湯 珂，李 斌，高慶有，樊 鶴，郭 薇，倪明晨

(1.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引 言

管道終端(Pipeline End Termination，PLET)作為常見的水下生產(chǎn)系統(tǒng)組成部分已進(jìn)行大量安裝與應(yīng)用。目前，PLET安裝方案主要分為在線安裝和舷側(cè)安裝兩種。在線安裝隨海底管道敷設(shè)進(jìn)行，效率較高，但有尺寸和適用水深的限制[1-4]。舷側(cè)安裝則已成為PLET深水安裝的主要方案。小型分體式結(jié)構(gòu)的PLET隨單層海底管道安裝方式已在流花和陵水等項(xiàng)目中多次應(yīng)用[5-7]，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。為滿足特定油田工藝的保溫要求和沙坡區(qū)地質(zhì)要求，研發(fā)帶防沉板的整體式PLET隨雙層海底管道安裝方式。本文從安裝分析方面研究計(jì)算分析模型及參數(shù)，并通過計(jì)算分析總結(jié)雙層整體式PLET安裝的關(guān)鍵點(diǎn)，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 概 述

1.1 雙層整體式PLET

雙層整體式PLET的雙層指PLET連接的海底管道是雙層管，整體式指PLET本體與防沉板設(shè)計(jì)成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)形式。某項(xiàng)目的雙層整體式PLET如圖1所示，相應(yīng)參數(shù)如表1所示。

圖1 雙層整體式PLET示例

表1 某項(xiàng)目PLET主要參數(shù)

1.2 PLET舷側(cè)安裝主要過程

PLET舷側(cè)安裝主要依靠一套舷側(cè)下放系統(tǒng)(PLET Launching System，PLS)，按照海底管道回收、海底管道懸掛和PLET下放等3個(gè)階段[7-9]的先后順序進(jìn)行過程安裝。在PLET舷側(cè)安裝之前先通過S形鋪設(shè)方法鋪設(shè)海底管道，海底管道的管端安裝J-collar和拖拉頭(pull head)用于回收，通過A &R(Abandon and Recovery wire)纜回收海底管道至舷側(cè)的懸掛裝置(hang-off clamp)固定并完成與PLET的組對(duì)焊接，最后用A &R纜連接PLET并完成入水下放。國(guó)內(nèi)深水鋪管船海洋石油201船左舷裝備一套舷側(cè)下放系統(tǒng)，原理示例如圖2所示，本研究基于該船及其下放系統(tǒng)進(jìn)行。

圖2 PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)示例

1.3 PLET舷側(cè)安裝分析模型

舷側(cè)安裝分析設(shè)計(jì)基于海洋工程結(jié)構(gòu)有限元軟件OrcaFlex軟件，根據(jù)安裝船、海底管道、PLET和環(huán)境參數(shù)建立海底管道回收、海底管道懸掛和PLET下放的計(jì)算分析模型，對(duì)管道及輔助設(shè)備的能力進(jìn)行校核，給出安裝設(shè)計(jì)參數(shù)如海底管道懸掛角度、船位、A &R纜的張力和長(zhǎng)度、安裝天氣窗口等。PLET模型使用6D buoy進(jìn)行模擬。動(dòng)態(tài)計(jì)算的安裝船運(yùn)動(dòng)使用規(guī)則波和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定環(huán)境條件為橫浪、有義周期為10 s、有義波高為2.5 m組合的關(guān)鍵工況，不考慮海流。海底管道懸掛和PLET下放模型如圖3和圖4所示。

圖3 海底管道懸掛模型

圖4 PLET下放過程模型

2 雙層管舷側(cè)懸掛分析

2.1 雙層管建模分析方法

雙層管管節(jié)如圖5所示。雙層管建模方法分為等效單層管模型和內(nèi)外管分別建模的雙層管模型。

(1) 等效單層管模型。假設(shè)內(nèi)外管為一個(gè)整體，等效單層管模型的干重、濕重、軸向剛度、彎曲剛度與雙層管相同，水動(dòng)力參數(shù)與外管相同。軟件不能直接計(jì)算內(nèi)外管的載荷和校核結(jié)果。在使用載荷組合工況校核時(shí)，內(nèi)管承擔(dān)的張力和彎矩分別為內(nèi)管占雙層管整體截面積比例的張力和內(nèi)管占雙層管整體彎曲剛度比例的彎矩，外管承擔(dān)張力和彎矩分別為雙層管整體最大張力和外管占雙層管整體彎曲剛度比例的彎矩[10]，再按照各自參數(shù)進(jìn)行規(guī)范校核。這種建模方法便于軟件快速計(jì)算，舷側(cè)安裝分析適用性有待于進(jìn)一步評(píng)估。

