REEL型鋪設陸地試驗方案研究

吳業衛， 周楊， 王雙， 劉軍， 鞠明， 穆永濤

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.哈爾濱工程大學機電工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

油氣的運輸是海洋油氣開發中關鍵的一環，而海底管道運輸由于其的成本低、時效性好的特點，成為了一種主流的油氣運輸方式，因此研究海底管道鋪設相關技術的必要性也日漸凸顯[1]。作為一種較為新型的管道鋪設方式，REEL型鋪設法有著高效率、低成本、適用于深海的特點，適合在海底進行長距離、小管徑的鋪設，漸漸成為了世界范圍內研究機構的關注熱點[2]。

由于起步較晚，我國在海洋工程設備的研究與制造方面與國外先進水平存在著相當的差距[3]。對于REEL型鋪設系統，國內剛剛開始進行了一些初步的理論研究，而工程應用領域尚處于空白狀態[4]。目前，REEL型鋪設系統及技術為國外公司所壟斷，我國在該領域尚處于空白狀態。國內目前尚無REEL型鋪設系統，僅僅是對其進行了極少的基礎理論研究。而在國外，Reel型鋪設法的理論研究和Reel型鋪設系統的設計制造技術已經相當完備和成熟，并且有能熟練進行海上施工的專業鋪管作業團隊相配合。因此當需要進行REEL型鋪設作業時，需付出極高的價格租用國外公司的設備并聘請相關技術、操作人員[5]，不利于我國的海洋油氣開發事業。在國外技術封鎖以及缺少設計資料的前提下，開展陸地試驗，將更好地了解Reel型鋪設的鋪管過程，確定其核心部件的工作流程以及影響因素，為我國自主設計研發Reel型鋪設方式的相關設備提供科學依據。

1 REEL型鋪設系統概述

REEL型鋪設是一種新型的管道鋪設方式[6]。該方法最早始于二戰末期，在英吉利海峽鋪設一條直達法國的輸油管道。隨著海洋開發的逐步進行，REEL型鋪設法優勢逐漸得到了各大企業的重視，于是迅猛發展至如今規模。卷管式鋪設法的作業流程是：首先將待上卷管道在陸地預制場進行焊接、檢測以及涂裝等工作，待以上工作完成之后，將管道上卷至儲存卷筒上，當管道達到儲存極限，鋪管船將開往預定海域進行鋪管作業[7]。相較于其余鋪管方式，REEL型鋪設具有效率高、費用低、可連續鋪設、作業風險小等特點[8]。

按照滾筒擺放的姿態，可將REEL型鋪設分為水平式鋪設與立式鋪設。水平鋪設多應用在早期卷管式鋪管船上，相較于立式鋪設，水平式卷筒的重心更低，可攜帶更多管道，但此種鋪設方式僅適用于水深不大的管道鋪設，且水平卷筒占用甲板空間大，制造工藝更為復雜。立式鋪設法的管道受力情況相較于水平式鋪設法更便于控制，適用于深水管道鋪設，但為了保證REEL型鋪設系統和鋪管船自身的穩定性，其容量要小于水平式鋪設方式。目前，擁有REEL型鋪設系統的公司主要集中在歐美等發達國家，如Technip、Subsea 7以及Mc Dermott等公司。

2 試驗模型設計

2.1 管道鋪設過程分析

海底管道向滾筒上纏繞的過程被稱為上卷，是REEL型管道鋪設流程中的第一步，也是非常關鍵的一步。為了方便管道上卷、減小管道的殘余內應力，一般在管道被纏繞至滾筒之前，會根據管道和滾筒的性能參數對其施加一定的彎曲力，此過程被稱為預彎。預彎過程的實質是提前對管道進行拉彎作用，會受到來自多方面的影響，使管道發生復雜的非線性變化[9]。

管道在預制車間里焊接并檢測合格后，絞車鋼纜與管道末端連接并將管道拖拽至滾筒。待滾筒和管道連接完成后，滾筒正轉，與張緊器相互配合下，將管道上卷至滾筒，其過程如圖1（a）中步驟①所示。待滾筒儲滿管道后，鋪管船離開碼頭航行至預定的施工海域[10]。管道在張緊器和滾筒的配合下緩緩退出滾筒，如圖1（b）中步驟②所示；之后管道通過校準器，此過程中管道的曲率被校準器調整為相同曲率，如圖中步驟③所示；接著管道通過校直器，在校直器作用下，管道產生彎曲變形，方向與前一階段相反，如圖中步驟④所示。離開校直器后，管道發生彈性回彈，曲率變為0，在張緊器的作用下，將管道緩緩鋪設至海底，如圖中步驟⑤⑥所示[11]。

圖1 REEL型鋪設全部過程

如圖1所示，Reel型鋪設系統主要包括滾筒、校準器、校直器、張緊器和鋪設塔。由于滾筒可以存儲多層管道，不同層的管道具有不同的曲率，為實現快速校直，校準器將不同層管道的曲率調整為同一曲率。鋪設塔具有角度調整功能，根據鋪設水深和管道的不同，可調整管道的入水角度，減小張緊器張緊力的大小。

