深水J型鋪管系統塔架動態分析試驗研究

王 鷺

（沈陽航空航天大學，沈陽 110136）

深水J型鋪管系統塔架動態分析試驗研究

王 鷺

（沈陽航空航天大學，沈陽 110136）

J型鋪設是適用于深水管道鋪設的重要方法。塔架作為J型鋪設系統的關鍵部位，其結構性能尤為重要。本文通過建立塔架的三維力學分析模型，研究在復雜海況下J型鋪設系統塔架的動態響應。通過搭建深水J型鋪管系統模型試驗臺，對J型鋪設系統進行模型實驗研究，研究塔架的應力分布情況，對比數值模擬的結果。研究結果表明，波向角在0°～90°變化時，波向角越大，塔架的應力、應變越大，最大應力出現在底部桁架過渡位置。

J型鋪設 塔架 模態分析 瞬態分析

引言

隨著陸地油氣資源日趨枯竭，越來越多的國家把目光轉向了海洋。由于作業水深不斷增加，傳統的鋪設方法已不能滿足我國南海海底管道鋪設的要求。因此，S型和J型鋪設廣泛地被應用到深水管道鋪設工程中[1]。S型鋪設的托管架隨著水深而增長，使危險性提高[2]。為彌補S型鋪設的局限性，采用J型鋪設可以滿足其在南海3000米水深作業的要求[3]。塔架作為整個J型鋪設系統的主體，具有120多米的高度，串聯系統各個機構。它在惡劣海況中的動態響應，將直接影響鋪管船的穩定和鋪設作業的效果[4]。

1 船體運動特性

J型鋪設系統中，塔架的基座部分與鋪管船船體固定。在海洋環境中，復雜的風、浪、流綜合作用下，塔架隨著船體做六自由度運動。橫蕩、縱蕩和垂蕩對塔架影響相比于船體橫搖、縱搖和艏搖來說較小，因此重點分析船體搖擺運動。海浪的波向角是影響船體搖擺運動最重要的參數。為研究其對船體影響，將實際海況按波向角的不同分為六種工況，分別為波向角為0°、60°、90°、120°、150°和180°的情況。

2 J型鋪設系統在船體運動下的力學分析

2.1 塔架有限元模型的建立

J型鋪設系統的力學模型計算采用大型有限元分析軟件ANSYS進行，利用經典pipe 16單元進行模擬鋪設塔架桁架結構，三維厚度殼shell 63單元模擬鋪設塔架與船體連接處的支撐板結構，三維拉彎組合經典梁beam 189單元模擬角度調節器結構。建立塔架的有限元分析單元結構，如圖1所示。

圖1 J型鋪設系統的有限元分析模型

2.2 塔架的模態分析

塔架隨著船體做周期性運動，因此必須分析各工況下塔架的動態響應。提取塔架的前10階固有頻率，如表1所示。可見，J型鋪設系統塔架的最低階頻率遠高于波浪的頻率，無發生共振的危險。

表1 J型鋪設系統固有頻率

提取塔架的前5階固有振型，如圖2所示。J型鋪設系統第1階固有振型為水平轉動效應。J型鋪設系統第2階固有振型為前后擺動效應。J型鋪設系統第3階固有振型為頂部結構的水平轉動和頂部桁架結構的左右運動效應。J型鋪設系統第4階固有振型為非同步上下運動效應。J型鋪設系統第5階固有振型為頂部桁架結構的左右運動，頂部蓋板結構的上下運動，中部角度調節器連接部位的豎直面內旋轉等復雜的運動效應。各個振型均無畸變點，動態性能良好。

圖2 塔架前5階固有振型

2.3 塔架的瞬態響應

由于J型鋪設系統的塔架固定于船體上，船體受風浪流的影響發生搖擺運動，并直接傳遞給塔架系統，因此在分析時可直接加載位移和轉動載荷。因無法避免惡劣天氣，所以在六種工況下均取極限載荷，在轉動角度為7°的情況下進行計算。

取各個工況下計算結果的應力云圖，如圖3所示。可知，當波向角由0°～180°變化時，鋪設系統所受的應力大致呈現出先增大后減小，且以波向角90°為對稱軸的對稱分布的趨勢。當波向角為90°時，J型鋪設系統所受到的應力達到最大，其極限最大應力約164MPa，小于材料屈服強度。

