一種卷筒式鋪管法計算分析技術

馮現洪，王文亮，鄭 羽，房長帥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

一種卷筒式鋪管法計算分析技術

馮現洪，王文亮，鄭 羽，房長帥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

卷筒式鋪管法對于小管徑海底管道鋪設有著較大優勢，可將海上船舶焊接施工的工作量轉移至陸上完成。本文首先從鋪設工藝角度進行說明，然后對卷筒式鋪管的關鍵卷管計算進行理論分析和設計流程，最后重點針對南海深水項目的外輸管道采用Apache公司船舶作為目標船舶，采用理論方法和Pipelay軟件進行分析的計算模擬。通過計算模擬的過程，總結出卷筒式鋪管法的計算分析技術。

海底管道;卷筒式;卷筒校核;鋪管分析

0 引言

海底管道常用安裝方法包括S－lay(S型鋪管法）、J－lay(J型鋪管法）和reel-lay(卷筒式鋪管法）等，其中卷筒式鋪管法與其他2種方法相比，具有鋪管效率高、管道焊縫質量高和鋪管成本低的優點。卷筒法鋪管的特點是將海上焊接檢驗的工作轉移到陸上管廠的工作。由于陸上檢驗手段和方法較多，同時受環境因素影響較少，因此管道的焊接質量得到保證。

但由于現有技術及船體結構限制，目前卷筒鋪管船仍僅限于鋪設柔性管 (如電纜、控制纜等）和小直徑鋼管，其主要原因是鋼管纏繞在卷筒上后會產生彎曲應變。對于一定直徑的卷筒，纏繞鋼管的直徑越大，鋼管內產生的應變越大，而壁厚越薄，容許的應變越小，因此管道越容易產生塑性變形而破壞，或影響鋪設管道的質量，埋下安全隱患。

因此需要在設計階段重點關注管材的技術性能要求，保證卷筒法鋪設的各項指示滿足規范的要求。

本文首先對卷筒式鋪管法進行鋪設工藝介紹，然后介紹卷筒式鋪管法的計算分析技術及其理論，提出卷筒式鋪管技術的分析流程，最后通過南海某深水項目的具體實例，提出針對該項技術的幾個初步結論，以供我國未來深海技術發展的參考。

1 卷筒式鋪管法工藝

卷筒式鋪設法的鋪管工藝包括如下階段:

1）陸上管道預制階段

根據項目技術要求，需要制管廠嚴格控制管材的各項指標，特別是管道的尺寸要求及抗塑性要求，在陸上制管階段完成所有合管管材的生產。

2）陸上管道接長及入卷階段

將管廠生產的管材，利用管廠或碼頭的焊接站，將定長標準鋼管焊接成連續管道，并將連續管道纏繞到安裝在卷筒上。

3）整卷裝船階段

把每個卷筒的管道進行整裝處理，直接通過大型吊機吊裝至鋪管船上，并與鋪管船上的鋪管設備對接。

4）管道通過開卷、校直器、張緊器入海

將繞設在卷筒上的連續管道的鋪設端與管道張緊矯直機構相連;將該作業船行駛至指定鋪管海域并定位，利用卷筒驅動機構驅動卷筒轉動，形成開卷、校直，利用張緊器提供適當的張緊力，進行鋪管作業;在鋪設過程中實時監測管道情況。

為發揮卷筒鋪管方式的優勢，提升卷筒鋪管船鋪設大直徑薄壁鋼管的能力，最有效的方法是增加卷筒的直徑，即增加纏繞鋼管的彎曲半徑，從而降低鋼管的彎曲變形。但增加卷筒直徑將會導致卷筒重量急劇增加，使得在碼頭進行卷筒裝船作業以及鋪管船在海上鋪管作業過程中進行的卷筒更換作業都必須使用大型吊裝機械。而這類大型吊裝機械，尤其是海上大型吊裝船只租賃困難，且費用高昂，給卷筒的碼頭裝船作業及卷筒的海上更換作業帶來極大不便。另一方面，隨著卷筒直徑的增加，鋪管船重心隨之升高，穩性下降，降低了抗風浪能力，增大了海上鋪管作業的危險性。

2 卷筒式鋪設計算方法

2.1 船舶卷曲段計算方法

圖1為卷筒式鋪設法的卷曲段示意圖。結合鋪設過程，圖2為管道材料內部應力應變關系示意圖及過程。

鋪設步驟如下:

圖1 卷筒鋪設卷曲段示意圖Fig.1 Reeling section sketch diagram for reel laying

圖2 卷筒鋪設管道應力應變關系示意圖Fig.2 Relationship of stress and strain sketch diagram for reel laying

