陳金龍+閻軍+盧青針+楊志勛+岳前進(jìn)

摘要：針對深水柔性管道鋪設(shè)的一般過程，將鋪設(shè)過程離散成若干典型工況，并通過非線性時域有限元法實現(xiàn)鋪設(shè)過程的動態(tài)仿真分析。闡述仿真所涉及的基本方程、模型與基本單元、載荷工況與動態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計的具體處理技術(shù)。以水深1000 m柔性管道的鋪設(shè)為例，著重展示動態(tài)仿真技術(shù)在鋪設(shè)設(shè)計中的應(yīng)用。分析實例表明：通過非線性時域動態(tài)分析技術(shù)對深水柔性管道的鋪設(shè)過程進(jìn)行仿真是可行的，可以有效地為鋪設(shè)設(shè)計提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：柔性管道；深水鋪設(shè)；鋪設(shè)設(shè)計；附屬構(gòu)件；數(shù)值仿真；非線性時域分析；極值分析；載荷工況

中圖分類號：TE53；TB115.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

海洋柔性管道的鋪設(shè)有其特有的鋪設(shè)裝備和工藝流程，依據(jù)入水方式的不同，又分為水平式鋪設(shè)與豎直式鋪設(shè)2種形式。國內(nèi)對柔性管道鋪設(shè)的研究正處于起步階段，在鋪設(shè)裝備、工藝流程等方面也有一定的研究，并且在一些淺水油氣田有過成功鋪設(shè)的經(jīng)驗，但對深水（水深大于500 m）柔性管道鋪設(shè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究與實際操作經(jīng)驗都比較缺乏。

深水柔性管道鋪設(shè)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一是對鋪設(shè)過程的仿真分析，即模擬管道鋪設(shè)過程，分析其載荷與響應(yīng)，需要應(yīng)用柔性管道整體分析技術(shù)。國內(nèi)對柔性立管在位線形的整體分析技術(shù)已有較多研究，而對于柔性管道鋪設(shè)過程的仿真分析技術(shù)卻少有研究。一直以來，柔性管道鋪設(shè)是基于靜態(tài)分析技術(shù)獲取管道的內(nèi)力與變形，并將結(jié)果乘以動力放大倍數(shù)作為設(shè)計依據(jù)。在柔性管道鋪設(shè)深度不斷加深、口徑不斷增大的背景下，鋪設(shè)設(shè)計中的各類非線性因素的影響也越來越明顯，靜態(tài)分析技術(shù)已無法滿足深水/超深水鋪設(shè)的設(shè)計需求。隨著計算力學(xué)分析技術(shù)的提高，基于動態(tài)仿真技術(shù)對柔性管道的鋪設(shè)過程進(jìn)行設(shè)計已具備可行性，但是面臨著如下難題：（1）柔性管道鋪設(shè)的動態(tài)分析需要處理線形的大位移、大轉(zhuǎn)角、接觸等諸多非線性因素，需要使用非線性時域分析方法；（2）波浪具有隨機(jī)特性，對每個工況的模擬時長應(yīng)達(dá)到3 h以上；（3）要充分考慮管內(nèi)流體、波浪、流、鋪管船運(yùn)動等諸多載荷要素，以形成合理的載荷工況矩陣；（4）需要將連續(xù)的鋪設(shè)過程離散成若干工況進(jìn)行動態(tài)仿真；（5）柔性管道鋪設(shè)的各過程還涉及到其特有的附屬構(gòu)件，如限彎器、纜索、浮力附件等。綜上，對柔性管道的鋪設(shè)過程進(jìn)行動態(tài)仿真相對復(fù)雜，且工況繁多。

為具體討論柔性管道鋪設(shè)過程的仿真分析技術(shù)，本文以應(yīng)用于1000 m水深，內(nèi)徑為8英寸（203.2 mm）的典型海洋柔性管道的鋪設(shè)為例，對鋪設(shè)的3個基本過程，即起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)和終止鋪設(shè)過程，借助海洋管纜專業(yè)分析軟件Orcaflex進(jìn)行動態(tài)仿真，探索動態(tài)分析技術(shù)在柔性管道鋪設(shè)過程中的應(yīng)用，并針對分析中的難點展開討論。

