吳業(yè)衛(wèi)， 周楊， 王雙， 劉軍， 鞠明， 穆永濤

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

油氣的運(yùn)輸是海洋油氣開發(fā)中關(guān)鍵的一環(huán)，而海底管道運(yùn)輸由于其的成本低、時效性好的特點(diǎn)，成為了一種主流的油氣運(yùn)輸方式，因此研究海底管道鋪設(shè)相關(guān)技術(shù)的必要性也日漸凸顯[1]。作為一種較為新型的管道鋪設(shè)方式，REEL型鋪設(shè)法有著高效率、低成本、適用于深海的特點(diǎn)，適合在海底進(jìn)行長距離、小管徑的鋪設(shè)，漸漸成為了世界范圍內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注熱點(diǎn)[2]。

由于起步較晚，我國在海洋工程設(shè)備的研究與制造方面與國外先進(jìn)水平存在著相當(dāng)?shù)牟罹郲3]。對于REEL型鋪設(shè)系統(tǒng)，國內(nèi)剛剛開始進(jìn)行了一些初步的理論研究，而工程應(yīng)用領(lǐng)域尚處于空白狀態(tài)[4]。目前，REEL型鋪設(shè)系統(tǒng)及技術(shù)為國外公司所壟斷，我國在該領(lǐng)域尚處于空白狀態(tài)。國內(nèi)目前尚無REEL型鋪設(shè)系統(tǒng)，僅僅是對其進(jìn)行了極少的基礎(chǔ)理論研究。而在國外，Reel型鋪設(shè)法的理論研究和Reel型鋪設(shè)系統(tǒng)的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完備和成熟，并且有能熟練進(jìn)行海上施工的專業(yè)鋪管作業(yè)團(tuán)隊相配合。因此當(dāng)需要進(jìn)行REEL型鋪設(shè)作業(yè)時，需付出極高的價格租用國外公司的設(shè)備并聘請相關(guān)技術(shù)、操作人員[5]，不利于我國的海洋油氣開發(fā)事業(yè)。在國外技術(shù)封鎖以及缺少設(shè)計資料的前提下，開展陸地試驗(yàn)，將更好地了解Reel型鋪設(shè)的鋪管過程，確定其核心部件的工作流程以及影響因素，為我國自主設(shè)計研發(fā)Reel型鋪設(shè)方式的相關(guān)設(shè)備提供科學(xué)依據(jù)。

1 REEL型鋪設(shè)系統(tǒng)概述

REEL型鋪設(shè)是一種新型的管道鋪設(shè)方式[6]。該方法最早始于二戰(zhàn)末期，在英吉利海峽鋪設(shè)一條直達(dá)法國的輸油管道。隨著海洋開發(fā)的逐步進(jìn)行，REEL型鋪設(shè)法優(yōu)勢逐漸得到了各大企業(yè)的重視，于是迅猛發(fā)展至如今規(guī)模。卷管式鋪設(shè)法的作業(yè)流程是：首先將待上卷管道在陸地預(yù)制場進(jìn)行焊接、檢測以及涂裝等工作，待以上工作完成之后，將管道上卷至儲存卷筒上，當(dāng)管道達(dá)到儲存極限，鋪管船將開往預(yù)定海域進(jìn)行鋪管作業(yè)[7]。相較于其余鋪管方式，REEL型鋪設(shè)具有效率高、費(fèi)用低、可連續(xù)鋪設(shè)、作業(yè)風(fēng)險小等特點(diǎn)[8]。

按照滾筒擺放的姿態(tài)，可將REEL型鋪設(shè)分為水平式鋪設(shè)與立式鋪設(shè)。水平鋪設(shè)多應(yīng)用在早期卷管式鋪管船上，相較于立式鋪設(shè)，水平式卷筒的重心更低，可攜帶更多管道，但此種鋪設(shè)方式僅適用于水深不大的管道鋪設(shè)，且水平卷筒占用甲板空間大，制造工藝更為復(fù)雜。立式鋪設(shè)法的管道受力情況相較于水平式鋪設(shè)法更便于控制，適用于深水管道鋪設(shè)，但為了保證REEL型鋪設(shè)系統(tǒng)和鋪管船自身的穩(wěn)定性，其容量要小于水平式鋪設(shè)方式。目前，擁有REEL型鋪設(shè)系統(tǒng)的公司主要集中在歐美等發(fā)達(dá)國家，如Technip、Subsea 7以及Mc Dermott等公司。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計

