海底管道J形鋪設張緊器的張緊力計算分析

王晶，楊啟，陳新權，丁金鴻

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

海底管道J形鋪設張緊器的張緊力計算分析

王晶，楊啟，陳新權，丁金鴻

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

對海底管道建立微段和整體的力學模型，通過MATLAB編程求解頂部張緊器應提供給管道的張緊力。對比編程計算和Abaquas數值模擬結果，驗證編程求解代替軟件模擬計算的可行性和便捷性。探討海域水深、管道入水角度、管重對張緊力的影響，結果表明，增加鋪設水深和單位長度管重，所需張緊力增加;而增加鋪設角度，所需張緊力相應減小。

海洋油氣;海底管道;J形鋪管;海水深度;鋪設角度;單位管重

隨著陸地油氣資源日益枯竭，海洋油氣工業的發展已經成為了地球油氣開發的必然趨勢。海上油氣田開采出的油氣大多是通過管道輸送至水面或直接輸至陸地，深水油氣開發大量采用水下作業系統，海洋管道鋪設作業越來越多，重要性日益突出。

海底管道鋪設常用的方法有“S”形、“J形”和卷筒式。S形和J形因其鋪設過程中管道的形狀而得名。S形鋪管方式中管道沿著托管架離開鋪管船，上段呈現出上凸的形狀，在中間轉折點之后呈現出下凸的形狀，整個管道受力較為復雜，鋪設完成后管道內部有較危險的殘余應力。J形鋪管方式中管道從鋪設塔以幾近垂直的角度離開船體進入海洋，整根管道在海洋中呈現出J形［1］。卷筒式鋪管，也稱Reel鋪管方式，這種鋪管方式是柔性管鋪設方法的拓展，工程中首先將管線在陸地上完成管線接長并纏繞在卷筒上，然后在海上展開鋪入海底，這種方式由于管線發生塑性變形而有較大損傷［2］。在現在鋪管工程中S形主要用于淺水，而J形則主要用于深水和超深水的海底管道鋪設。隨著海洋油氣開發向深海邁進，J形鋪管的應用越來越普遍。J形鋪管方式見圖1。

圖1 J形鋪管方式示意

國內外學者對于J形鋪設過程中管道形態控制及力學模型的研究［3-7］重點均集中于管道，對于保證管道正常鋪設所需頂端張緊力的計算研究很少。

在實際工程中，確定鋪管船在工作海域內作業時所需的頂部張力，是設計鋪管船張緊器的一個重要前提。為此，構建一種管線鋪設張緊力的計算方法，該方法將管道簡化成一根懸鏈線，推導張緊力的計算模型，編程實現模型的求解。

1 J型鋪管方式管道力學模型的建立

在管道分析過程中，做如下假設。

1)在管道靜態分析中，假設船靜止不動，即船的運動對管道的影響在文中不予考慮。船對管道的作用即為張緊器對管線的作用力。

2)管道鋪設過程被認為是一個平面過程。

3)洋流速度在管道鋪設平面內，沿水平方向。

4)對于懸掛段而言，由于水深和船吃水相比足夠大，因此假設管道是柔性的，即不承受彎矩。

1．1 微段力學模型

管道從觸底點分為兩段:一段放置在海床上;另一段懸置于海水中，稱為懸掛段。以懸掛段為研究對象，懸掛段上一長度為dl的微分管單元受到重力、浮力、外部水動力載荷和兩端管道內部張力。其受力情況見圖2。

圖2 微分管單元的受力情況

ω為單位長度管道的重力和浮力的合力:

式中:Fn，Ft——徑向和切向的水動力載荷，采用半經驗的Morison公式得到，即

式中:ρW、ρP——海水密度和管道密度;

Cn、Ct——徑向和切向的水動力系數，Cn取決于雷諾數、管道粗糙度等眾多因素;

D1、D2——管道的外徑和內徑;

v——微管處的洋流速度;