4）C，C'－D，D'－E，E':通過校直器過程。

下面為卷筒式鋪設法的卷曲段各階段的計算理論方法，其下垂段的理論方法與其他鋪設方法一致。過程如下:

1）入卷張力計算

管道在卷入在主卷筒時所需要的張力可通過下式進行計算:

式中:Mp為塑性彎矩，Mp=SMYS.Zp;R為管道的彎曲半徑。

2）卷管布置及能力校核

卷筒最大層數:

式中:Dreel為卷筒邊緣直徑;Dhub為卷筒輪轂直徑;Dptot為管道總外徑 (含涂層）。

卷筒單層最大道數:

式中wreel為卷筒寬度。

一般應根據單卷最大能力及管道的長度進行分卷，單卷的長度可通過如下公式求取:

通過選取合適的層數nw，保證實際單卷重量小于單卷能力。

3）主卷筒和調整支架管道校核

主卷筒應變通過如下計算求取:

通過SY/T 10037－2010對局部屈曲的如下應變控制校核準則進行局部屈曲校核:

相關參數的解釋見SY/T 10037－2010規范。

除需要進行局部屈曲校核外，還應控制管道內部橢圓度的增加是否滿足要求，其中由彎曲應變引起的橢圓度可通過如下公式求取:

根據SY/T 10037－2010最終的橢圓度應控制在3%內。

2.2 船舶卷曲段計算方法

鋪管過程中海管由于屬于細長桿件，其抗彎剛度可以忽略的情況下，自由懸鏈線如圖3所示。

圖3 懸鏈線理論示意圖Fig.3 Catenary theory sketch diagram

在公式中 y是 R，x，α，w的函數，即 y=f(R，x，α，w）。已知R，x，α，w就可以求得水深y。而實際上船舶拋錨時，通常設置有足夠長度的錨鏈，以便有一段躺底錨鏈，使錨不產生上拔力，這樣，α=0;而如果又選定了錨鏈，則每米鏈重w也為常量;又如果作用在船上的外力R也已求得，這樣，公式y=f(R，x，A，w）就可寫成y=f1(x）。但是船在某水域拋錨，則水深y反而是已知的。所以往往要從y來求x。顯然，從公式y=f1(x）要推導出它的反函數x=f2(y）來求x很困難，只能用不同的x值代入公式計算y，當計算得到的y恰好等于水深h時，x就是要求的值。可以利用軟件或編制某計算程序，由計算機完成。求得x后，再按以下公式求懸鏈長。

通過以上公式可求得懸鏈線的各參數。

2.3 計算分析流程

根據以上原理，卷筒式鋪管法的設計流程如圖4所示。

圖4 卷筒式鋪管法分析流程Fig.4 Reel laying analysis flow chat

4 算例

4.1 項目介紹

本文以南海某深水項目為例，應用深水海底管道卷筒式鋪管安裝分析技術。該項目作為水下回接系統的一部分，1條6″海底管道從淺水中心平臺(約200 m）水下生產系統 (約1 500 m）輸送至水下生產系統 (約1 500 m），考慮采用卷筒式鋪管法進行6″外輸管道的鋪設，鋪設船舶假設考慮為Technip公司的ApacheⅡ。

4.2 基礎數據

1）海管信息

本文分析的6″管道結構為單層管，截面示意如圖5所示。

圖5 管道剖面示意圖Fig.5 Pipe cross section sketch diagram

海底管道主要參數如表1所示。

表1 海管參數Tab.1 Subsea pipeline parameters

2）環境數據

根據外輸海管水深路由圖，考慮的安裝分析計算水深為200～1 500 m。

根據項目設計基礎，一年一遇波浪的波高考慮為8.6 m，波周期考慮為12.2 s。根據船舶運行性能通過鋪設分析應考慮船舶許用的作業環境條件。

3）船舶參數

本文卷筒式鋪設分析船舶擬采用Technip公司的Apache II船舶，用于6″管道的全程鋪設。

圖6 Technip的ApacheⅡ船Fig.6 ApacheⅡof technip vessel

表2為ApacheⅡ的船舶主尺度參數。表3為船舶卷管鋪設能力描述。

表2 船舶主尺度Tab.2 Main dimension of vessel

表3 船舶卷管鋪設能力Tab.3 Reeling capacity of vessel

4.3 分析考慮

1）工況

分析過程考慮從最淺水深直至最深水深，即200～1 500 m，考慮如下水深系列:200 m，400 m，800 m，1 000 m，1 200 m，1 400 m，1 500 m。