2.1 管道鋪設(shè)過程分析

海底管道向滾筒上纏繞的過程被稱為上卷，是REEL型管道鋪設(shè)流程中的第一步，也是非常關(guān)鍵的一步。為了方便管道上卷、減小管道的殘余內(nèi)應(yīng)力，一般在管道被纏繞至滾筒之前，會根據(jù)管道和滾筒的性能參數(shù)對其施加一定的彎曲力，此過程被稱為預(yù)彎。預(yù)彎過程的實(shí)質(zhì)是提前對管道進(jìn)行拉彎作用，會受到來自多方面的影響，使管道發(fā)生復(fù)雜的非線性變化[9]。

管道在預(yù)制車間里焊接并檢測合格后，絞車鋼纜與管道末端連接并將管道拖拽至滾筒。待滾筒和管道連接完成后，滾筒正轉(zhuǎn)，與張緊器相互配合下，將管道上卷至滾筒，其過程如圖1（a）中步驟①所示。待滾筒儲滿管道后，鋪管船離開碼頭航行至預(yù)定的施工海域[10]。管道在張緊器和滾筒的配合下緩緩?fù)顺鰸L筒，如圖1（b）中步驟②所示；之后管道通過校準(zhǔn)器，此過程中管道的曲率被校準(zhǔn)器調(diào)整為相同曲率，如圖中步驟③所示；接著管道通過校直器，在校直器作用下，管道產(chǎn)生彎曲變形，方向與前一階段相反，如圖中步驟④所示。離開校直器后，管道發(fā)生彈性回彈，曲率變?yōu)?，在張緊器的作用下，將管道緩緩鋪設(shè)至海底，如圖中步驟⑤⑥所示[11]。

圖1 REEL型鋪設(shè)全部過程

如圖1所示，Reel型鋪設(shè)系統(tǒng)主要包括滾筒、校準(zhǔn)器、校直器、張緊器和鋪設(shè)塔。由于滾筒可以存儲多層管道，不同層的管道具有不同的曲率，為實(shí)現(xiàn)快速校直，校準(zhǔn)器將不同層管道的曲率調(diào)整為同一曲率。鋪設(shè)塔具有角度調(diào)整功能，根據(jù)鋪設(shè)水深和管道的不同，可調(diào)整管道的入水角度，減小張緊器張緊力的大小。

在整個管道鋪設(shè)作業(yè)中管道會發(fā)生數(shù)次變形，其曲率與彎矩之間的變化大致可被分為5個階段[12]，管道的曲率與彎矩的關(guān)系如圖2所示。

圖2 管道曲率和彎矩變化

1）管道上卷過程，管道在此過程中變形超過其彈性極限，發(fā)生非線性的塑性變形；

2）管道從退卷離開滾筒到進(jìn)入校直器之前，此過程中管道的曲率逐漸降低，產(chǎn)生反向的塑性變形；

3）管道通過校準(zhǔn)器，再一次發(fā)生彎曲和塑性變形；

4）管道通過校直器，曲率降低，發(fā)生反向彎曲；

圖3 上卷

5）經(jīng)過校直器后，管道的曲率至為0[13]。

Reel型管道鋪設(shè)的實(shí)質(zhì)即為：管道在經(jīng)過如上5次曲率變化之后，其橢圓度、直線度、脫方度以及其他力學(xué)性能能否達(dá)到相關(guān)規(guī)定的要求以實(shí)現(xiàn)在深海環(huán)境下安全穩(wěn)定的工作。

2.2 上卷分析

管道在卷管基地通過焊接連接在一起，通過一系列的輔助措施，將管道上卷至卷筒上面，在此階段中，管道受到很大彎矩，因此發(fā)生了巨大的塑性變形，為最危險的階段，因此，對管道上卷過程的分析極為重要。

由于管道需發(fā)生大幅度的彎曲才能被纏繞至滾筒上，在上卷過程需要由張緊器和絞車施加拉力，同時預(yù)彎器對管道進(jìn)行預(yù)彎[14]。

在對管道進(jìn)行預(yù)彎之后，管道在鋼絲繩的牽引下將會固定在卷筒上，此時，絞車停止工作，由卷筒提供拉力，將管道上卷至卷筒。上卷過程如圖3所示。

管道管頭在預(yù)彎時，三條履帶參與其中，兩根履帶夾持一端，第三條履帶作為壓點(diǎn)對管頭施加壓力，將管道管頭的彎曲曲率調(diào)整至與滾筒內(nèi)徑曲率一致。通過簡化得到了管道在預(yù)彎過程中的受力情況，如圖4所示。