θ——管道與水平方向夾角;

g——重力加速度。

對于該微管道，水平方向和豎直方向受到的力處于平衡狀態，彎矩也處于平衡狀態。因此有

由假設4)可以有dM=0，式(6)可以簡化為

忽略管道的軸向變形和剪切變形，將微管道簡化成直管道，得到如下幾何關系。

1．2 整體力學模型

對于整根懸掛段，將船上張緊器對管道的作用簡化成一個張緊力FT、一個剪切力FQ、一個彎矩M。管道是柔性的，因此

FQ=0，M=0(10)

對整根管道，建立如圖3所示的坐標軸，將管道離散為沒有曲率的細小單元m段，使得每一段在y方向有相同的長度dy。則有

式中:h——海水深度。

圖3 整根懸掛段的離散情況

單元節點從與海平面接觸點到觸底點依次編號1～(m+1)。任意一小段i(i+1)(i=1，2， ，m)，擁有兩個節點，節點編號為i和(i+1)，節點i處受到上部管子的水平張力和豎直張力分別為FVi和FHi，節點(i+1)處受到下部管子的水平張力和豎直張力分別為FV(i+1)和FH(i+1)。該細小單元滿足微段力學方程(1)～(9)，式中:dFV= FV(i+1)－FVi，dFH=FH(i+1)－FHi。

2 管道力學模型求解

對于每個節點，應滿足張力在豎直方向上的分力始終向上，即FVi≥0。使得所有點的FV都大于0的最小頂部張力，即為所需的張緊力。根據這一思路編程求解得到所需最小張緊力，具體的編程流程見圖4。該編程過程可以循序推導得到懸掛段各點的相對位置參數，從而確定管線的形狀。

圖4 懸掛管道分析流程

3 結果對比分析

工程中確定頂部張緊力大多是通過專業的管道計算軟件(如OFFPIPE、OrcaFlex、ABAQUS等)建模計算，將文中求解方法的計算結果與文獻［7］中給出的ABAQUAS軟件數值計算結果進行對比。

管道和環境參數選取見表1。

表1 管道和環境參數

將水深固定在3 000 m，取入水角度為70°、75°、80°、85°，計算的張緊力結果對比見表2。

將入水角度固定在80°，取水深為1 500、2 000、2 500、3 000 m，計算的張緊力結果對比見表3。

以上對比顯示，編程計算結果和ABAQUS建模計算結果極為接近，其差異在2‰以內。可見通過管道模型求解頂部張緊力這種方法具有一定的準確性。

表2 水深3 000 m時不同鋪設角度下的張緊力

表3 鋪設角度為80°時，各種不同海水深度下的張緊力

傳統的利用軟件測算需要技術人員對于這些數值計算軟件的使用具有一定的基礎，并且因為模型的完整性，需要對各種參數(如海床剛度等)都有較為準確的了解，要求比較高。而文中給出的利用管道模型求解的方法比較簡單快捷，對相關計算人員要求相對較低，計算結果也比較準確，因此可以代替軟件在工程上得到應用。

4 影響張緊力的關鍵參數分析

在J形鋪管船鋪管過程中因環境因素不同、選取的設備參數不同和需鋪設管道的大小差異，所需張緊器的張緊力都會有所差異，從上述計算張緊力的過程可以知道影響張緊力的因素有:鋪管海域水深、管道鋪設角度、單位長度管重(凈重)和洋流速度等。由于海洋中洋流速度較小，洋流速度對張緊力的影響不明顯，因此不作為影響張緊力的關鍵因素考慮。

4．1 鋪管海域水深

海水深度和鋪設時所需的管道總長度是對應的，海水越深，鋪設時管道越長，管道自重也就越大。管道和環境參數見表4，選取鋪設角度為60°、70°、80°、90°，對于每個角度，分析不同的鋪管海域深度(200、400、600、 、3 000 m)下所需張緊力，見圖5。

結果分析如下。

1)在相同的鋪設角度下，所需的張緊力隨海洋深度的增加而增加，張緊力的增加幅度與水深的增加幅度呈現近似線性關系;