分析過程考慮正常鋪管的靜態分析，分析工況如表4所示。

表4 分析工況Tab.4 Analysis cases

2）分析目標

確定適合的傾斜平臺角度;最終的張力滿足船舶要求，最大張緊力需要在180 t范圍內;管道在正常鋪設下管道的受力滿足要求，最大點 (下彎段）滿足小于72%*最小屈服強度 (靜態工況）。

4.4 軟件

本文將使用Pipelay軟件進行分析。Pipelay軟件為MCSKenny公司開發的專業鋪管軟件，界面友好，其分析引擎包含靜動態分析、多步驟分析、先進的接觸單位、靈活的托管架定義、兼容特殊結構形式 (如雙層管和子母管）、不同海床定義、疲勞分析和先進的后處理功能等。從工程的角度看，該軟件作為專業的鋪管軟件，集成了鋪管過程中遇到的各種問題，國際一些大型工程公司 (如ALLSEAS、TECHNIP和SAIPEM等）正在使用。分析的模型如圖7所示。

圖7 鋪設分析模型 (工況200ES）Fig.7 Laying analysismodel(Case 200ES）

4.5 分析結果

4.5.1 船舶卷曲段結果

1）入卷張力計算。最里層的入卷張力為16.6 kN;卷管過程中應嚴格控制入卷張力，保證管道的最小入卷張力。

2）卷管布置及能力校核。單卷層數17.5層;每層的道數37道;單卷總長度39.8 km;單卷總重量1994 t;需要卷數2卷筒。

3）主卷筒管道校核。彎曲應應為1.02%;校核系數 UCa=0.47，UCb=0.508，滿足SY/T 10037－2010規范要求;最終橢圓度1.487%，滿足SY/T 10037－2010規范要求

4）調整支架管道校核。彎曲應應為1.666%;校核系數 UCa=0.715，UCb=0.733，滿足 SY/T 10037－2010規范要求;最終橢圓度2.3%，滿足SY/T 10037－2010規范要求

4.5.2 下垂段分析受力結果

使用Pipelay軟件對表5中各種工況及管道受力進行分析。

表5 下垂段分析結果Tab.5 Analysis result of suspend section

以上各個工況均滿足要求。

5 結語

通過上面就卷筒式鋪管法計算分析技術探討，可得出如下結論:

1）依據計算結果，選用的卷筒式船的各項性能滿足要求，管道的鋪設受力分析滿足規范要求;

2）下垂段鋪設法的原理與懸鏈線理論相當，可通過懸鏈線理論預測管道的總體布置;

3）在進行實際生產項目過程中，基礎數據應完善，如海床土壤情況應重點關注;

4）下垂段位于觸泥點附近的管道為應力值最大處，應在鋪設過程中重點監控觸泥點的情況;

5）卷筒式鋪管法對管道的技術性能要求較其它方法要求高，應在陸地制管及預制階段的各個環節嚴格監控，保證滿足技術規格書和規范要求。

本文提出一種卷筒式鋪管法計算分析方法，針對將來我國海洋石油深水項目的逐步開發，應重點加強對現有國際海洋工程主流卷筒式鋪管船的調研工作，并深入了解其安裝過程，為海底管道安裝設計及施工打下良好基礎。

［1］SY/T 10037－2010，海底管道系統［S］.SY/T 10037 －2010，Submarine pipeline system［S］.

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Calculation and analysis technology of reel-lay method for subsea pipeline laying

FENG Xian-hong，WANGWen-liang，ZHENG Yu，FANG Chang-shuai
(China Offshore Oil Engineering Co.，LTD，Tianjin 300451，China）

There aremany benefits for installing small dimension subsea pipelinewhen using reel-lay method.The feather of thismethod is that itwill transfers theweldingwork on vessel to onshore.Firstly this paper will introduce reel-lay process briefly，and then present analysis theory of the key calculation of reeling and the analysis design flow chart.Finally this paper will present a sample project of South China Sea using lay vessel Apache IIas the target vessel，which carries out the analysis using the theory method and Pipelay software.Based on the result of calculation，the paper concludes the calculation and analysis technology of reel-laymethod.

subsea pipeline;reel-lay;reeling check;laying analysis

U661.44

A

1672－7649(2014）04－0103－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.021

2013－12－26;

2014－03－03

國家科技重大專項“深水鋪管起重船及配套工程技術(十二五）”資助項目(2011ZX05027－002）

馮現洪(1979－），男，本科，工程師，主要從事海底管道設計工作。