基于Orcaflex的海底管道提升出水的動態(tài)模擬分析

王偉松

（天津大港油田集團工程建設有限責任公司，天津 300270）

海底管道作為最安全、最便捷、最經(jīng)濟可靠的海上運輸方式，承擔著輸送石油、天然氣、水或其他液體介質(zhì)的責任，幾乎不受環(huán)境條件的影響，受到了全球各大石油公司的追捧，自1954年第一條海底管道建成以來，在當今中國乃至世界范圍內(nèi)，海底管道的鋪設里程呈現(xiàn)指數(shù)上升的發(fā)展態(tài)勢，總里程目前已達十幾萬千米。海底管道在正常運營期間，面臨來自各個方面的風險，表現(xiàn)在：（1）自然環(huán)境風險，比如海底土質(zhì)受到水流的侵蝕，導致海底管道下方土壤被掏空而造成的懸跨屈曲，或被硬質(zhì)尖銳物刺穿的風險；（2）人為風險，比如，海面上船舶拋錨或其他墜落物造成對管線的損傷，或不法分子偷盜石油而故意損壞海底管道；（3）施工風險，如在鋪設海底管道時，由于應力或應變控制不善而導致管線屈曲的風險。當海底管道遭遇泄漏、屈曲等失效的情況時，管線修復工作顯得尤為重要，即將海底管道提升至水面以上，然后，再進行管道的修復工作。本文研究的是如何保證海底管道在提升至水面的過程中的安全性問題。

1 海底管道提升出水的影響因素

1.1 船機設備影響

海底管道提升出水時，一般多采用鋪管船。鋪管船在水中呈現(xiàn)的六個自由度的運動將直接影響管線的受力狀態(tài)。船體的外觀尺寸、質(zhì)量、慣性矩、重心位置、RAO參數(shù)等均需要考慮在內(nèi)。船體在水流中振蕩時而受到的力，比如，使船體具備加速度的慣性力、阻尼力，以及使船體恢復到平衡狀態(tài)的平衡力，都會直接影響船體不同的運動狀態(tài)與幅度。

1.2 自然環(huán)境影響

（1）海水密度。不同的海水密度將對管線產(chǎn)生不同的浮力，影響管線在水中的姿態(tài)，管線應力及應變也隨之受到影響，為了簡化計算，一般只需將海水密度考慮為恒定值，但當對計算結(jié)果的精度要求較高時，則需考慮不同水深情況下的海水密度變化。

（2）海床土體。海底管道通常是埋置在海床下或裸露放置在海床上，管道與海床土體直接接觸，二者是完全不同的兩種材料，需要注意接觸面的影響。土壤的本構關系是一種非線性彈性關系，其各個方向的剛度不盡相同，則管道在土體中的各向位移也不盡相同。另外，海床與管道之間的摩擦力，土體對管道的黏滯力，都會影響管線的提升。

（3）作業(yè)水深。作業(yè)水深對提升的影響是非常大的，當作業(yè)水深越深，管道所需提升的高度越高，管道兩端的著泥點距離越遠，則管道被提升的總重量和總長度在不斷增加，管道自身的應力和應變也在不斷增加。在應力及應變所允許的范圍內(nèi)，水深較大的區(qū)域采用多點吊裝對管道進行提升出水。

（4）波浪影響。波浪是一個復雜的影響因素，在某一海域、某一時間段內(nèi)，可能存在很多的波浪進行疊加、影響。在海底管道被提升出水的過程中，波浪荷載對船舶造成六個自由度的運動，管道也隨之不停擺動，從而影響管線的受力狀態(tài)和彎曲半徑。與此同時，提升海底管道的舷吊也隨著船舶發(fā)生升沉，進一步影響每個吊點的負荷。波浪運動的劇烈程度直接影響著海底管道提升成功與否的關鍵。

（5）海流影響。海流是海水在某個范圍內(nèi)的相對穩(wěn)定的流動，可應用莫里森方程來計算某一深度處的海流作用力。當縱向來流時，管道在提升過程中基本不會受到影響，海流影響可以忽略；當側(cè)向或橫向來流時，管道直接橫在海流中，相當于沿著管線長度方向上施加了一個均布荷載，對管道的橫向撓曲變形量影響很大。另外，船舶的橫向位移與管道的橫向變形方向一致，加劇了管道的橫向撓曲變形量，其應力值也會相應提高。

