深水鋪設托管架-管道的動力學分析

薛志鋼，趙　巖，蔡志勤，岳前進

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 無錫分院，江蘇 無錫 214174； 2.大連理工大學 工業裝備國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

?

深水鋪設托管架-管道的動力學分析

薛志鋼1,2，趙巖1，蔡志勤1，岳前進1

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 無錫分院，江蘇 無錫 214174； 2.大連理工大學 工業裝備國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

針對深水鋪設中，完全對托管架-管道構成復雜的耦合系統實現系統解耦，并進行動力特性分析困難的問題，提出將管道等效為質量點的方式對系統進行動力特性分析，在避免托管架-管道耦合非線性求解困難的同時，探討不同鋪設工況下耦合系統的頻率行為特征。通過對托管架空載和在役頻率的對比，探討管道慣性質量對托管架動力特性的影響，并提出設計超深水、大口徑管道鋪設托管架需要注意的問題。

托管架；隨機振動；ANSYS；模態分析

隨著海洋資源開發逐漸從淺水走向深水，海底管道的鋪設也朝著超深水、大口徑發展[1]，對鋪設裝備提出了更為嚴格的要求，托管架長度越來越長，隨著長度的增加，露出一些問題，主要是剛度不足。在淺水托管架設計中，由于托管架長度較短，管道荷載作用下產生的變形不明顯，一般可認為是剛性設計[2]。然而隨著托管架長度的增加，管道荷載也隨之增加，在此作用下托管架會產生明顯的變形，該變形對托管架上彎段的影響較大[3-5]。剛度不足的另一個重要方面是對托管架動力特性的影響。在淺水鋪設中，托管架剛度大，管道荷載小，托管架空載和在役時的模態變化不大。然而超深水大口徑管道鋪設過程中，托管架的長度增加，剛度降低，管道對托管架的荷載較大[6]，相對于空載而言，在役時托管架的頻率可能會發生比較大的改變，這種改變有可能造成托管架發生強烈的振動而損壞。為此，將管道等效為附加質量，在避免托管架-管道耦合非線性求解困難的同時，探討不同鋪設工況下托管架-管道系統的頻率行為特征。

1　S-lay管道鋪設

海底管道在鋪設前呈每根12 m的狀態，首先由運輸船將管道吊裝到鋪管船上，然后對管道進行端口的處理，包括打坡口、消磁、預熱等工序，處理后的管道被運送到對中區，將管道與整體管道的端口進行對中，對中后對管道進行第一次焊接，隨著船體的移動，管道的接口被移送到不同的焊接工作站，進而對管道進行3～5次的焊接。焊接完成后對管道的焊接部位進行無損檢測，如果檢測合格，則對管道接口位置進行包扎涂抹，防止管道被海水腐蝕。一旦檢測管道焊接不合格，則對管道進行拆解，重新進行消磁、預熱、焊接等一系列工序，直至管道焊接位置滿足無損檢測標準為止。經過涂抹后的管道穿過張緊器，在托管架的支承下，船體向后移動，管道被送入海底。見圖1。

圖1　S-lay管道鋪設示意

通過張緊器之前管道會有NDT無損檢測，進而保證管道焊接質量，從張緊器出來的管道可以認為是無缺陷的。但當管道穿過張緊器后，在自身重力的作用下會彎成一定的線型，如果線型選擇不合理，在管道的上彎段和下彎段部分會由于過度彎曲而發生破壞，而此時無法對管道進行檢測，管道一旦產生缺陷，就會降低其在海底的承載能力，再加上復雜的海底環境，極有可能使管道發生破壞，進而造成環境污染和財產的損失。在鋪設過程中，由于托管架設計不合理而造成整體失效，管道瞬間滑落可能造成船體的損壞，甚至是人員的傷亡。由此可見托管架在S-lay海底管道鋪設過程中的重要性。

