薛志鋼，趙　巖，蔡志勤，岳前進(jìn)

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214174； 2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

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深水鋪設(shè)托管架-管道的動(dòng)力學(xué)分析

薛志鋼1,2，趙巖1，蔡志勤1，岳前進(jìn)1

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214174； 2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

針對(duì)深水鋪設(shè)中，完全對(duì)托管架-管道構(gòu)成復(fù)雜的耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解耦，并進(jìn)行動(dòng)力特性分析困難的問題，提出將管道等效為質(zhì)量點(diǎn)的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，在避免托管架-管道耦合非線性求解困難的同時(shí)，探討不同鋪設(shè)工況下耦合系統(tǒng)的頻率行為特征。通過對(duì)托管架空載和在役頻率的對(duì)比，探討管道慣性質(zhì)量對(duì)托管架動(dòng)力特性的影響，并提出設(shè)計(jì)超深水、大口徑管道鋪設(shè)托管架需要注意的問題。

托管架；隨機(jī)振動(dòng)；ANSYS；模態(tài)分析

隨著海洋資源開發(fā)逐漸從淺水走向深水，海底管道的鋪設(shè)也朝著超深水、大口徑發(fā)展[1]，對(duì)鋪設(shè)裝備提出了更為嚴(yán)格的要求，托管架長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，隨著長(zhǎng)度的增加，露出一些問題，主要是剛度不足。在淺水托管架設(shè)計(jì)中，由于托管架長(zhǎng)度較短，管道荷載作用下產(chǎn)生的變形不明顯，一般可認(rèn)為是剛性設(shè)計(jì)[2]。然而隨著托管架長(zhǎng)度的增加，管道荷載也隨之增加，在此作用下托管架會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，該變形對(duì)托管架上彎段的影響較大[3-5]。剛度不足的另一個(gè)重要方面是對(duì)托管架動(dòng)力特性的影響。在淺水鋪設(shè)中，托管架剛度大，管道荷載小，托管架空載和在役時(shí)的模態(tài)變化不大。然而超深水大口徑管道鋪設(shè)過程中，托管架的長(zhǎng)度增加，剛度降低，管道對(duì)托管架的荷載較大[6]，相對(duì)于空載而言，在役時(shí)托管架的頻率可能會(huì)發(fā)生比較大的改變，這種改變有可能造成托管架發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)而損壞。為此，將管道等效為附加質(zhì)量，在避免托管架-管道耦合非線性求解困難的同時(shí)，探討不同鋪設(shè)工況下托管架-管道系統(tǒng)的頻率行為特征。

1　S-lay管道鋪設(shè)

海底管道在鋪設(shè)前呈每根12 m的狀態(tài)，首先由運(yùn)輸船將管道吊裝到鋪管船上，然后對(duì)管道進(jìn)行端口的處理，包括打坡口、消磁、預(yù)熱等工序，處理后的管道被運(yùn)送到對(duì)中區(qū)，將管道與整體管道的端口進(jìn)行對(duì)中，對(duì)中后對(duì)管道進(jìn)行第一次焊接，隨著船體的移動(dòng)，管道的接口被移送到不同的焊接工作站，進(jìn)而對(duì)管道進(jìn)行3～5次的焊接。焊接完成后對(duì)管道的焊接部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，如果檢測(cè)合格，則對(duì)管道接口位置進(jìn)行包扎涂抹，防止管道被海水腐蝕。一旦檢測(cè)管道焊接不合格，則對(duì)管道進(jìn)行拆解，重新進(jìn)行消磁、預(yù)熱、焊接等一系列工序，直至管道焊接位置滿足無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為止。經(jīng)過涂抹后的管道穿過張緊器，在托管架的支承下，船體向后移動(dòng)，管道被送入海底。見圖1。

圖1　S-lay管道鋪設(shè)示意

通過張緊器之前管道會(huì)有NDT無(wú)損檢測(cè)，進(jìn)而保證管道焊接質(zhì)量，從張緊器出來(lái)的管道可以認(rèn)為是無(wú)缺陷的。但當(dāng)管道穿過張緊器后，在自身重力的作用下會(huì)彎成一定的線型，如果線型選擇不合理，在管道的上彎段和下彎段部分會(huì)由于過度彎曲而發(fā)生破壞，而此時(shí)無(wú)法對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，管道一旦產(chǎn)生缺陷，就會(huì)降低其在海底的承載能力，再加上復(fù)雜的海底環(huán)境，極有可能使管道發(fā)生破壞，進(jìn)而造成環(huán)境污染和財(cái)產(chǎn)的損失。在鋪設(shè)過程中，由于托管架設(shè)計(jì)不合理而造成整體失效，管道瞬間滑落可能造成船體的損壞，甚至是人員的傷亡。由此可見托管架在S-lay海底管道鋪設(shè)過程中的重要性。