圖4 預(yù)彎管道受力變形

圖5 管道預(yù)彎撓度

為了求得預(yù)彎的下壓量，通過彈塑性彎曲的普遍關(guān)系建立了如圖5的撓度模型。

按照圖5的撓曲狀態(tài)，由于初始狀態(tài)C0=0，即Cw=CΣ－C0=CΣ,所以在離開壓點(diǎn)x處的壓下曲率為Cx=CΣx,可以得到撓度為

因此整體撓度為

假設(shè)F為常數(shù)，那么彈性區(qū)的長度lt也是常數(shù)。在lt長度內(nèi)，CΣx函數(shù)變?yōu)榫€性函數(shù)，即CΣx=Mx/（EI）=Fx/（EI）；在塑性區(qū)內(nèi)Fx/Mt=Fx/Flt=x/lt，故

其中：n為分段數(shù)；n′為塑性段分段數(shù)；Cxi為各段總曲率；xi為各段到壓點(diǎn)的距離.。

Cx與x之間是高次函數(shù)關(guān)系，而且Mx=x/lt=），故可以寫出反函數(shù)關(guān)系式?？梢宰龀觯瓁曲線，可以將曲線的每段xi表達(dá)為。

圖6 4 in管道－x曲線

根據(jù)上述過程，分別對2～16 in管道進(jìn)行分析得到如表1所示的預(yù)彎下壓量。

表1 預(yù)彎下壓量

表2 卷筒內(nèi)徑尺寸

以X60、D/t=20為例，得到了2～16 in管道在彎曲情況下相關(guān)的理論計算參數(shù)，如表2所示。

2.3 校直分析

REEL型鋪設(shè)中，校直作為一個重要的環(huán)節(jié)，需要對其過程進(jìn)行詳細(xì)的研究。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，在校直時，主要把校直行程作為研究的對象，隨著校直的進(jìn)行，校直力的大小可能是變化的，并不穩(wěn)定。

在對校直過程進(jìn)行分析和計算之前，先做如下定義：

校直時，彈復(fù)曲率Cc=0，即Cf=Cw或Cw－Cf=0。總彎曲率CΣ=f（ξ），彈塑比又可以被寫成彈性彎矩的函數(shù)ξ=f（M ），于是=。通過校直方程式可以推導(dǎo)反彎撓度δΣ，假設(shè)校直管道的初始撓度為δ0，則總壓下量（即校直行程）δΣ=δ0+δw。

圖7 校直彎曲撓度

此式稱為矯直曲率方程。

所求出的反彎校直曲率Cw是與彈復(fù)曲率Cf相等的，故屬于彈性變形。因此反彎壓下的撓度也是屬于彈性撓度，根據(jù)材料力學(xué)的撓度計算公式可以求出校直下壓撓度，于是可以得到校直行程:

由于在現(xiàn)實(shí)情況中材料的性能與理想的彈塑性特性和線性強(qiáng)化特性不符，計算得到的結(jié)果和實(shí)際情況之間會存在一定的誤差。

當(dāng)c＜R1時，

將上述推導(dǎo)過程應(yīng)用在材料為X60，徑厚比20的不同管徑的管道中計算得出，隨著管徑的增加，校直下壓量越來越小。

3 試驗(yàn)方案研究

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

本試驗(yàn)的主要內(nèi)容意在脫離Reel型鋪設(shè)裝備的情況下，模擬Reel型海管在經(jīng)過上卷以及退卷等一系列過程中管道彎曲的力學(xué)狀態(tài)以及變形，其目的在于可以通過此套設(shè)備代替上卷以及退卷試驗(yàn)，為將來建造我國自主知識產(chǎn)權(quán)的Reel型鋪設(shè)相關(guān)設(shè)備提供理論依據(jù)及試驗(yàn)方法。應(yīng)用此套設(shè)備可以大幅降低試驗(yàn)安裝難度以及試驗(yàn)成本，也可對前期有關(guān)管道上卷以及校直進(jìn)行的理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。整套試驗(yàn)設(shè)備都以10 m長的單層管道為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，長約20 m，寬約15 m，考慮到更換管道及設(shè)備所需的預(yù)設(shè)空間，試驗(yàn)場地至少要達(dá)到40 m×20 m。其測試原理如圖8所示。

圖8 陸地試驗(yàn)方案原理圖

該試驗(yàn)采用模擬試驗(yàn)的方法，用兩個固定的支點(diǎn)、兩組施加力和力矩載荷的夾緊裝置和傳感器，通過改變各個變量進(jìn)行試驗(yàn)，可以有效地模擬管道在進(jìn)行Reel型鋪設(shè)時的實(shí)際彈塑性變形以及受力情況進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由圖9可以看出，管道中段被兩個弧形壓板夾持，液壓缸驅(qū)動滑塊在滑軌上運(yùn)動，即試驗(yàn)是通過固定管道兩端，并對管道中部施加一定的變形來對管道的彎曲性能進(jìn)行試驗(yàn)。其主要包括支撐整體結(jié)構(gòu)的底座、對管道施加載荷的弧形壓板、一組施加載荷的液壓缸、固定管道的法蘭、端部的支點(diǎn)以及支撐弧形壓板的滑軌。在設(shè)備上分別放有位移傳感器、力傳感器以及在管道上的應(yīng)變片分別對液壓缸行程、液壓缸推力以及管道應(yīng)力分布進(jìn)行實(shí)時測量。