2　托管架-管道解耦

在工程上，對托管架-管道系統進行模態分析是比較困難的，主要是因為該系統是一個非線性的耦合系統，雖然在模態分析時忽略了其非線性因素，但是管道對托管架的慣性作用是必須要考慮的，因此需要計算管道在有預應力作用下使其與托管架接觸，一般做法是將與船體接觸管道的一段施加全約束，另外一端施加張緊力，讓管道在重力的作用下彎曲變形成一定的線型，使其和托管架接觸[3]。該過程的求解是比較困難的，求解的代價比較高，在工程上難以推廣使用。由此需要對其進行解耦，將管道對托管架的作用以等效質量點形式施加到托管架上，進而提高設計時對托管架-管道模態分析的效率。具體的做法是首先通過剛性懸鏈方程計算管道的鋪設線型，如圖2所示，提取管道的上彎段信息：張緊器的張力和脫離點處下部管道對上彎段的拉力，如圖3所示。根據力的平行四邊形法則可得到托管架對管道的支持力，管道對托管架的力均勻分布在托輥上[7]，將該力等效為一系列的相等質量點布置在托管架上，模擬管道對托管架的慣性作用。

圖2　管道線型

圖3　管道等效質量簡化原理

本文以某托管架為例，該托管架共有12個托輥和管道接觸，將等效的質量均分到12個托輥上，利用該方法設計了表1中的鋪設工況。

表1　管道鋪設工況表

3　托管架服役狀態下的動力特性分析

托管架非工作狀態下的動力特性見式(1)，主要是自身剛度和質量的相對關系。然而，服役狀態下就要考慮管道對托管架的影響。該影響分為兩部分，一部分是管道對托管架作用，會造成托管架剛度矩陣的改變；另一方面托管架帶動管道運動，于是管道對托管架會產生慣性荷載，進而影響到托管架的質量矩陣 ，見式(2)。

(1)

(2)

式中：K——托管架的剛度矩陣；

M——托管架的質量矩陣；

k——管道對托管架剛度矩陣的改變量；

m——管道的慣性矩陣；

ω——結構的固有頻率；

x——結構的振型。

管道對托管架的影響會改變其剛度和質量矩陣，為了探究這兩方面的影響對托管架的動力特性是否有利，本文以ANSYS為數值仿真工具，按照表1中的要求分別建立管道等效質量點作用下托管架的淺水和深水模型，見圖4。

打開ANSYS的預應力開關，在每個托輥上施加垂直于托管架的托輥力，模擬管道對托管架剛度的影響。然后在每個托輥上布置質量點，模擬管道對托管架的慣性作用。

分別對表1工況的模態進行分析，提取前10階自振頻率，結果見表2。

圖4　托管架-質量模型

表2　各工況模態分析表

根據表1和表2可知，隨著鋪設管徑和水深的增加，管道對托管架的作用力也隨之增加，但托管架的自振頻率逐漸減小。由公式(2)可知管道作用力對托管架剛度矩陣改變量小于管道慣性質量對托管架質量矩陣的改變量。說明在托管架-管道的動力過程中，由船體運動造成的管道慣性荷載對托管架的作用比由管道荷載造成托管架剛度增加量要大，因此管道慣性荷載對托管架放大效應引起重視。

為了對比托管架空載和在役時模態的區別，對圖4中去掉質量點的托管架進行模態分析，提取前4階固有頻率，如圖5所示。

由圖5可見，對于淺水鋪設，托管架空載和在役時的固有頻率變化不是很大，但是深水鋪設情況下，管道對托管架的模態產生較大的影響。其中，在極限鋪設海況中，第一階固有頻率比空載時減少一倍還要多。并且船體運動的頻率帶一般集中在0～1.2 Hz，深水鋪設情況下，托管架的第一、二階固有頻率已經在該頻率帶內，極有可能使托管架隨著船體發生共振。由此在對用于超深水、大口徑鋪設的托管架設計時，不僅要對空載時的模態進行分析，還要對管道作用下托管架的模態進行驗證，以避開船體運動的頻率帶。