1柔性管道的鋪設(shè)過程

深水柔性管道一般采用豎直鋪設(shè)方式，見圖1。

柔性管道鋪設(shè)一般至少包含起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)和終止鋪設(shè)3個過程見圖2，具體描述如下。

（1）起始鋪設(shè)過程。包含鋪設(shè)準(zhǔn)備、入水下放、端部連接固定、移船形成自然懸鏈線的過程，見圖2a）。

（2）正常鋪設(shè)過程。鋪管船以預(yù)定的鋪設(shè)速度進(jìn)行，同時卷盤與張緊器協(xié)調(diào)放管，可使管道線形保持為預(yù)定的懸鏈線狀態(tài)，見圖2b）。

（3）終止鋪設(shè)過程。將柔性管道的另一端完全下放到海床，以備進(jìn)行后續(xù)的連接安裝，見圖2c）。

不難看出，柔性管道在鋪設(shè)過程中鋪設(shè)線形與管道所受載荷是不斷變化的，因此各階段的控制失效模式也有所不同。通過仿真分析獲得上述各過程中管道的受力與變形信息是鋪設(shè)設(shè)計的重要依據(jù)。本文將基于上述3個基本過程，介紹動態(tài)仿真分析技術(shù)及其應(yīng)用。

2動態(tài)仿真基本理論

對深水柔性管道動態(tài)仿真所涉及的基本理論進(jìn)行介紹，包含基本方程單元、模型與單元、載荷與極值響應(yīng)統(tǒng)計。

2.1基本方程

對鋪設(shè)過程的動態(tài)仿真，應(yīng)首先進(jìn)行靜態(tài)分析，獲取柔性管道鋪設(shè)的平衡狀態(tài)，然后使用動態(tài)仿真分析動態(tài)載荷，含波浪、鋪管船運(yùn)動作用下的管道響應(yīng)。

使用數(shù)值方法對管道鋪設(shè)進(jìn)行分析，一般基于靜力平衡方程求解單元的內(nèi)外與變形，即

2.2模型與基本單元

首先需要建立模擬鋪設(shè)過程的力學(xué)模型。基于式（1）和（2）進(jìn)行數(shù)值分析。建模至少涉及以下5種基本單元。

（1）鋪管船。一般處理為空間的剛體運(yùn)動，作為管道上端的運(yùn)動邊界，包含6個自由度的運(yùn)動，能夠反映船體在波浪作用下的波頻與低頻運(yùn)動，可以借助浮體的運(yùn)動響應(yīng)傳遞函數(shù)實現(xiàn)模擬。

（2）柔性管道。模擬管道的力學(xué)行為，需包含質(zhì)量、拉伸剛度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、結(jié)構(gòu)阻尼等參數(shù)。一般采用集中質(zhì)量單元或大變形梁單元，如Orcaflex中的線單元，見圖3。

（3）管道接頭。需包含質(zhì)量、剛度、體積信息，也可以簡化處理為集中質(zhì)量賦予管道末端。

（4）限彎器。其原理為當(dāng)管道產(chǎn)生的曲率半徑達(dá)到某個設(shè)計值R時，將產(chǎn)生機(jī)械互鎖阻止進(jìn)一步彎曲。因此，數(shù)值軟件中的單元需要模擬互鎖前后的彎曲剛度，見圖4。

2.3載荷與極值響應(yīng)統(tǒng)計

在柔性管道的整體分析中，將管道及其附屬構(gòu)件自身的重力、浮力、內(nèi)外壓等載荷稱為功能載荷，將波浪載荷、流載荷以及浮體運(yùn)動稱為環(huán)境載荷。波浪載荷與流載荷都可以通過Morison公式計算。

現(xiàn)行的海洋管纜分析軟件，如Orcaflex，可以實現(xiàn)對管道連續(xù)鋪設(shè)動作的仿真，如模擬同步的行船與管道下放。然而，設(shè)計過程中的鋪設(shè)載荷是不確定的，所以對連續(xù)的鋪設(shè)動作進(jìn)行仿真分析對鋪設(shè)設(shè)計的指導(dǎo)意義不大。因此，需要將連續(xù)過程離散成若干瞬間狀態(tài)，然后考慮各載荷工況進(jìn)行全面的分析。鋪設(shè)載荷的不確定性主要體現(xiàn)在如下2個方面：