其中底座作為整個試驗(yàn)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，需要承載所有設(shè)備的承重以及承受整個系統(tǒng)的內(nèi)力，在底座上分別設(shè)計有液壓缸固定位置、滑軌固定位置以及支點(diǎn)固定位置，其位置以及底座大小應(yīng)由管道長度以及選取的弧形壓板的大小決定。

弧形壓板是對管道施加載荷的直接接觸的設(shè)備，針對不同管徑可設(shè)計不同的弧形壓板?；⌒螇喊宸譃樯舷聝擅?，上部為彎曲弧，其弧面為管道的最小曲率半徑，當(dāng)管道完全貼合在彎曲弧弧面上時，即表示管道已上卷至滾筒；下部弧面為校直弧，管道與校直弧為直線接觸，用以模擬管道的校直過程中下壓履帶，其上直線段距離由履帶校直機(jī)構(gòu)中直線接觸距離決定。可根據(jù)不同管徑、材料以及試驗(yàn)?zāi)康母鼡Q不同的弧形壓板。

為了彌補(bǔ)試驗(yàn)時管道長度的問題，設(shè)計了管道端頭使管道在試驗(yàn)時保持兩端的張緊力，其中連接法蘭可根據(jù)不同管徑的管道進(jìn)行更換，左側(cè)機(jī)構(gòu)可隨著液壓缸推出行程自動調(diào)整角度，白色方柱亦可在兩個橡膠滾子中間進(jìn)行自由伸縮，以補(bǔ)償有與管道彎曲所造成的長度變化。

3.3 陸地試驗(yàn)方案

為了盡可能地模擬管道在經(jīng)過REEL型鋪設(shè)設(shè)備的實(shí)際情況，將陸地試驗(yàn)分為三個部分：

1）管道極限曲率測試試驗(yàn)。為驗(yàn)證有關(guān)管道上卷理論的正確性，提出了管道極限曲率測試試驗(yàn)方案?？刂埔簤和茥U向前推出，觀察管道應(yīng)變程度，直到管道完全貼合在弧形壓板上部弧形面，在管道相關(guān)參數(shù)符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的情況下更換弧形壓板，選取半徑更小的弧形截面重復(fù)上一步試驗(yàn)，直至管道發(fā)生屈曲，記錄此時弧形截面的曲率即為管道的極限曲率。

2）管道校直試驗(yàn)。為了驗(yàn)證前期有關(guān)管道退卷校直理論分析的正確性，提出了管道校直測試試驗(yàn)方案。將經(jīng)過管道極限彎曲試驗(yàn)的管道重新置于試驗(yàn)平臺，按照前期理論計算的下壓量，控制液壓缸到達(dá)指定位置，隨后復(fù)位并停機(jī)檢查管道，如果其橢圓度、直線度等數(shù)據(jù)符合要求，則證明下壓量符合要求；若不符合要求則重復(fù)上述過程，并記錄管道在經(jīng)過校直后最符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的下壓量值。

圖9 陸地試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3）管道反復(fù)彎曲試驗(yàn)方案。用于REEL型鋪設(shè)的海管在整個鋪設(shè)過程的實(shí)質(zhì)即為管道的反復(fù)彎曲能力，為了驗(yàn)證前期理論分析的正確性，提出了管道反復(fù)彎曲測試試驗(yàn)方案。通過控制液壓缸使管道反復(fù)達(dá)到極限位置，當(dāng)管道每次達(dá)到極限位置時，檢測管道情況，當(dāng)管道參數(shù)符合相關(guān)要求后進(jìn)行反向校直試驗(yàn)，直至管道出現(xiàn)屈曲或其變形程度已不符合要求，并記錄試驗(yàn)次數(shù)。

4 結(jié)論

1）在對國外相關(guān)設(shè)備和技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，解析了REEL型鋪設(shè)的施工工藝，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了REEL型鋪設(shè)系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。提出以陸地彎曲校直試驗(yàn)驗(yàn)證管道及鋪設(shè)裝置適用性的方法,代替大量的海試工作,為國內(nèi)自主研發(fā)REEL系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

2）對上卷及退卷過程中涉及到的相關(guān)理論進(jìn)行了研究，對陸地模擬試驗(yàn)系統(tǒng)方案進(jìn)行了設(shè)計，并針對4～16 in管道對試驗(yàn)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。