圖5 雙層管管節(jié)

(2) 雙層管模型?？赏ㄟ^OrcaFlex軟件的line單元及Line contact建立雙層管模型[11]。需定義內(nèi)外管位置關(guān)系、接觸關(guān)系和位置(Penetrator)、接觸面積、剛度和摩擦因數(shù)(根據(jù)設(shè)計(jì)還可定義錨固件bulkhead，即雙層管段的內(nèi)外管剛性連接件)。外管主要載荷為重力、浮力和水動(dòng)力，內(nèi)管主要載荷為重力，不受浮力和水動(dòng)力載荷影響。外管可設(shè)置成Splined line，內(nèi)管用Penetrating line，內(nèi)管通過Penetrator傳遞接觸載荷(具有剛度和摩擦屬性，能傳遞內(nèi)外管徑向載荷和軸向摩擦力，忽略重量)，如圖6所示[11]，內(nèi)外管除J-collar和bulkhead處外其他地方無軸向約束。J-collar和bulkhead通過內(nèi)外管施加固定約束實(shí)現(xiàn)。軟件可分別計(jì)算內(nèi)外管的運(yùn)動(dòng)、載荷和校核結(jié)果。這種方法符合實(shí)際，還能預(yù)測(cè)內(nèi)外管之間的相互作用載荷，同時(shí)方便直接用軟件進(jìn)行規(guī)范校核，但也存在建模更復(fù)雜、收斂和耗時(shí)方面的問題。

以某項(xiàng)目12英寸/18英寸(1英寸≈0.025 4 m)雙層管為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，管道參數(shù)如表2所示。分別用等效單層管模型和雙層管模型建立該雙層管的海底管道懸掛分析模型。等效單層管模型參數(shù)如表3所示。

用這2種雙層管建模方法分別建立舷側(cè)懸掛分析模型。水深約300 m。管道長(zhǎng)度相同，上端都固定約束于船舷相同位置和角度，下端錨固于海床。船和管道的布置相同。不考慮海流作用，分別計(jì)算并輸出外管的靜態(tài)應(yīng)力分布，如圖7所示。由圖7可知，等效單層管模型的靜態(tài)結(jié)果相對(duì)保守，靜態(tài)結(jié)果的最大值都在管道觸地點(diǎn)位置。

圖6 雙層管模型示例

表2 12英寸/18英寸雙層管參數(shù)

表3 等效單層管模型參數(shù)

圖7 海底管道懸掛靜態(tài)結(jié)果對(duì)比

使用相同的環(huán)境條件計(jì)算對(duì)比動(dòng)態(tài)結(jié)果，2種模型的管道動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布如圖8所示。由圖8可知，等效單層管的模型的動(dòng)態(tài)結(jié)果也相對(duì)保守，兩者動(dòng)態(tài)結(jié)果的最大值仍在管道觸地點(diǎn)位置，動(dòng)態(tài)懸掛點(diǎn)位置管道受力增加明顯，若有海流作用則會(huì)進(jìn)一步增加。

圖8 海底管道懸掛動(dòng)態(tài)結(jié)果對(duì)比

綜合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)果的對(duì)比，雙層管的懸掛分析使用等效單層管模型結(jié)果是保守的，前期設(shè)計(jì)可用以快速計(jì)算評(píng)估安裝可行性。

2.2 雙層管模型相關(guān)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響

雙層管模型的主要參數(shù)有與內(nèi)外管接觸相關(guān)的接觸剛度、接觸面積和接觸位置。此外，按照實(shí)際設(shè)計(jì)內(nèi)外管之間某些位置還會(huì)有錨固件，對(duì)計(jì)算結(jié)果也會(huì)有一定的影響。在雙層管模型的基礎(chǔ)上分別使用0.5、1.0、2.0和3.0倍接觸剛度，分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算分析其敏感性，外管動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布對(duì)比結(jié)果如圖9所示，可見接觸剛度對(duì)外管受力影響很小。此外，接觸面積也有相同的分析結(jié)果。

圖9 管道載荷的接觸剛度敏感性

還需考慮雙層管錨固件的影響，實(shí)際懸掛狀態(tài)的雙層管懸鏈線某一位置會(huì)設(shè)計(jì)錨固件。因此在雙層管模型的基礎(chǔ)上增加1個(gè)錨固件，即增加內(nèi)外管的固定約束，分別位于距懸掛位置100 m、200 m、400 m和600 m著泥點(diǎn)附近。分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算，外管的應(yīng)力分布如圖10所示。由圖10可知，錨固件以上的外管受力有小幅增加，受力危險(xiǎn)位置仍在觸地點(diǎn)區(qū)域。