圖3 各工況下塔架應力云圖

通過以上6種工況最大應力云圖可以看出，當波向角為0°和180°時，J型鋪設系統的最大應力出現在底部與船體連接板連接的桁架位置處。這是因為在該種工況條件下，船體主要承受縱蕩波浪力作用，船體對鋪設塔架的作用力此時也主要表現為縱向的慣性力。因此，在底部桁架過渡位置處，其受力較大，屬于受力危險區域。同理，當波向角為其他角度時，并考慮到塔架張緊器的張力作用，鋪設塔架于船體的連接位置為受力最大位置，也屬于受力危險區域。

3 J型鋪設系統動態響應試驗

3.1 J型鋪設系統試驗臺

為進行J型系統的塔架動態響應試驗，設計并建立J型鋪設系統試驗系統，如圖4所示。試驗臺可完成J型鋪設系統模型試驗樣機的功能性驗證、強度校核和棄置回收等試驗。試驗臺主要由振動平臺、控制臺、儀器安放桌構成。實驗模型固定在振動平臺上，振動平臺可以模擬船舶的六自由度振動，從而完全模擬實際工況。

圖4 J型鋪設系統試驗臺示意圖

試驗模型是按照縮尺比1:30進行加工制造，并安裝調試完成的。J型鋪管塔模型樣機與底座之間采用鉸支的連接方式。鉸支座在J型鋪管塔樣機本身重力及船體運動產生的慣性力作用下產生剪應變，并結合有限元分析結果，系統受力危險區域分別為底部桁架過渡位置和塔架于船體的連接位置。因此，本試驗選擇測量兩處危險位置的應力分布情況。應變片測量位置如圖5所示。

圖5 塔架模型及應變片位置

3.2 實驗結果

通過調節六自由度振動平臺的工作參數以模擬6種海況，并在各個工況下進行模擬實驗。塔架底部過渡位置的應力測試結果如表2所示。可知，過渡位置的應力隨著波向角的變化先減小后增大，實驗結果與數值分析結果的分布趨勢相同。其中，最大應力為波向角為90°時，實驗結果略小于模擬，相差約9%。當波向角為0°時，應力大于180°時，這是因為塔架自身的偏轉角度對慣性造成了影響。

表2 塔架底部過渡應力分布

塔架與船體連接位置的應力分布，如表3所示。由實驗結果可知，塔架與船體的連接位置應力較小，這是由于實驗時沒有模擬塔架所受管道的重力的原因。連接處應力的變化趨勢與過渡位置一致，最大應力出現在波向角90°時。

表3 與船體的連接位置應力分布

4 結論

（1）利用有限元分析軟件ANSYS建立了J型鋪設系統塔架的三維力學模型，進行模態分析，得出前10階固有頻率與振型，且塔架系統無共振危險。

（2）當波向角在0°～90°變化時，波向角越大，塔架的應力與應變越大；當90°～180°時，波向角越大應力應變越小；系統的應力在90°時達到峰值，J型鋪設塔架系統的最大應力出現在底部桁架過渡位置。

（3）搭建了J型鋪設系統試驗臺，進行模型試驗印證了分析結果；實驗結果與數值模擬結果基本吻合，實驗中，應力最大處位置與模擬結果相同，應力值相差9%。

[1]何寧，徐崇崴，段夢蘭，等.J型鋪管法研究進展[J].石油礦場機械，2011，40（3）：63-67.

[2]葉茂，段夢蘭，徐鳳瓊，等.S-lay型和J-lay型鋪管船的功能擴展研究[J].石油礦場機械，2014，43（2）：7-14.

[3]黃維平，曹靜，張恩勇.國外深水鋪管方法與鋪管船研究現狀及發展趨勢[J].海洋工程，2011，29（1）：135-142.

[4]韓峰，王德國，曹靜，等.深水海底管道J型鋪設塔設計研究[J].海洋工程，2012，30（1）：126-130.

J Type Deepwater Pipe Laying Test of Tower Dynamic System

WANG Lu
(Shenyang University of Aeronautics and Astronautics, Shenyang 110136)

J type laying is an important method for deepwater pipeline laying. As the key parts of J type tower laying system, its structural performance is particularly important. The tower is set up three-dimensional mechanical analysis model research in complex sea conditions J type dynamic response of tower laying system. By building a deepwater J-type pipelaying system model test bench, the J type laying system experiments were carried out to study the model, the tower is studied the stress distribution, comparison of the numerical simulation results. The results show that the wave angle at 0 degree to 90 degree change, wave direction angle is bigger, tower should stress and strain is bigger, the maximum stress appears at the bottom of the truss transition location.

J type laying tower, tower, modal analysis, transient analysis