鋪管船運動響應及對鋪設管線的耦合作用

王玉紅，李磊，張兆德，郭遠志

1浙江大學海洋學院，浙江舟山316021

2浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山316022

0 引 言

在實施海洋強國戰略的過程中，不僅需要研發先進的技術和裝備，同時為了實現資源的合理配置，也需要對老舊設備進行升級改造以提升其作業能力。鋪管船在海底管道鋪設任務中扮演著非常重要的角色，目前我國具備深水鋪管作業能力的鋪管船僅有“海洋石油201”，而“濱海109”、“藍疆”、“中油海 101”、“CPP601”等均為淺水鋪管船［1-3］。隨著深海海洋資源的不斷開發，對大型深海起重鋪管船的需求也在日益增加［4］，而淺水鋪管船則面臨著被淘汰的危機，因此有必要開展淺水鋪管船提升作業能力的分析工作。

由于“中油海101”鋪管船的設計作業水深只有40 m，為了保障西氣東輸臺灣海峽項目，需進一步提升其鋪管作業水深，為此很多研究人員對其進行了分析探討。曾驥等［5］運用ANSYS-AQWA軟件分析了不同航道水深條件下鋪管船的運動響應和系泊系統的載荷特性，完成了香港支線鋪設作業的安全性評估；付翔［6］對比分析了40 m作業水深條件下同時移動單錨和雙錨的錨鏈受力情況，驗證了移動雙錨方案的可行性；李磊等［7］研究了在60 m作業水深條件下鋪管船提升錨泊定位的能力，分析了最大作業水深和最優鋪管方案；高兆鑫等［8］針對“中油海101”鋪管船的托管架優化設計開展了分析。

綜上所述，目前“中油海101”鋪管船的研究大多集中于船體運動響應和錨鏈載荷特性等方面，未針對其鋪設管道與船體及系泊系統的相互作用開展研究。因此，本文以“中油海101”鋪管船作業能力提升工程項目為基礎，擬采用水動力軟件SESAM和Orcaflex，基于勢流理論，在時域范圍內分析鋪管船增加作業水深時其管道與船體及系泊系統的耦合作用，并探討船體六自由度運動對管道受力的影響，從而完成“中油海101”鋪管船作業能力提升項目的安全評估工作，用以為項目實施提供理論參考和依據。

1 理論基礎

本文的計算過程主要分為2個步驟：一是利用SESAM軟件計算鋪管船系泊系統與鋪設管道之間的耦合作用；二是利用Orcaflex軟件計算鋪管船運動對鋪設管道受力的影響。

船體在時域范圍內的耦合運動方程為［10-11］

式中：M和μ分別為質量矩陣與附加質量矩陣；為船體加速度；為船體速度，其中τ為積分的時間變量；K(τ)為延時函數矩陣；C為回復力矩陣；x(t)為船體位移；分別為一階波浪力和二階波浪力；Fmoor為系泊力；Fcurrent為流力；Fwind為風力。

在OrcaFlex軟件中，管道采用懸鏈線模型并將其視為柔性纜，其中若干段模型之間采用質點鏈接，其有限元模型如圖1所示。圖中：Sx1，Sy1，Sz分別為柔性纜分解的3個方向，其中Sz為柔性纜的軸向方向；Nx，Ny，Nz分別為質點分解的3個方向，其中Nz為質點的軸向方向；α為Sz與Nz方向的夾角。

可以參考式（2）來求解管道與船體的耦合運動方程，采用集中質量法計算管道受到的軸向拉壓、橫向彎曲和扭轉等作用力［12］。根據Orcaflex軟件說明書，管道單元所受的有效張力為

式中：Te為有效張力；Tw為管壁張力；Pi和Po分別為管道內、外部壓力；Ai和Ao分別為管道的內、外受力截面面積。

2 仿真模型

2.1 模型參數

首先，在SESAM-GeinE中建立鋪管船的濕表面模型；然后，導入HydroD中計算得到船體的水動力參數；最后，導入DeepC中進行船體與系泊系統的時域耦合分析，并以此計算結果為基礎開展鋪管船與管道的耦合作用研究。

“中油海101”的設計參數如表1所示，濕表面模型如圖2所示。

表1 “中油海101”設計參數Table 1 Design parameters of"ZHONG YOU HAI 101"

2.2 環境工況

鋪管船的作業海況如表2所示［13］，#1～#8錨鏈的布置方式如圖3所示，錨鏈和管道參數如表3所示，Orcaflex計算模型如圖4所示。

表2 作業海況Table 2 Operating sea condition

表3 錨鏈及管道基本參數Table 3 The basic parameters of mooring lines and pipes

3 計算結果

3.1 鋪設管道對船體運動響應和錨鏈張力的影響

假設波浪入射方向分別為0°，45°和90°，管道對船體運動響應及錨鏈張力的影響分別如表4和表5所示。

由表4可知，當波浪入射角為0°時，船體縱蕩幅值的變化較大，其他入射角條件下的幅值變化較小，這是因為在鋪管過程中，管道從船艉延伸至海底，其自重分力會對鋪管船產生較大的縱向拉力，故波浪入射角為0°時船體的縱蕩幅值變化較大；在斜浪及橫浪工況下，船體的橫蕩、艏搖運動幅值變化較大，而垂蕩幅值的變化則較小；當波浪入射角為90°時，橫搖、縱搖幅值的變化較大。由此可見，管道對船體的運動響應有一定的影響且對縱蕩運動的影響較大，該結論與參考文獻［14-15］的計算結果相符。