（1）載荷工況的不確定性。由于實際鋪設(shè)過程中的環(huán)境載荷是無法預(yù)知的，因此在設(shè)計時，需要考慮各種可能的載荷要素，如波高、周期、波向、流向等，形成包絡(luò)性的載荷工況矩陣。endprint

（2）波浪載荷的不確定性。由于波浪是隨機(jī)的，一般使用波浪譜對海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行分析，如PM和Johnswap譜等，分別適用于不同的海域或條件。使用波浪譜進(jìn)行柔性管道的非線性時域分析，需要模擬足夠的時長（3～6 h）以減少不確定性。同時，極值響應(yīng)也需依據(jù)響應(yīng)時程借助統(tǒng)計方法來獲取。例如，基于Rayleigh分布法，持續(xù)時間T內(nèi)可能出現(xiàn)的最大值為

3動態(tài)仿真實例

本文選用1000 m水深，8英寸（203.2 mm）柔性管道，以3個基本過程進(jìn)行鋪設(shè)，并基于動態(tài)仿真分析技術(shù)對柔性管道入水后的形態(tài)與內(nèi)力進(jìn)行分析，為鋪設(shè)設(shè)計提供參考。

3.1仿真模型

本文建模所使用的主要管道參數(shù)來源于國家“八六三”計劃“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”項目中設(shè)計并試制的樣管，模型的關(guān)鍵參數(shù)見表1，鋪管船的幅頻響應(yīng)算子參數(shù)略。

采用第2.2節(jié)所描述的單元進(jìn)行建模。假設(shè)海床平坦，與柔性管道彈性接觸；管道上端與鋪管船鉸接于月池處。最終，在Orcaflex中獲得的三維模型見圖6。

3.2分析工況

若考慮完備的環(huán)境載荷工況，再結(jié)合參數(shù)靈敏度分析完成對鋪設(shè)過程的線形設(shè)計，需要分析的工況數(shù)往往是成千上萬的。為減少分析工作量，僅采用一種環(huán)境載荷的組合工況：鋪管船迎浪角為0，波浪譜為Johnswap譜，有義波高H_s=2.5 m，譜峰周期T_p=7 s，表面流速為1.0 m/s，波流同向。

通過一定的預(yù)試算，將第2節(jié)所述的3個鋪設(shè)過程離散成19個工況，見表2。

3.3分析結(jié)果與討論

基于已建立的數(shù)值仿真模型，對上述工況分別進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析，然后提取設(shè)計關(guān)心的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行鋪設(shè)設(shè)計或評價。依據(jù)API 17B規(guī)范可知，表1中的管道在鋪設(shè)中受到的最大張力不應(yīng)超過1500 kN，最小張力應(yīng)大于0，最小彎曲半徑應(yīng)大于3.15 m。

3.3.1起始鋪設(shè)過程

對表2所示起始鋪設(shè)過程的10個工況分別進(jìn)行動態(tài)分析。每個工況中隨機(jī)選取一個線形，結(jié)果見圖7，其中括號內(nèi)的數(shù)字表示在該處置處管道下放的最小和最大量。使用非線性時域動態(tài)分析方法可以獲得鋪設(shè)過程中管道各類響應(yīng)的變化情況。其中，頂張力的時程變化，可以作為在實際鋪設(shè)過程中使用張緊器監(jiān)控鋪設(shè)張力的重要參考。起始鋪設(shè)過程中包含有最大頂張力的一段時程曲線示例見圖8。

基于上述響應(yīng)時程，采用式（3）統(tǒng)計動態(tài)極值結(jié)果，用于評估管道是否會發(fā)生失效。初始下放過程中的10個工況的關(guān)鍵極值統(tǒng)計結(jié)果見表3。

由表3可以看出，在設(shè)計的移船距離和管道下放長度情況下，該管道均滿足張力與彎曲半徑準(zhǔn)則。此外，在柔性管道下端部與海底錨固裝置連接后，船體運(yùn)動容易對管道造成較大拉力，可能導(dǎo)致管道受拉破壞或造成錨固失效（這里假設(shè)管道對海底錨固裝置的作用力須小于100 kN）。

3.3.2正常鋪設(shè)過程

在正常鋪設(shè)過程中，一般通過張緊器控制鋪設(shè)張力實現(xiàn)對管道鋪設(shè)線形的控制，能夠有效避免管道出現(xiàn)拉伸破壞、過度彎曲和屈曲失效。此外，對管道入水角度進(jìn)行監(jiān)測與控制也可以達(dá)到同樣目的。