2　托管架-管道解耦

在工程上，對(duì)托管架-管道系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析是比較困難的，主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)是一個(gè)非線性的耦合系統(tǒng)，雖然在模態(tài)分析時(shí)忽略了其非線性因素，但是管道對(duì)托管架的慣性作用是必須要考慮的，因此需要計(jì)算管道在有預(yù)應(yīng)力作用下使其與托管架接觸，一般做法是將與船體接觸管道的一段施加全約束，另外一端施加張緊力，讓管道在重力的作用下彎曲變形成一定的線型，使其和托管架接觸[3]。該過程的求解是比較困難的，求解的代價(jià)比較高，在工程上難以推廣使用。由此需要對(duì)其進(jìn)行解耦，將管道對(duì)托管架的作用以等效質(zhì)量點(diǎn)形式施加到托管架上，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)托管架-管道模態(tài)分析的效率。具體的做法是首先通過剛性懸鏈方程計(jì)算管道的鋪設(shè)線型，如圖2所示，提取管道的上彎段信息：張緊器的張力和脫離點(diǎn)處下部管道對(duì)上彎段的拉力，如圖3所示。根據(jù)力的平行四邊形法則可得到托管架對(duì)管道的支持力，管道對(duì)托管架的力均勻分布在托輥上[7]，將該力等效為一系列的相等質(zhì)量點(diǎn)布置在托管架上，模擬管道對(duì)托管架的慣性作用。

圖2　管道線型

圖3　管道等效質(zhì)量簡(jiǎn)化原理

本文以某托管架為例，該托管架共有12個(gè)托輥和管道接觸，將等效的質(zhì)量均分到12個(gè)托輥上，利用該方法設(shè)計(jì)了表1中的鋪設(shè)工況。

表1　管道鋪設(shè)工況表

3　托管架服役狀態(tài)下的動(dòng)力特性分析

托管架非工作狀態(tài)下的動(dòng)力特性見式(1)，主要是自身剛度和質(zhì)量的相對(duì)關(guān)系。然而，服役狀態(tài)下就要考慮管道對(duì)托管架的影響。該影響分為兩部分，一部分是管道對(duì)托管架作用，會(huì)造成托管架剛度矩陣的改變；另一方面托管架帶動(dòng)管道運(yùn)動(dòng)，于是管道對(duì)托管架會(huì)產(chǎn)生慣性荷載，進(jìn)而影響到托管架的質(zhì)量矩陣 ，見式(2)。

(1)

(2)

式中：K——托管架的剛度矩陣；

M——托管架的質(zhì)量矩陣；

k——管道對(duì)托管架剛度矩陣的改變量；

m——管道的慣性矩陣；

ω——結(jié)構(gòu)的固有頻率；

x——結(jié)構(gòu)的振型。

管道對(duì)托管架的影響會(huì)改變其剛度和質(zhì)量矩陣，為了探究這兩方面的影響對(duì)托管架的動(dòng)力特性是否有利，本文以ANSYS為數(shù)值仿真工具，按照表1中的要求分別建立管道等效質(zhì)量點(diǎn)作用下托管架的淺水和深水模型，見圖4。

打開ANSYS的預(yù)應(yīng)力開關(guān)，在每個(gè)托輥上施加垂直于托管架的托輥力，模擬管道對(duì)托管架剛度的影響。然后在每個(gè)托輥上布置質(zhì)量點(diǎn)，模擬管道對(duì)托管架的慣性作用。

