深水S型鋪管作業參數敏感性分析

宋環峰，徐徹，林強，常野，郭建志

(1.中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市東方海事工程技術有限公司，上海 200011)

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深水S型鋪管作業參數敏感性分析

宋環峰1,2，徐徹1,2，林強1,2，常野1,2，郭建志2

(1.中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市東方海事工程技術有限公司，上海 200011)

基于集中質量法原理，考慮海床、離散型托管架和海流等邊界條件，忽略阻尼、摩擦和扭轉，分析水深、管徑、壁厚、托管架半徑和長度等參數變化對S型鋪設管線力學性能影響的一般規律，為深水S型鋪設作業設計提供參考。

敏感性分析；S型鋪管；集中質量法；離散托管架

海底管線作為最經濟的油氣運輸方式之一，其鋪設需求量越來越多[1]。S型鋪管方法是目前海底管道鋪設最常用的方法，在管線鋪設作業時，由于管線受到的載荷非線性、邊界條件非線性，以及管線本身材料的非線性，難以求解。為了更精確地求解管線受力，不少學者建立理論模型來解決該問題。常用的理論模型有懸鏈線理論、彈性細長桿理論、非線性梁理論，以及集中質量法理論；或者根據管線受力及變形特點，將其中幾種模型結合使用[2-4]。集中質量法有數學模型簡單、運算速度快、易求解、易收斂等特點，能很好地模擬波浪、海流、海床及托管架等邊界條件對管線鋪設作業的影響。鋪設作業時，由于管線受到的載荷復雜多變，各參數影響鋪設的方式有所不同，需要分析系統對環境參數和鋪設參數的變化的影響，以便在設計和實際作業過程中及時調整施工參數，以保證管線安全。本文基于集中質量法原理，考慮海床、離散型托管架和海流等邊界條件，忽略阻尼、摩擦和扭轉，對深水S型鋪設作業管線進行敏感性參數分析，分析水深、管徑、壁厚、托管架半徑和長度等參數對深水S型鋪設的影響。

1 數學模型及數值方法

規定水面的z向坐標值為0，豎直向上為正，張緊器x向坐標值為0，建立笛卡爾坐標系，見圖1。

圖1 坐標系

根據集中質量法理論，將管線用一組無質量彈簧和集中質量點模擬，對于每個單元的軸向拉力及彎矩分別用拉伸彈簧和彎矩彈簧模擬，將管線單元的質量均勻分布到節點上，節點的位移向量用y1,y2,y3表示，見圖2。

圖2 單元示意

假設未變形前的管線是直的，管線受力平衡方程為[5-6]

(1)

式中：T和P分別為軸向和彎矩彈簧的力；W為管線所受重力(在海里為濕重，離開海水為干重)；Fsb為海床接觸力；Fs為托管架接觸力；FD為流體阻尼力。

管線單元的軸向拉力和彎曲剪力可分別寫為

(2)

(3)

海底接觸力為

(4)

托管架接觸力為

流體力為[7-8]

(6)

2 算例

以某深水S型鋪管船為例，張緊器距水面高度9m，托管架滾軸數量為13個，托管架滾軸半徑0.262m，托管架剛度15 000kN/m，保證計算中每個滾軸都與管線接觸，其他計算參數見表1，海流方向與鋪管方向相同。

表1 計算參數

2.1 水深

水深取800，1 000，1 200，1 400 m，管線長度為2 200 m，管線以及鋪管船其他參數不變，計算結果見圖3～5。

圖3 管線形態

圖4 彎矩沿弧長分布圖

圖5 有效張力沿弧長分布圖

由圖3～5可以看出，隨著水深的增加，管線分離角越來越小，但是由于水深關系，觸地點反而遠離鋪管船。管線彎矩隨水深變化不明顯，觸底點附近，管線彎矩隨水深增加而減小。這是因為由于管線在托管架上的形態基本是一致的，這就導致了雖然水深在變化，但是管線在托管架上彎矩幾乎不變。雖然觸底點處，水深增加管線形態變陡，但是由于水深關系，彎矩反而降低。由于隨著水深增加，懸垂段管線長度明顯增加，所以管線的張力也越來越大，所以隨著水深的增加管線的張力尤其是張緊器的張力變化劇烈，在設計的時候需要主要考慮不同水深對張緊器帶來的影響。

2.2 管徑

管線的管徑的變化會影響流體對管線的作用力，以及管線自身的剛度和自重。分別選取管徑為22、24、26和28 in，壁厚取1.5 in，具體結果見圖6～8。

圖6 管線形態

圖7 托彎矩沿弧長的分布

圖8 有效張力沿弧長的分布

由圖6可見，隨著管徑的增加，管線形態變化不大。圖7中，托管架段的彎矩變化較大，這是由于管線壁厚一定時，彎曲剛度隨著管徑變大而變大。圖8中有效張力隨著管徑增加降低，這是因為雖然管徑增加管線空氣中重量增加，且受到的流體力增加，但管線水中重量卻呈減小趨勢，在流速較小時，管線有效張力隨著管徑的增加而減小。