依據(jù)懸鏈線的特性，最大和最小張力工況分別對應(yīng)最大鋪設(shè)距離和最小鋪設(shè)距離（船到管道觸底點的水平距離），這2種工況通常與發(fā)生不同失效的臨界工況對應(yīng)。在最大鋪設(shè)張力和最小鋪設(shè)張力之間，選擇一個設(shè)計鋪設(shè)張力，作為鋪設(shè)過程中的設(shè)計值，見圖9。動態(tài)分析的關(guān)鍵結(jié)果統(tǒng)計見表4。

在最小鋪設(shè)張力工況時，管道觸底點處最小張力、最小彎曲半徑接近許用極限。該鋪設(shè)實例中的管道承拉能力有較大余量，故不必以管道的最大臨界鋪設(shè)張力作為最大張力工況。管道的鋪設(shè)張力越小，鋪設(shè)成本越低。

3.3.3終止鋪設(shè)過程

到達(dá)預(yù)定位置后，管道終止鋪設(shè)?？墒构艿老路帕颗c移船量保持相同，以保持同樣的鋪設(shè)線形進(jìn)行，直至管道末端接頭全部下放完成。終止鋪設(shè)過程，見圖10。

終止過程需要注意的是觸底區(qū)域的過度彎曲問題，尤其是當(dāng)管道末端接近觸底時，由于管道接頭的剛度遠(yuǎn)大于柔性管道本身，容易在與海床的接觸過程中產(chǎn)生過度彎曲或屈曲失效。因此該過程需重點關(guān)注觸底點處的彎曲半徑與最小張力，關(guān)鍵的分析結(jié)果見表5。

在波浪共線、海床平坦的假設(shè)下，管道沒有受到扭轉(zhuǎn)作用，因此，表3～5中給出的管道響應(yīng)信息以張力和彎曲半徑為主。

表3～5是基于動態(tài)仿真獲得的極值響應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果，可以直接與管道的許用載荷或變形進(jìn)行對比。對比結(jié)果表明，在本文分析的19個工況下，管道按照給定方式鋪設(shè)不會發(fā)生失效。若想全面驗證鋪設(shè)設(shè)計的安全性，則需設(shè)計完備的載荷工況矩陣，進(jìn)行大規(guī)模的動態(tài)分析，出于節(jié)約篇幅考慮，本文不一一列舉。

4結(jié)論

深水柔性管道鋪設(shè)過程的仿真分析采用柔性管道的整體分析技術(shù)，包含靜態(tài)、動態(tài)分析。由于載荷與結(jié)構(gòu)的非線性，基于靜態(tài)分析的傳統(tǒng)鋪設(shè)設(shè)計方法，正逐步被非線性時域動態(tài)分析技術(shù)所取代。動態(tài)仿真分析是實現(xiàn)管道鋪設(shè)先進(jìn)性設(shè)計所必需的技術(shù)。

本文研究表明，使用動態(tài)仿真技術(shù)對柔性管道鋪設(shè)過程進(jìn)行模擬分析具備可行性。鋪設(shè)過程中的裝備可以采用不同的力學(xué)模型（單元）進(jìn)行模擬，能夠獲得管道在波浪、流、鋪管船運(yùn)動等動態(tài)載荷下的時程響應(yīng)與極值響應(yīng)，可應(yīng)用于鋪設(shè)設(shè)計。

使用動態(tài)分析技術(shù)，由于載荷的不確定性，需要將連續(xù)的鋪設(shè)過程離散成若干工況，再與各可能出現(xiàn)的載荷工況組合，例如考慮波流共線、波流成夾角、不同載荷方向等，這樣形成的工況數(shù)量將數(shù)十倍乃至上百倍于本文所分析的工況數(shù)量。大量的分析工況與長時間的非線性時域模擬是一般的工程設(shè)計難以承受的。因此，在未來的研究中需要采用一些合理措施來大幅縮減工況和計算時間，比如發(fā)展快速篩選關(guān)鍵工況的技術(shù)手段或計算機(jī)程序，才能推動動態(tài)仿真分析技術(shù)最終在工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用。endprint