在整個管道鋪設作業中管道會發生數次變形，其曲率與彎矩之間的變化大致可被分為5個階段[12]，管道的曲率與彎矩的關系如圖2所示。

圖2 管道曲率和彎矩變化

1）管道上卷過程，管道在此過程中變形超過其彈性極限，發生非線性的塑性變形；

2）管道從退卷離開滾筒到進入校直器之前，此過程中管道的曲率逐漸降低，產生反向的塑性變形；

3）管道通過校準器，再一次發生彎曲和塑性變形；

4）管道通過校直器，曲率降低，發生反向彎曲；

圖3 上卷

5）經過校直器后，管道的曲率至為0[13]。

Reel型管道鋪設的實質即為：管道在經過如上5次曲率變化之后，其橢圓度、直線度、脫方度以及其他力學性能能否達到相關規定的要求以實現在深海環境下安全穩定的工作。

2.2 上卷分析

管道在卷管基地通過焊接連接在一起，通過一系列的輔助措施，將管道上卷至卷筒上面，在此階段中，管道受到很大彎矩，因此發生了巨大的塑性變形，為最危險的階段，因此，對管道上卷過程的分析極為重要。

由于管道需發生大幅度的彎曲才能被纏繞至滾筒上，在上卷過程需要由張緊器和絞車施加拉力，同時預彎器對管道進行預彎[14]。

在對管道進行預彎之后，管道在鋼絲繩的牽引下將會固定在卷筒上，此時，絞車停止工作，由卷筒提供拉力，將管道上卷至卷筒。上卷過程如圖3所示。

管道管頭在預彎時，三條履帶參與其中，兩根履帶夾持一端，第三條履帶作為壓點對管頭施加壓力，將管道管頭的彎曲曲率調整至與滾筒內徑曲率一致。通過簡化得到了管道在預彎過程中的受力情況，如圖4所示。

圖4 預彎管道受力變形

圖5 管道預彎撓度

為了求得預彎的下壓量，通過彈塑性彎曲的普遍關系建立了如圖5的撓度模型。

按照圖5的撓曲狀態，由于初始狀態C0=0，即Cw=CΣ－C0=CΣ,所以在離開壓點x處的壓下曲率為Cx=CΣx,可以得到撓度為

因此整體撓度為

假設F為常數，那么彈性區的長度lt也是常數。在lt長度內，CΣx函數變為線性函數，即CΣx=Mx/（EI）=Fx/（EI）；在塑性區內Fx/Mt=Fx/Flt=x/lt，故

其中：n為分段數；n′為塑性段分段數；Cxi為各段總曲率；xi為各段到壓點的距離.。

Cx與x之間是高次函數關系，而且Mx=x/lt=），故可以寫出反函數關系式。可以做出－x曲線，可以將曲線的每段xi表達為。

圖6 4 in管道－x曲線

根據上述過程，分別對2～16 in管道進行分析得到如表1所示的預彎下壓量。

表1 預彎下壓量

表2 卷筒內徑尺寸

以X60、D/t=20為例，得到了2～16 in管道在彎曲情況下相關的理論計算參數，如表2所示。

2.3 校直分析

REEL型鋪設中，校直作為一個重要的環節，需要對其過程進行詳細的研究。通過查閱資料發現，在校直時，主要把校直行程作為研究的對象，隨著校直的進行，校直力的大小可能是變化的，并不穩定。

在對校直過程進行分析和計算之前，先做如下定義：

校直時，彈復曲率Cc=0，即Cf=Cw或Cw－Cf=0?？倧澢蔆Σ=f（ξ），彈塑比又可以被寫成彈性彎矩的函數ξ=f（M ），于是=。通過校直方程式可以推導反彎撓度δΣ，假設校直管道的初始撓度為δ0，則總壓下量（即校直行程）δΣ=δ0+δw。

圖7 校直彎曲撓度

此式稱為矯直曲率方程。

所求出的反彎校直曲率Cw是與彈復曲率Cf相等的，故屬于彈性變形。因此反彎壓下的撓度也是屬于彈性撓度，根據材料力學的撓度計算公式可以求出校直下壓撓度，于是可以得到校直行程:

