深水柔性管道鋪設過程的動態仿真

陳金龍+閻軍+盧青針+楊志勛+岳前進

摘要：針對深水柔性管道鋪設的一般過程，將鋪設過程離散成若干典型工況，并通過非線性時域有限元法實現鋪設過程的動態仿真分析。闡述仿真所涉及的基本方程、模型與基本單元、載荷工況與動態響應統計的具體處理技術。以水深1000 m柔性管道的鋪設為例，著重展示動態仿真技術在鋪設設計中的應用。分析實例表明：通過非線性時域動態分析技術對深水柔性管道的鋪設過程進行仿真是可行的，可以有效地為鋪設設計提供指導。

關鍵詞：柔性管道；深水鋪設；鋪設設計；附屬構件；數值仿真；非線性時域分析；極值分析；載荷工況

中圖分類號：TE53；TB115.1 文獻標志碼：B

0引言

海洋柔性管道的鋪設有其特有的鋪設裝備和工藝流程，依據入水方式的不同，又分為水平式鋪設與豎直式鋪設2種形式。國內對柔性管道鋪設的研究正處于起步階段，在鋪設裝備、工藝流程等方面也有一定的研究，并且在一些淺水油氣田有過成功鋪設的經驗，但對深水（水深大于500 m）柔性管道鋪設領域的關鍵技術研究與實際操作經驗都比較缺乏。

深水柔性管道鋪設設計的關鍵技術之一是對鋪設過程的仿真分析，即模擬管道鋪設過程，分析其載荷與響應，需要應用柔性管道整體分析技術。國內對柔性立管在位線形的整體分析技術已有較多研究，而對于柔性管道鋪設過程的仿真分析技術卻少有研究。一直以來，柔性管道鋪設是基于靜態分析技術獲取管道的內力與變形，并將結果乘以動力放大倍數作為設計依據。在柔性管道鋪設深度不斷加深、口徑不斷增大的背景下，鋪設設計中的各類非線性因素的影響也越來越明顯，靜態分析技術已無法滿足深水/超深水鋪設的設計需求。隨著計算力學分析技術的提高，基于動態仿真技術對柔性管道的鋪設過程進行設計已具備可行性，但是面臨著如下難題：（1）柔性管道鋪設的動態分析需要處理線形的大位移、大轉角、接觸等諸多非線性因素，需要使用非線性時域分析方法；（2）波浪具有隨機特性，對每個工況的模擬時長應達到3 h以上；（3）要充分考慮管內流體、波浪、流、鋪管船運動等諸多載荷要素，以形成合理的載荷工況矩陣；（4）需要將連續的鋪設過程離散成若干工況進行動態仿真；（5）柔性管道鋪設的各過程還涉及到其特有的附屬構件，如限彎器、纜索、浮力附件等。綜上，對柔性管道的鋪設過程進行動態仿真相對復雜，且工況繁多。

為具體討論柔性管道鋪設過程的仿真分析技術，本文以應用于1000 m水深，內徑為8英寸（203.2 mm）的典型海洋柔性管道的鋪設為例，對鋪設的3個基本過程，即起始鋪設、正常鋪設和終止鋪設過程，借助海洋管纜專業分析軟件Orcaflex進行動態仿真，探索動態分析技術在柔性管道鋪設過程中的應用，并針對分析中的難點展開討論。

1柔性管道的鋪設過程

深水柔性管道一般采用豎直鋪設方式，見圖1。

柔性管道鋪設一般至少包含起始鋪設、正常鋪設和終止鋪設3個過程見圖2，具體描述如下。

（1）起始鋪設過程。包含鋪設準備、入水下放、端部連接固定、移船形成自然懸鏈線的過程，見圖2a）。

（2）正常鋪設過程。鋪管船以預定的鋪設速度進行，同時卷盤與張緊器協調放管，可使管道線形保持為預定的懸鏈線狀態，見圖2b）。

（3）終止鋪設過程。將柔性管道的另一端完全下放到海床，以備進行后續的連接安裝，見圖2c）。

不難看出，柔性管道在鋪設過程中鋪設線形與管道所受載荷是不斷變化的，因此各階段的控制失效模式也有所不同。通過仿真分析獲得上述各過程中管道的受力與變形信息是鋪設設計的重要依據。本文將基于上述3個基本過程，介紹動態仿真分析技術及其應用。

