深水海底管道鋪設托管架模型試驗研究

伊才穎，王 琮，趙冬巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

隨著海洋石油開發不斷向深海發展，對海底管道鋪設深度的需求也不斷增加，S型鋪管法因其鋪設效率高已成為目前深水海底管道鋪設中最常用的方法之一［1］。對S型管道鋪設分析，已有的研究成果主要是針對海底懸鏈線進行分析［2-3］、基于Newton法的有限差分法求解管道鋪設微分方程［4］，以及考慮海底為彈性地基時的有限元分析［5］；實驗方面，分別為水池模型實驗［6］與管線鋪設的干式實驗［7］。

由船—托管架—管線組成的大系統共同完成鋪設作業，托管架在這一系統中起到了關鍵性的作用。由于深水托管架結構及運動形態的復雜性和特殊性，無法進行準確的數值模擬，使托管架的設計與分析有許多不確定因素。探索深水托管架物理模型試驗是研究其結構機理、機構運動響應載荷分布效果的重要手段之一。

我國深水鋪管船托管架的設計理論、設計方法還不完善。不論是面向管線結構，還是面向托管架本身結構的設計與分析都有許多不確定的因素。當前，國外深水托管架設計主要是采用數值分析的方法。由于托管架結構所受載荷的復雜性、不確定性，數值分析手段只能在一定程度上預測管線與托管架的力學行為。因此，為保證已建系統的可靠運行，國外深水托管架系統均配備了復雜的監測系統，其主要目的是確保鋪設過程中上彎段管線安全與托管架的安全，同時也說明了托管架設計中存在的不確定性。托管架模型實驗可以很好地模擬托管架子結構—管線系統，并較為精確地模擬結構的邊界條件以及托管架在水中所受的靜力、動力荷載。通過系統地研究托管架在鋪設過程的力學行為，最終為托管架科學設計、鋪設狀態分析及鋪設監測系統的設計與應用提供十分有價值的信息。

1 試驗原理

相似規律是模型試驗設計的關鍵問題，直接關系到是否能將試驗中測得的數據返回到原型當中。半實物仿真系統的試驗原理不同于流體力學中的相似理論。在流體力學相似理論中，模型和原型的2個系統需要滿足幾何相似、運動相似、動力相似3個相似條件。在托管架半實物仿真試驗系統中，通過運動臺模擬船體的運動，主要模擬在鋪管船運動情況下托管架與管道相互作用力的變化情況，滿足所有性質的力學相似（即完全相似）是不可能的，也是沒有必要的。試驗中根據需要，選擇重力相似規律，以滿足系統中的主要控制荷載，這在相似理論中也稱作部分相似［8］。重力相似率主要考慮慣性力與重力的影響。

式中：ρ為原型密度；ρm為模型密度；λ為幾何比尺；λt為時間比尺；λF為力的比尺。在運動臺控制中，需要使用位移比尺將船體運動的幅度進行縮比，使用時間比尺將船體的運動周期進行縮小從而得到運動臺的控制曲線。試驗測試中將測得的托輥與管道之間的作用力按照力的比尺即可還原到原型中。

2 試驗設計

由于深水托管架結構的復雜性和特殊性，無法進行準確的數值模擬，使用傳統水池試驗方法由于比尺太小也無法將試驗結果準確還原到原型中。本文根據半實物仿真的試驗方法設計托管架模型試驗原理樣機。對于托管架模型半實物仿真試驗系統，通過計算機建立鋪管船運動的數學模型，輸出信號驅動運動臺運動，同時建立托管架與管道組成的S型海底管道鋪設系統的物理模型，以模擬真實的海底管道鋪設過程，研究管道與托管架相互作用的力學行為。基于半實物仿真試驗方法進行托管架/管道相互作用研究試驗系統設計，其主要試驗系統包括托管架模型結構、運動臺結構、控制系統、管道/斜面及配重系統及數據采集系統。

采取比例尺λ=20的中尺度模型進行實驗。實際鋪管作業中，托輥箱及其托輥與托管架鉸接，僅傳遞托管架管道壓力，實驗模型中重點對管道鋪設影響最大的參數進行縮比，包括托輥整體尺寸（長度）、托輥間距及高度變化范圍。從動力學角度考慮，托管架縮尺模型考慮總尺度相似、質量相似、排水體積相似。同時對托管架A-frame懸吊系統、主鉸連接系統、Roller等關鍵部位進行相似模擬，并使關鍵部位的受力方式與原型相同。圖1、圖2分別為模型結構整體視圖和橫截面視圖。

圖1 托管架模型結構圖Fig.1 Structure of stinger model

圖2 托管架模型橫截面視圖Fig.2 Cross section of stinger model

托管架模型由三節組成，總長4.25 m，模型參數列于表1。托管架與管道的相互作用力由托輥傳遞，原型中12 in管道（323.9 mm×38.1 mm），按照比尺進行縮比后采用16 mm×2 mm的不銹鋼管模擬。本實驗只模擬鋪設在托管架上的管道，在截斷點之后管道的質量采用質量滑塊模擬。通過對相應鋪設工況下的管道線型進行分析，確定在管道截斷點處的脫離角度以及配重質量。本文主要考慮在2 000 m水深情況下，針對12 in管道鋪設時靜力和動力2種試驗工況。靜力試驗將管道安裝在托管架上，施加配重荷載并直接測量托管架與管道的作用力；動力試驗施加配重荷載并利用作動器驅動振動臺模擬船體運動，測量托管架與管道的作用力。