圖10 管道載荷的錨固件位置敏感性

2.3 雙層管的內(nèi)外管接觸載荷

雙層管模型除了可計(jì)算并校核管道外，還可計(jì)算并提取內(nèi)外管的作用載荷，有助于對(duì)內(nèi)外管之間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核[12]。雙層管模型內(nèi)外管之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸載荷分布如圖11所示。由圖11可知，接觸載荷出現(xiàn)在設(shè)置接觸約束的位置，其中最大值位于觸地點(diǎn)區(qū)域。動(dòng)態(tài)接觸載荷增加不明顯，動(dòng)態(tài)最大值仍位于觸地點(diǎn)區(qū)域，使用該結(jié)果對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)一步校核。

圖11 內(nèi)外管靜態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸載荷

3 整體式PLET下放過程主要參數(shù)分析

整體式PLET由于帶防沉板，具有重量大、面積大的特點(diǎn)，在安裝過程中重心位置對(duì)連接管道的影響也更大。整體式PLET面積大，入水后由于受到更大的水動(dòng)力載荷，會(huì)對(duì)所連接的海底管道施加更大的載荷。在PLET下放過程中，PLET角度由近似豎直狀態(tài)逐漸變?yōu)榻扑綘顟B(tài)，直至最終著泥成為水平狀態(tài)。將PLET在波浪區(qū)和接近著泥作為2個(gè)關(guān)鍵工況對(duì)其重心位置和水動(dòng)力參數(shù)影響進(jìn)行研究。

3.1 重心位置

重心位置主要指重心在PLET長(zhǎng)度方向(或所連接管道軸線方向)的位置，通常在轉(zhuǎn)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)軸附近。以轉(zhuǎn)軸位置為原點(diǎn)，分別將0 m、±0.1 m和±0.2 m(靠近海底管道的方向?yàn)檎?等5個(gè)位置設(shè)置為重心，動(dòng)態(tài)計(jì)算得到2個(gè)關(guān)鍵工況的管道最大應(yīng)力結(jié)果分布，如圖12和圖13所示。重心靠近海底管道有利于緩解PLET在波浪區(qū)時(shí)的管道受力，而重心遠(yuǎn)離海底管道有利于緩解PLET在接近著泥時(shí)的管道受力，總的來說PLET接近著泥為控制工況，PLET重心位置設(shè)計(jì)盡可能偏向遠(yuǎn)離海底管道并在轉(zhuǎn)軸附近。

圖12 管道載荷的重心位置敏感性(波浪區(qū))

圖13 管道載荷的重心位置敏感性(接近著泥)

3.2 水動(dòng)力參數(shù)

整體式PLET的防沉板面積較大，對(duì)PLET水動(dòng)力因數(shù)中的垂向拖曳因數(shù)和垂向附加質(zhì)量因數(shù)影響很大。按照規(guī)范[12]，該P(yáng)LET的水動(dòng)力參數(shù)如表4 所示。分別對(duì)垂向拖曳因數(shù)和垂向附加質(zhì)量因數(shù)增加±10%和±20%，計(jì)算PLET在波浪區(qū)和接近著泥時(shí)管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)敏感性。主要受影響的是PLET在接近著泥時(shí)的工況。由圖14和圖15可知，垂向拖曳因數(shù)和附加質(zhì)量因數(shù)增加會(huì)造成PLET連接管道的載荷增加，且垂向附加質(zhì)量因數(shù)的影響更明顯。

表4 PLET主要水動(dòng)力參數(shù)

圖14 管道載荷的垂向拖曳因數(shù)敏感性(接近著泥)

圖15 管道載荷的垂向附加質(zhì)量因數(shù)敏感性(接近著泥)

4 結(jié) 論

雙層整體式PLET舷側(cè)安裝懸掛分析的雙層管模型和等效單層管模型均適用，等效單層管模型可用于模型前期可行性研究。雙層管模型更精細(xì)，便于校核，能輸出內(nèi)外管接觸載荷，進(jìn)一步詳細(xì)的安裝設(shè)計(jì)建議使用雙層管模型。雙層管模型與接觸相關(guān)的接觸剛度、接觸面積、錨固件位置等對(duì)管道載荷影響較小，內(nèi)外管接觸載荷最大位置在觸地點(diǎn)位置附近。隨著雙層管應(yīng)用水深進(jìn)一步增加，相關(guān)參數(shù)影響和安裝過程的接觸載荷會(huì)變大，有待進(jìn)一步研究。

整體式PLET重量大、面積大，重心位置尤其是水動(dòng)力參數(shù)的垂向附加質(zhì)量因數(shù)對(duì)安裝過程中管道的載荷影響較大，在安裝設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)關(guān)注，同時(shí)也可以作為PLET結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考。