可見壁厚一定時，隨著管徑的增加，托管架段彎矩值迅速上升，設計中需要考慮管徑增大時，托管架段的管線應力是否在規范要求范圍內。

2.3 壁厚

管線壁厚的變化直接影響管線自身的剛度和自重。選取管線壁厚1.00、1.25、1.50、1.75 in，管徑取22 in，結果見圖9～11。

圖9 管線形態

圖10 彎矩沿弧長的分布

圖11 有效張力沿弧長的分布

由圖9可見，隨著壁厚的增加，管線形態變化不大。由圖10可見，托管架段的彎矩隨著壁厚增加而增大。這是由于管徑一定時，彎曲剛度隨著壁厚變大而變大。圖11中，由于管徑一定，壁厚越大，管線重量越大，故有效張力隨著壁厚增加而增大。

因此，隨著管徑的增加，管線的張力明顯變大，在設計的時候需要主要考慮壁厚變化對張緊器帶來的影響。

2.4 托管架半徑

托管架半徑的變化會直接改變托管架段管線形態和管線的分離角，從而影響托管架段管線的彎矩以及應力和應變以及懸垂段管線的管線的長度和張力，以及觸底點的彎矩值。仍選用離散型托管架作研究對象，托管架長度為120 m，托管架曲率半徑分別取100，110，120和130 m，其他參數不變。

管線形態隨托管架半徑的變化見圖12。隨著托管架半徑增加，管線與托管架分離的分離角增大，懸垂段的管線長度增加，相應的，懸垂段管線增長，觸地點位置遠離鋪管船。

圖12 管線形態

由圖13，托管架半徑增加，在托管架上的管線彎矩隨之減小，觸地點區域，管線彎矩逐漸減小。由于懸垂段長度增加，管線的張力隨著托管曲率半徑的增加而增加，具體見圖14。

圖13 彎矩沿弧長的分布

圖14 有效張力沿弧長的分布

總的來說，托管架曲率半徑增加，會減小管線在托管架和觸地點的彎矩，從而減小管線的應力和應變，但是會增加管線的張力。所以在鋪設作業中，應在確保張緊器張力安全時，選取較大的托管架，減小鋪設過程中管線的應力。

2.5 托管架長度

確定托管架長度時，需要綜合考慮需鋪設的管線參數、海況條件及船舶穩性等因素。托管架長度的變化會改變托管架段與管線的分離角，從而影響懸垂段管線的管線的長度、張力以及觸底點的彎矩值。托管架半徑取110 m，托管架長度分別取110、120、130和140 m。其他參數不變。

由圖15～17可見，當托管架長度增加，管線與托管架的分離角減小，所以管線形態變陡，觸地點位置向鋪管船靠近，懸垂段管線長度減小，因此有效張力也隨之減小。因為托管架半徑為定值，所以在托管架段管線彎矩值變化較小，由于管線越來越陡，所以觸底點管線的彎矩呈增大趨勢，但是幅度有限。所以托管架長度的變化對管線彎矩和應力影響較小。

圖15 管線形態

圖16 彎矩沿弧長的分布

圖17 有效張力沿弧長的分布

所以托管架長度主要影響的是管線的張力，而對管線的彎矩和應力影響較小，故設計過程中，應在確保張緊器張力安全時，盡可能增加托管架的長度，以減小張緊器提供的張力要求。但是托管架長度變化會影響船舶的穩性，需要綜合考慮。

3 結論

1)水深、托管架長度對管線有效張力是高敏感參數，但對管線彎矩影響較小，所以鋪管船設計時，鋪設水深和托管架長度減小都會導致管線有效張力尤其是張緊器張力迅速增加，需考慮這些參數變化對張緊器的影響，以防張緊器張力不足而引發危險。

2)其他參數一定時，管線張力和彎矩對管徑、壁厚變化均敏感，這主要是影響管線自身的剛度和自重變化引起的。

3)托管架半徑對彎矩和有效張力均是敏感性參數，半徑增大時，管線彎矩明顯變小，有效張力顯著增大，故鋪設作業時需權衡考慮，在張緊器能力不夠時，需減小鋪設半徑，減小張緊器所需提供的張力，在能保證張緊器張緊能力的情況下，盡可能選擇大的鋪設半徑，以減小管線應力。

[1] 宋儒鑫.深水開發中的海底管道和海洋立管[J].船舶工業技術經濟信息，2003(6):31-42.

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[6] 聶武，孫麗萍.船舶計算結構力學[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2003.

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[8] 繆國平.撓性部件力學導論[M].上海交通大學出版社，1996.

Sensitivity Analysis of S-lay Method for Deepwater Pipeline

SONG huan-feng1,2, XU Che1,2, LIN Qiang1,2, CHANG Ye1,2, GUO Jian-zhi2

(1.China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China;2.Shanghai Oriental Marine Engineering Technology Co.,Ltd., Shanghai 200011, China)

The sensitivity of parameters of S-lay was analyzed based on lumped mass method, considering seabed, discrete stinger and current boundary conditions, neglecting damping, friction and torsion. The influence of water depth, pipe diameter, wall thickness, radius and length of the stinger on the mechanical properties of pipeline was analyzed, which provides a reference for the design of S-lay installation in deepwater.

sensitivity analysis; S-lay method; lumped mass method; discrete stinger

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.040

2016-10-14

江蘇省自然科學基金(BK20130109)

宋環峰(1989—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋油氣及礦產資源開發技術

P754

A

1671-7953(2017)04-0173-05

修回日期：2016-11-03