表4 管道對船體運動的影響Table 4 The influence of pipeline on hull motion

表5 管道對錨鏈張力的影響Table 5 The influence of pipeline on anchor tension

由表5可知，當波浪入射角為0°時，由于船艉的管道對船體存在拉力作用，故#1～#4錨鏈的最大張力值有所增加，而#5～#8錨鏈的最大張力值則有所減小；當波浪入射角為45°時，#1～#4錨鏈的最大張力值存在不同程度的增加，而#5～#8錨鏈的最大張力值則均呈減小趨勢；當波浪入射角為90°時，#3錨鏈的張力值增幅最大，雖然#6錨鏈和#3錨鏈相對于船體布置，但由于船艉管道的存在，實際上#6錨鏈的張力變化值小于#3錨鏈。綜上可知，管道對錨鏈張力的影響較大，該結論與參考文獻［14］的計算結果相符。

3.2 管道水下懸垂段對船體運動響應和錨鏈張力的影響

鋪管船在作業期間鋪設的管線分為2段，即上弓段和懸垂段。從管線進入導管架到管線自身的反彎點位置即為上弓段，而懸垂段則是指反彎點到海底接觸點的管線長度。假設管道水下懸垂段的長度分別為103，105，107，109，111 m，本節將分析水下管道不同懸垂段對船體運動和錨鏈張力的影響，結果如圖5和圖6所示。

由圖5可知，隨著懸垂段長度的增加，縱蕩運動的增幅最為明顯，垂蕩、縱搖、艏搖運動的增幅較為平緩，而橫搖運動的幅值則是減小后維持不變。因此，除了縱蕩運動之外，懸垂段長度的變化對其他5個自由度運動的影響均較小。

由圖6可知，隨著懸垂段長度的增加，#5～#8錨鏈的張力增加，而#1～#4錨鏈的張力則呈減小趨勢，且變化幅值相對較大。由于#5和#8錨鏈、#6和#7錨鏈、#1和#3錨鏈、#2和#4錨鏈相對于船體對稱布置，故其均隨懸垂段長度的增加而呈現出相同的變化趨勢。可見，管道水下懸垂段的長度對鋪管船體縱蕩運動和錨鏈張力的影響較大。

3.3 船體運動對管道受力的影響

本節將分析船體各個自由度運動對鋪設管道受力的影響，以研究管道受力對船體運動的敏感程度。在管道鋪設過程中，船艉處附近管道上端的張應力最大，而海底段附近的管道因彎曲變形導致的彎曲應力最大。表6所示為輸入Orcaflex軟件的鋪管船運動幅值，圖7所示為管道上端的軸向張應力隨船體各個自由度運動的變化曲線，圖8所示為管道的最大彎曲應力隨船體各個自由度運動的變化曲線。

由圖7可知，船體六自由度運動均會對鋪設管道上端的管道受力產生一定的影響，且管道受力隨著各個自由度運動幅值的增加而增加。從計算結果分析得出，橫搖、艏搖、縱搖運動對管道受力的影響較小；縱蕩運動產生的管道張應力最大值略小于橫蕩，而垂蕩運動產生的管道張應力值最大。綜上所述，船體平移運動對管道張應力的影響要遠大于搖蕩運動，船體六自由度運動對管道張應力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜縱蕩＜橫蕩＜垂蕩，該結論與參考文獻［14，16］的計算結果一致。

表6 船體運動的輸入值Table 6 The input value of hull motion

由圖8可知，船體六自由度運動均會對管道底部的彎曲應力產生一定的影響，其中橫搖、艏搖運動對管道彎曲應力的影響較小；縱搖運動產生的管道彎曲應力最大值小于縱蕩和橫蕩運動；垂蕩運動產生的管道彎曲應力值最大。同時，平移運動的幅值不同，管道的最大受力位置也有所不同；隨著平移運動幅值的增加，管道的最大受力位置將會逐漸向上端轉移。綜上所述，平移運動對管道彎曲應力的影響要遠大于搖蕩運動，船體六自由度運動對管道彎曲應力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜橫蕩＜縱蕩＜垂蕩，該結論與與參考文獻［14，16］的計算結果相符。

4 結 論

本文以“中油海101”鋪管船提升作業能力實際工程項目為依托，基于勢流理論，運用SESAM和Orcaflex軟件分析了鋪管船在增加作業水深時管道與船體及系泊系統的相互作用，得到如下結論：

1）管道對船體運動和錨鏈張力的影響較大，且受波浪入射方向的影響，其中0°入射角時船體縱蕩運動的幅值較大，90°入射角時錨鏈張力的幅值較大。

2）管道懸垂段的長度對船體縱蕩運動的影響較大，對其他自由度運動的影響較小；懸垂段長度對錨鏈張力的影響較大，當懸垂段長度增加時，#5～#8錨鏈的張力將隨之增加，而#1～#4錨鏈的張力則會減小。

3）船體平移運動對管道受力的影響要遠大于搖蕩運動，其中垂蕩運動的影響最大。船體六自由度運動對管道張應力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜縱蕩＜橫蕩＜垂蕩；對管道彎曲應力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜橫蕩＜縱蕩＜垂蕩。