此，需要在保證精度的情況下使計(jì)算效率有效提高，這也是我們今后研究的目標(biāo)，可以嘗試采用GPU計(jì)算及并行計(jì)算等方法來提高計(jì)算效率。

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(編輯：葉秋敏)

Development status and prospect of S-laying mechanical calculation method

Han Duanfeng1Zan Yingfei1Yuan Lihao1Wu Zhaohui2Huang Fuxiang2

(1.CollegeofShipBuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang150001,China; 2.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin, 300451,China)

Based on the features of S-laying technologies, research status of static and dynamic calculation methods for pipelines, coupling stress analysis of the pipeline and seabed, and coupling dynamics of the pipeline and tensioner are all discussed. Furthermore, merits and limitations of various methods for pipeline calculation are analyzed and compared. Finally, the paper points out the problems yet to be solved and the research direction for the future, which lays a theoretical foundation for S-laying operation safety and operation efficiency.

S-laying; pipeline statics; pipeline dynamics; calculation method; coupling analysis; development status; technology prospect

1673-1506(2016)06-0099-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.017

*“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)(編號(hào)：2016ZX05057-020)”、中國(guó)海洋石油總公司“十二五”科技重大項(xiàng)目“海洋工程作業(yè)安全模擬系統(tǒng)及工程應(yīng)用研究(首期)(編號(hào)：CNOOC-KJ 125 ZDXM 05 GC 00 GC 2013-04)”部分研究成果。

韓端鋒，男，教授，2002年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事船舶與海洋工程運(yùn)動(dòng)仿真研究工作。地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)南通大街145號(hào)哈爾濱工程大學(xué)1號(hào)樓(郵編：150001)。E-mail：handuanfeng@hrbeu.edu.cn。

P756.2

A

2016-06-30 改回日期：2016-09-22