由于在現實情況中材料的性能與理想的彈塑性特性和線性強化特性不符，計算得到的結果和實際情況之間會存在一定的誤差。

當c＜R1時，

將上述推導過程應用在材料為X60，徑厚比20的不同管徑的管道中計算得出，隨著管徑的增加，校直下壓量越來越小。

3 試驗方案研究

3.1 試驗系統原理

本試驗的主要內容意在脫離Reel型鋪設裝備的情況下，模擬Reel型海管在經過上卷以及退卷等一系列過程中管道彎曲的力學狀態以及變形，其目的在于可以通過此套設備代替上卷以及退卷試驗，為將來建造我國自主知識產權的Reel型鋪設相關設備提供理論依據及試驗方法。應用此套設備可以大幅降低試驗安裝難度以及試驗成本，也可對前期有關管道上卷以及校直進行的理論分析進行驗證。整套試驗設備都以10 m長的單層管道為基準進行設計，長約20 m，寬約15 m，考慮到更換管道及設備所需的預設空間，試驗場地至少要達到40 m×20 m。其測試原理如圖8所示。

圖8 陸地試驗方案原理圖

該試驗采用模擬試驗的方法，用兩個固定的支點、兩組施加力和力矩載荷的夾緊裝置和傳感器，通過改變各個變量進行試驗，可以有效地模擬管道在進行Reel型鋪設時的實際彈塑性變形以及受力情況進行試驗。

3.2 試驗系統結構設計

由圖9可以看出，管道中段被兩個弧形壓板夾持，液壓缸驅動滑塊在滑軌上運動，即試驗是通過固定管道兩端，并對管道中部施加一定的變形來對管道的彎曲性能進行試驗。其主要包括支撐整體結構的底座、對管道施加載荷的弧形壓板、一組施加載荷的液壓缸、固定管道的法蘭、端部的支點以及支撐弧形壓板的滑軌。在設備上分別放有位移傳感器、力傳感器以及在管道上的應變片分別對液壓缸行程、液壓缸推力以及管道應力分布進行實時測量。

其中底座作為整個試驗設備的支撐結構，需要承載所有設備的承重以及承受整個系統的內力，在底座上分別設計有液壓缸固定位置、滑軌固定位置以及支點固定位置，其位置以及底座大小應由管道長度以及選取的弧形壓板的大小決定。

弧形壓板是對管道施加載荷的直接接觸的設備，針對不同管徑可設計不同的弧形壓板?；⌒螇喊宸譃樯舷聝擅妫喜繛閺澢?，其弧面為管道的最小曲率半徑，當管道完全貼合在彎曲弧弧面上時，即表示管道已上卷至滾筒；下部弧面為校直弧，管道與校直弧為直線接觸，用以模擬管道的校直過程中下壓履帶，其上直線段距離由履帶校直機構中直線接觸距離決定?？筛鶕煌軓?、材料以及試驗目的更換不同的弧形壓板。

為了彌補試驗時管道長度的問題，設計了管道端頭使管道在試驗時保持兩端的張緊力，其中連接法蘭可根據不同管徑的管道進行更換，左側機構可隨著液壓缸推出行程自動調整角度，白色方柱亦可在兩個橡膠滾子中間進行自由伸縮，以補償有與管道彎曲所造成的長度變化。

3.3 陸地試驗方案

為了盡可能地模擬管道在經過REEL型鋪設設備的實際情況，將陸地試驗分為三個部分：

1）管道極限曲率測試試驗。為驗證有關管道上卷理論的正確性，提出了管道極限曲率測試試驗方案?？刂埔簤和茥U向前推出，觀察管道應變程度，直到管道完全貼合在弧形壓板上部弧形面，在管道相關參數符合試驗標準的情況下更換弧形壓板，選取半徑更小的弧形截面重復上一步試驗，直至管道發生屈曲，記錄此時弧形截面的曲率即為管道的極限曲率。

2）管道校直試驗。為了驗證前期有關管道退卷校直理論分析的正確性，提出了管道校直測試試驗方案。將經過管道極限彎曲試驗的管道重新置于試驗平臺，按照前期理論計算的下壓量，控制液壓缸到達指定位置，隨后復位并停機檢查管道，如果其橢圓度、直線度等數據符合要求，則證明下壓量符合要求；若不符合要求則重復上述過程，并記錄管道在經過校直后最符合相關標準的下壓量值。

圖9 陸地試驗系統結構簡圖

3）管道反復彎曲試驗方案。用于REEL型鋪設的海管在整個鋪設過程的實質即為管道的反復彎曲能力，為了驗證前期理論分析的正確性，提出了管道反復彎曲測試試驗方案。通過控制液壓缸使管道反復達到極限位置，當管道每次達到極限位置時，檢測管道情況，當管道參數符合相關要求后進行反向校直試驗，直至管道出現屈曲或其變形程度已不符合要求，并記錄試驗次數。

4 結論

1）在對國外相關設備和技術調研的基礎上，解析了REEL型鋪設的施工工藝，并以此為基礎設計了REEL型鋪設系統的試驗系統總體結構。提出以陸地彎曲校直試驗驗證管道及鋪設裝置適用性的方法,代替大量的海試工作,為國內自主研發REEL系統奠定了基礎。

2）對上卷及退卷過程中涉及到的相關理論進行了研究，對陸地模擬試驗系統方案進行了設計，并針對4～16 in管道對試驗系統的主要部件進行了結構設計。