2動態仿真基本理論

對深水柔性管道動態仿真所涉及的基本理論進行介紹，包含基本方程單元、模型與單元、載荷與極值響應統計。

2.1基本方程

對鋪設過程的動態仿真，應首先進行靜態分析，獲取柔性管道鋪設的平衡狀態，然后使用動態仿真分析動態載荷，含波浪、鋪管船運動作用下的管道響應。

使用數值方法對管道鋪設進行分析，一般基于靜力平衡方程求解單元的內外與變形，即

2.2模型與基本單元

首先需要建立模擬鋪設過程的力學模型。基于式（1）和（2）進行數值分析。建模至少涉及以下5種基本單元。

（1）鋪管船。一般處理為空間的剛體運動，作為管道上端的運動邊界，包含6個自由度的運動，能夠反映船體在波浪作用下的波頻與低頻運動，可以借助浮體的運動響應傳遞函數實現模擬。

（2）柔性管道。模擬管道的力學行為，需包含質量、拉伸剛度、彎曲剛度、扭轉剛度、結構阻尼等參數。一般采用集中質量單元或大變形梁單元，如Orcaflex中的線單元，見圖3。

（3）管道接頭。需包含質量、剛度、體積信息，也可以簡化處理為集中質量賦予管道末端。

（4）限彎器。其原理為當管道產生的曲率半徑達到某個設計值R時，將產生機械互鎖阻止進一步彎曲。因此，數值軟件中的單元需要模擬互鎖前后的彎曲剛度，見圖4。

2.3載荷與極值響應統計

在柔性管道的整體分析中，將管道及其附屬構件自身的重力、浮力、內外壓等載荷稱為功能載荷，將波浪載荷、流載荷以及浮體運動稱為環境載荷。波浪載荷與流載荷都可以通過Morison公式計算。

現行的海洋管纜分析軟件，如Orcaflex，可以實現對管道連續鋪設動作的仿真，如模擬同步的行船與管道下放。然而，設計過程中的鋪設載荷是不確定的，所以對連續的鋪設動作進行仿真分析對鋪設設計的指導意義不大。因此，需要將連續過程離散成若干瞬間狀態，然后考慮各載荷工況進行全面的分析。鋪設載荷的不確定性主要體現在如下2個方面：

（1）載荷工況的不確定性。由于實際鋪設過程中的環境載荷是無法預知的，因此在設計時，需要考慮各種可能的載荷要素，如波高、周期、波向、流向等，形成包絡性的載荷工況矩陣。endprint

（2）波浪載荷的不確定性。由于波浪是隨機的，一般使用波浪譜對海洋結構物進行分析，如PM和Johnswap譜等，分別適用于不同的海域或條件。使用波浪譜進行柔性管道的非線性時域分析，需要模擬足夠的時長（3～6 h）以減少不確定性。同時，極值響應也需依據響應時程借助統計方法來獲取。例如，基于Rayleigh分布法，持續時間T內可能出現的最大值為

3動態仿真實例

本文選用1000 m水深，8英寸（203.2 mm）柔性管道，以3個基本過程進行鋪設，并基于動態仿真分析技術對柔性管道入水后的形態與內力進行分析，為鋪設設計提供參考。

3.1仿真模型

本文建模所使用的主要管道參數來源于國家“八六三”計劃“柔性海底管道關鍵技術研究”項目中設計并試制的樣管，模型的關鍵參數見表1，鋪管船的幅頻響應算子參數略。

采用第2.2節所描述的單元進行建模。假設海床平坦，與柔性管道彈性接觸；管道上端與鋪管船鉸接于月池處。最終，在Orcaflex中獲得的三維模型見圖6。

3.2分析工況

若考慮完備的環境載荷工況，再結合參數靈敏度分析完成對鋪設過程的線形設計，需要分析的工況數往往是成千上萬的。為減少分析工作量，僅采用一種環境載荷的組合工況：鋪管船迎浪角為0，波浪譜為Johnswap譜，有義波高H_s=2.5 m，譜峰周期T_p=7 s，表面流速為1.0 m/s，波流同向。

通過一定的預試算，將第2節所述的3個鋪設過程離散成19個工況，見表2。

3.3分析結果與討論

基于已建立的數值仿真模型，對上述工況分別進行靜態和動態分析，然后提取設計關心的動態響應進行鋪設設計或評價。依據API 17B規范可知，表1中的管道在鋪設中受到的最大張力不應超過1500 kN，最小張力應大于0，最小彎曲半徑應大于3.15 m。