表1 托管架模型參數Tab.1 Parameters of stinger model

2.1 靜力工況

調節托管架構型及托輥高度使管道形狀接近2 000 m水深及12 in管道的鋪設工況，在管道下端施加相應的配重荷載，直接測量托輥荷載。表2給出了托輥荷載的試驗值、還原值及原型值的對比。對比數值計算的結果和實驗結果可知，數值計算結果稍大，最大誤差在25%以內，但基本趨勢一致。產生誤差的原因可能是：（1）原型計算采用的是剛性托管架，得出的載荷在實際管道鋪設中是很難保證的，而模型實驗采用的是彈性托管架；（2）托輥的高度對于托輥力的分布起決定性的作用，模型實驗中很難保證所有托輥在同一個圓弧上；（3）在模型實驗中，管道與托管架的接觸并不光滑，因摩擦等原因，使實驗結果較小。

表2 托輥載荷Tab.2 Roller loads

2.2 動力工況

動力試驗工況指托管架在自重、浮力、水動力、管道荷載及船體運動情況下進行的模型實驗。由于鋪管船在不同來浪方向下的運動情況不同，試驗中分別對0°、45°、90°來浪方向下的鋪管工況進行模擬，各種工況分別對應不同的運動臺運動幅度及運動的頻率。表3列舉了15種荷載實驗工況。

托輥較靜力工況下有放大效應，但幅值變化整體幅度不一，第一個托輥變化最小，隨著遠離船體，托輥變化逐漸增大。同時，不同工況下，變化幅度有所區別：單一工況下，縱搖變化比升沉大；而耦合情況下，托輥荷載變化最大（圖3）。

表3 12 in管道動力試驗荷載組合Tab.3 Loading combinations of dynamic test

在動載試驗中托輥載荷較靜力工況下有放大效應，托輥變化如圖4所示。圖5～圖6分別給出了第2、5托輥在動載試驗下的荷載變化曲線。隨著管道鋪設工況越來越復雜，托輥載荷變化較大，同時沿管道鋪設方向，托輥載荷變化更大。因此，在設計托管架時，托輥載荷的計算尤為重要。在實際管道鋪設過程中，由于設計、安裝和操作與設計時選取的理想條件存在誤差，托輥載荷尤其是動載荷的變化難以控制和預測，因此管道鋪設托輥載荷的實時監測是必要的。

圖3 托輥載荷變化趨勢Fig.3 Change tendency of roller loads

圖4 動載試驗中托輥載荷變化Fig.4 Variation of roller loads in dynamic load test

圖5 動載下第2托輥的荷載變化曲線Fig.5 Variation curves of load for roller 2

圖6 動載下第5托輥的荷載變化曲線Fig.6 Variation curves of load for roller 5

表4列舉了試驗和分析得到的動力放大系數，可以看出動力情況下動力荷載的最大值約比靜力荷載大20%～30%，最小值也在20%～30%。

表4 托輥荷載動力系數Tab.4 Dynamic coefficient of roller loads

3 結論

對于S型海底管道鋪設系統中管道與托管架相互作用的半實物仿真試驗研究，實際測量了托輥的靜、動力荷載。將靜力荷載與數值計算結果進行了對比，吻合良好，也證明了S型海底管道鋪設系統半實物仿真試驗的可靠性。同時分析了船體運動對托輥動力荷載的影響，船體運動會使托輥荷載在20%～30%的范圍內成周期性震蕩，并且會使管道與托管架之間發生高頻的碰撞，造成管道局部應力的增加。

［1］王林.深海托管架概念設計要素研究［D］.大連：大連理工大學工程力學系，2007.

［2］Plunkett R.Static Bending Stresses in Catenaries and Drill Strings［J］.ASME Journal of Engineering for Industry，1967，89：31-36.

［3］Dixon D A，Rutledge D R.Stiffened Catenary Calculations in Pipeline Laying Problem［J］.Transaction of ASME，1968（2）：153-160.

［4］Dareing D W，Neathery R F.Marine Pipeline Analysis Based on Newton′s Method With an Arctic Application［J］.Journal of Engineering for Industry，1970（11）：827-833.

［5］Schmidt W F.Submarine Pipeline Analysis With an Elastic Foundation by the Finite Element Method［J］.Transactions of the ASME，1977（5）：480-484.

［6］Langner G.The Articulated Stinger：A New Tool for Laying Offshore Pipelines［J］.Offshore Technology Conference，1969（5）：1073.

［7］Brown R J，Palmer A.Developing Innovative Deep Water Pipeline Construction Techniques with Physical Models［J］.Transactions of the ASME，2007，129：56-60.

［8］楊建民，肖龍飛，盛振邦.海洋工程水動力學試驗研究［M］.上海：上海交通大學出版社，2008.