分別對(duì)表1工況的模態(tài)進(jìn)行分析，提取前10階自振頻率，結(jié)果見表2。

圖4　托管架-質(zhì)量模型

表2　各工況模態(tài)分析表

根據(jù)表1和表2可知，隨著鋪設(shè)管徑和水深的增加，管道對(duì)托管架的作用力也隨之增加，但托管架的自振頻率逐漸減小。由公式(2)可知管道作用力對(duì)托管架剛度矩陣改變量小于管道慣性質(zhì)量對(duì)托管架質(zhì)量矩陣的改變量。說明在托管架-管道的動(dòng)力過程中，由船體運(yùn)動(dòng)造成的管道慣性荷載對(duì)托管架的作用比由管道荷載造成托管架剛度增加量要大，因此管道慣性荷載對(duì)托管架放大效應(yīng)引起重視。

為了對(duì)比托管架空載和在役時(shí)模態(tài)的區(qū)別，對(duì)圖4中去掉質(zhì)量點(diǎn)的托管架進(jìn)行模態(tài)分析，提取前4階固有頻率，如圖5所示。

由圖5可見，對(duì)于淺水鋪設(shè)，托管架空載和在役時(shí)的固有頻率變化不是很大，但是深水鋪設(shè)情況下，管道對(duì)托管架的模態(tài)產(chǎn)生較大的影響。其中，在極限鋪設(shè)海況中，第一階固有頻率比空載時(shí)減少一倍還要多。并且船體運(yùn)動(dòng)的頻率帶一般集中在0～1.2 Hz，深水鋪設(shè)情況下，托管架的第一、二階固有頻率已經(jīng)在該頻率帶內(nèi)，極有可能使托管架隨著船體發(fā)生共振。由此在對(duì)用于超深水、大口徑鋪設(shè)的托管架設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要對(duì)空載時(shí)的模態(tài)進(jìn)行分析，還要對(duì)管道作用下托管架的模態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，以避開船體運(yùn)動(dòng)的頻率帶。

圖5　托管架在役和空載下動(dòng)力特性

4　結(jié)論

托管架-管道的求解過程是比較困難的，利用管道等效質(zhì)量法對(duì)其進(jìn)行解耦能夠快速的對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)托管架設(shè)計(jì)具有應(yīng)用價(jià)值。

1)對(duì)于超深水大口徑管道的鋪設(shè)，由于管道作用，托管架剛度矩陣和質(zhì)量矩陣都會(huì)變化，本文分析發(fā)現(xiàn)剛度的增加量小于慣性質(zhì)量的增加量，由此在對(duì)托管架設(shè)計(jì)時(shí)，管道慣性質(zhì)量對(duì)托管架響應(yīng)的放大作用應(yīng)引起注意。

2)托管架在役時(shí)，托管架-管道系統(tǒng)的自振頻率已經(jīng)達(dá)到船體的自振頻率帶，有可能發(fā)生共振，進(jìn)而造成托管架的損壞，在對(duì)托管架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要對(duì)空載時(shí)的托管架進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)托管架-管道也應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)力特性分析。

3)對(duì)托管架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用等效質(zhì)量的方法將管道等效為質(zhì)量點(diǎn)或者力，將管道以質(zhì)量點(diǎn)(力)的形式施加到托管架上進(jìn)行靜態(tài)分析。將等效質(zhì)量(力)乘以比例系數(shù)[8](動(dòng)力放大因子1.3)施加到托管架上進(jìn)行動(dòng)力分析。將等效質(zhì)量點(diǎn)作用在托管架上對(duì)托管架-管道做模態(tài)分析。

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The Dynamic Research of the Stinger-pipe under the Deep Water

XUE Zhi-gang1,2, ZHAO Yan1, CAI Zhi-qin1, YUE Qian-jin1

(1.Wuxi Branch of Jiangsu Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Wuxi Jiangsu 214174, China; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial equipment, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023, China)

Stinger-pipe is a complex coupling system in the deep water laid. It is more difficult to analysis the dynamic characteristics of the system completely. The pipe equivalent point is proposed to analyze the dynamic property of the system, which gets rid of the problem that the nonlinear the pipe is difficult to solve, at the same time, explores the frequency behavior characteristics of the coupled system under different working condition of laying. Comparing the frequency of the stinger between idle and pipe laying proposes the problem of the singer design, which is used to pipe laying with ultra-deepwater and large diameter. The research has guiding significance for design of stinger.

stinger; random vibration; ANSYS; modal analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.033

2015-09-15

2015-10-13

973項(xiàng)目(2014CB046803)

薛志鋼(1988-)，男，碩士，助理工程師

P756.2

A

1671-7953(2016)01-0158-04

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)

E-mail:xuezhigang87@126.com