3.3.1起始鋪設過程

對表2所示起始鋪設過程的10個工況分別進行動態分析。每個工況中隨機選取一個線形，結果見圖7，其中括號內的數字表示在該處置處管道下放的最小和最大量。使用非線性時域動態分析方法可以獲得鋪設過程中管道各類響應的變化情況。其中，頂張力的時程變化，可以作為在實際鋪設過程中使用張緊器監控鋪設張力的重要參考。起始鋪設過程中包含有最大頂張力的一段時程曲線示例見圖8。

基于上述響應時程，采用式（3）統計動態極值結果，用于評估管道是否會發生失效。初始下放過程中的10個工況的關鍵極值統計結果見表3。

由表3可以看出，在設計的移船距離和管道下放長度情況下，該管道均滿足張力與彎曲半徑準則。此外，在柔性管道下端部與海底錨固裝置連接后，船體運動容易對管道造成較大拉力，可能導致管道受拉破壞或造成錨固失效（這里假設管道對海底錨固裝置的作用力須小于100 kN）。

3.3.2正常鋪設過程

在正常鋪設過程中，一般通過張緊器控制鋪設張力實現對管道鋪設線形的控制，能夠有效避免管道出現拉伸破壞、過度彎曲和屈曲失效。此外，對管道入水角度進行監測與控制也可以達到同樣目的。

依據懸鏈線的特性，最大和最小張力工況分別對應最大鋪設距離和最小鋪設距離（船到管道觸底點的水平距離），這2種工況通常與發生不同失效的臨界工況對應。在最大鋪設張力和最小鋪設張力之間，選擇一個設計鋪設張力，作為鋪設過程中的設計值，見圖9。動態分析的關鍵結果統計見表4。

在最小鋪設張力工況時，管道觸底點處最小張力、最小彎曲半徑接近許用極限。該鋪設實例中的管道承拉能力有較大余量，故不必以管道的最大臨界鋪設張力作為最大張力工況。管道的鋪設張力越小，鋪設成本越低。

3.3.3終止鋪設過程

到達預定位置后，管道終止鋪設。可使管道下放量與移船量保持相同，以保持同樣的鋪設線形進行，直至管道末端接頭全部下放完成。終止鋪設過程，見圖10。

終止過程需要注意的是觸底區域的過度彎曲問題，尤其是當管道末端接近觸底時，由于管道接頭的剛度遠大于柔性管道本身，容易在與海床的接觸過程中產生過度彎曲或屈曲失效。因此該過程需重點關注觸底點處的彎曲半徑與最小張力，關鍵的分析結果見表5。

在波浪共線、海床平坦的假設下，管道沒有受到扭轉作用，因此，表3～5中給出的管道響應信息以張力和彎曲半徑為主。

表3～5是基于動態仿真獲得的極值響應統計結果，可以直接與管道的許用載荷或變形進行對比。對比結果表明，在本文分析的19個工況下，管道按照給定方式鋪設不會發生失效。若想全面驗證鋪設設計的安全性，則需設計完備的載荷工況矩陣，進行大規模的動態分析，出于節約篇幅考慮，本文不一一列舉。

4結論

深水柔性管道鋪設過程的仿真分析采用柔性管道的整體分析技術，包含靜態、動態分析。由于載荷與結構的非線性，基于靜態分析的傳統鋪設設計方法，正逐步被非線性時域動態分析技術所取代。動態仿真分析是實現管道鋪設先進性設計所必需的技術。

本文研究表明，使用動態仿真技術對柔性管道鋪設過程進行模擬分析具備可行性。鋪設過程中的裝備可以采用不同的力學模型（單元）進行模擬，能夠獲得管道在波浪、流、鋪管船運動等動態載荷下的時程響應與極值響應，可應用于鋪設設計。

使用動態分析技術，由于載荷的不確定性，需要將連續的鋪設過程離散成若干工況，再與各可能出現的載荷工況組合，例如考慮波流共線、波流成夾角、不同載荷方向等，這樣形成的工況數量將數十倍乃至上百倍于本文所分析的工況數量。大量的分析工況與長時間的非線性時域模擬是一般的工程設計難以承受的。因此，在未來的研究中需要采用一些合理措施來大幅縮減工況和計算時間，比如發展快速篩選關鍵工況的技術手段或計算機程序，才能推動動態仿真分析技術最終在工程設計中廣泛應用。endprint