圖5　托管架在役和空載下動力特性

4　結論

托管架-管道的求解過程是比較困難的，利用管道等效質量法對其進行解耦能夠快速的對其進行分析，對托管架設計具有應用價值。

1)對于超深水大口徑管道的鋪設，由于管道作用，托管架剛度矩陣和質量矩陣都會變化，本文分析發現剛度的增加量小于慣性質量的增加量，由此在對托管架設計時，管道慣性質量對托管架響應的放大作用應引起注意。

2)托管架在役時，托管架-管道系統的自振頻率已經達到船體的自振頻率帶，有可能發生共振，進而造成托管架的損壞，在對托管架進行設計時，不僅需要對空載時的托管架進行模態分析，對托管架-管道也應該進行動力特性分析。

3)對托管架進行設計時，可以利用等效質量的方法將管道等效為質量點或者力，將管道以質量點(力)的形式施加到托管架上進行靜態分析。將等效質量(力)乘以比例系數[8](動力放大因子1.3)施加到托管架上進行動力分析。將等效質量點作用在托管架上對托管架-管道做模態分析。

[1] Heerema.e. Recent achievements and present trends in deepwater pipe-lay systems[C]∥Offshore Technology Conference. Houston: 2005:124-132.

[2] 王林.深海托管架概念設計要素研究[D].大連:大連理工大學,2008.

[3] 謝鵬,岳前進,趙巖.S形鋪管托管架的結構剛度研究[J].石油機械,2014,42(1):62-65.

[4] TORSELLETTI E,VITALI L,LEVOLD E, et al. Submarine Pipeline installation jip: strength and deformation capacity of pipes passing over the s-lay vessel stinger[C]∥25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, [S.l.]: American Society of Mechanical Engineers, 2006:227-235.

[5] Da silva DML, De lima MHA, JACOB B P. Pipeline-laybarge Interaction Model for the Simulation of S-lay Installation Procedures[C]∥Asme 2008 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, [S.l.]: American Society of Mechanical Engineers, 2008:437-446.

[6] YUN H D,PEEK R R,PASLAY P P, et al. Loading history effects for deepwater s-lay of pipelines[C]∥Asme 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, [S.l.]: American Society of Mechanical Engineers, 2003:833-841.

[7] 謝鵬,周雷,張向鋒,等.托管架托輥荷載的實驗研究[J].工程力學,2011,28(S1):217-220.

[8] 杜武男,岳前進,趙巖,等.深水S型托管架模型試驗方法研究[C]∥第十六屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集：上冊,北京:海洋出版社,2013:347-354.

The Dynamic Research of the Stinger-pipe under the Deep Water

XUE Zhi-gang1,2, ZHAO Yan1, CAI Zhi-qin1, YUE Qian-jin1

(1.Wuxi Branch of Jiangsu Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Wuxi Jiangsu 214174, China; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial equipment, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023, China)

Stinger-pipe is a complex coupling system in the deep water laid. It is more difficult to analysis the dynamic characteristics of the system completely. The pipe equivalent point is proposed to analyze the dynamic property of the system, which gets rid of the problem that the nonlinear the pipe is difficult to solve, at the same time, explores the frequency behavior characteristics of the coupled system under different working condition of laying. Comparing the frequency of the stinger between idle and pipe laying proposes the problem of the singer design, which is used to pipe laying with ultra-deepwater and large diameter. The research has guiding significance for design of stinger.

stinger; random vibration; ANSYS; modal analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.033

2015-09-15

2015-10-13

973項目(2014CB046803)

薛志鋼(1988-)，男，碩士，助理工程師

P756.2

A

1671-7953(2016)01-0158-04

研究方向:海洋工程結構

E-mail:xuezhigang87@126.com