表4 管道和環境參數

圖5 固定鋪設角度，各種海水深度下的張緊力

2)大鋪設角度下，張緊力隨海水深度增加的幅度不及小鋪設角度下明顯。

4．2 鋪設角度

深水J形鋪設角度是影響整根管道各個點的角度分布的一個重要因素，對整根管道的受力狀況和臨界狀態的選擇有重大影響。管道和環境參數見表4，選取鋪設海域深度為1 000、2 000、3 000 m，對于每個深度，選擇各種不同鋪管角度(60°、62°、64°、 、90°)進行分析，見圖6。

圖6 固定海水深度，各種鋪設角度下的張緊力

結果分析如下。

1)在相同的海洋深度下，隨著鋪設角度增加，所需張緊力逐漸減小。

2)隨著鋪設水深的增加，鋪設角度對所需張緊力的影響越來越明顯。

4．3 單位長度的凈管重

管道的凈管重是海水密度、管道密度、管道內外徑的函數，因此凈管重對張緊力的影響融合了多個因素對張緊力的影響。在固定的海水深度(1 000、2 000、3 000 m)和鋪設角度下(60°、70°、80°、90°)選取不同的管道外徑，即0.2 m、0.3 m、 、0.7 m，通過這種方法來改變單位長度的管道凈重(其他管道和環境參數見表4)，分析所需張緊力的變化，見圖7、圖8。

圖7 固定入水角度時各海水深度下張緊力隨單位長度管重的變化

分析結果表明:

在相同的海水深度和相同的鋪設角度下，所需的張緊力隨單位長度管重的增加而增加，張緊力增加的幅度和單位管重增加的幅度呈現一種近似線性的關系。

在相同的鋪設角度下，海水深度越大，張緊力隨單位管重的增加幅度越大。

在相同的海水深度下，鋪設角度越大，張緊力隨單位管重的增加幅度越小。

5 結論

所構建的海底管道J形鋪管方式頂部張緊器的張緊力計算方法簡單快捷，具有很高的準確性，且對操作人員的專業技術水平要求相對較低，可直接在工程上得到應用。

隨鋪管水深和管道自重增加，頂部張緊力增加，并且這種增加近似呈現出線性關系，因此在同樣的鋪設角度下，由已知水深和管重下的張緊力可預估其他水深和管重下的張緊力，對鋪管工程中快速確定張緊器功率有一定的借鑒意義。并且隨管道入水角度增加，頂部張緊力減小，因此在張緊器能力不足時，可調整管道下放角度，對張緊力進行微調，保證張緊器始終在安全范圍內工作。

另外，文中是基于船靜止的假設對管道的靜態分析，而在實際施工過程中，鋪管船在海面上受到風浪流的聯合作用會有一定的運動。這些運動(尤其是升沉和縱搖)會對張緊器的張緊力有一定的影響，后續工作應圍繞這一點進行深入研究。

［1］羅超，王琮，毛建輝，等.深水半潛式起重船J-Lay系統布置研究［J］.船舶，2011，22(5):5-9.

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Tension Analysis of the Tensioner for J-method Pipe-laying

WANG Jing，YANG Qi，CHEN Xin-quan，DING Jin-hong
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，School of Naval Architecture，Ocean＆Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The mechanical models of the segment and the whole submarine pipeline are established to calculate the tension at the top of tensioner by a Matlab software.Compare the numerical results with those obtained by simulations in Abaquas，showing that the simplified method is reasonable.The influence of sea depth，pipe-laying angle and pipe weight upon the tension is studied.As shown from the research results:the tension needed will become larger if the sea depth is larger or if unit pipe weight is heavier;if the laying angle is larger，the tension will be smaller.

offshore oil and gas;submarine pipeline;J-lay method;sea depth;pipe-laying angle;unit pipe weight

U178

A

1671-7953(2015)02-0120-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.031

2014-09-23

修回日期:2014-10-11

工信部高技術船舶科技計劃支助項目(工信部聯裝［2012］539號)

王晶(1989-)，女，碩士生

研究方向:J型鋪管船及海底管道分析

E-mail:jingwang_sjtu2008@163.com