（6）風荷載的影響。風荷載對管線幾乎無影響，而對船舶影響力的大小取決于迎風面積和形狀系數(shù)。

1.3 管線自身參數(shù)影響

管線參數(shù)主要包括直徑、壁厚、密度、配重、剛度、楊氏模量、泊松比等內(nèi)容，提升系統(tǒng)首先需要克服的是管線在水中的重量，即空氣中重量減去水中浮力，由管線直徑、壁厚、密度和配重情況決定；另一個需要克服的是管線的剛度，剛度越大，則管線的抗變形能力越強，提升時，著泥點的位置也就越遠，需要提升的管線也就越長。

1.4 施工方案的影響

施工方案是確保海底管道能夠安全、可靠地提升的關鍵內(nèi)容，以上所有因素均是編制施工方案時需要考慮的因素，在綜合因素的影響下，要保證在整個提升過程中，管道的每個截面的應力和應變值均不超過規(guī)范要求，必須慎重選擇吊點的位置，必須嚴格控制舷吊的提升速度，必須做好各個舷吊的配合。在同等條件下，提升速度慢的管道等效應力要比提升速度快的?。惶嵘叨仍礁?，管道應力越大；吊點布置得越多越密集，管道應力越小。

2 力學分析理論基礎

2.1 靜態(tài)分析

海底管道的提升出水本是一個動態(tài)過程，但為了簡化分析過程，靜態(tài)分析的第一步則需要簡化力學模型，自然環(huán)境影響因素能忽略的就忽略，第二步則建立一個可以通過一系列的數(shù)學外推法公式解決的管道數(shù)學模型。

2.2 動態(tài)分析

靜態(tài)分析在一定程度上簡化了分析過程，因此，它的分析結(jié)果較實際狀況的受力狀態(tài)值偏小，對管道的安全性評估不到位，需要考慮自然環(huán)境的動態(tài)因素，如隨著時間和地點不斷變化的風、浪、流等。進行動態(tài)分析的最廣泛的理論基礎是有限元理論，簡單來說，是將管線假想切割成一系列的微分單元，以每個微分單元作為力學分析的對象，然后，把眾多的微分單元組合成一個連續(xù)的結(jié)構，對整體結(jié)構進行綜合分析。目前，有很多海底管道鋪設分析軟件可以使用，如OFFPIPE、ABAQUS、ORCAFLEX等。

3 采用Orcaflex的管道提升模擬

Orcaflex軟件主要用于分析海洋結(jié)構的力學性能及安裝過程的仿真模擬，具有靈活的建模方式和強大的處理性能，下面將對有限元模型的創(chuàng)建做簡單介紹：

（1）作業(yè)船設置。作業(yè)船作為一個浮體結(jié)構，在水中的六個自由度的運動直接影響管線的受力狀態(tài)，因此，必須輸入詳細的船舶參數(shù)。其參數(shù)包括外觀尺寸、質(zhì)量、慣性矩和重心位置等，另外，還需要輸入船體的相應幅值，即RAO數(shù)據(jù)。

（2）管線設置。管線采用line命令進行定義，建模時，管線的長度要定義長一些，這樣可以盡可能真實地模擬管線的受力狀態(tài)。其參數(shù)匯總?cè)绫?。

表1

（3）舷吊設置。舷吊，即位于作業(yè)船的舷側(cè)用于提升管道的吊車，一般布置至少有六臺。在orcaflex軟件中用winch模型進行創(chuàng)建，選用長度控制模式，隨著時間的推移，慢慢回收鋼絲繩，從而實現(xiàn)管線的提升。

環(huán)境參數(shù)設置如表2。

表2

當建模完成并設置完所有參數(shù)后，先進行模型整體靜力分析，當靜態(tài)分析收斂完成后，再進行整體動態(tài)分析，可以輸出想要的計算結(jié)果。

4 動態(tài)分析結(jié)果輸出及解讀

由圖1曲線可以清晰地得知，管線的最大應力值為320MPa，根據(jù)DNV OS F101規(guī)范，其應力值320MPa＜0.87×45OMPa，滿足規(guī)范要求；管線的最大應變值為0.17%，根據(jù)DNV OS F101規(guī)范，其應變值0.17%＜0.25%，滿足規(guī)范要求。

圖1 等效應力、應變曲線

5 結(jié)語

本研究通過使用orcaflex對管線修復時提升出水的過程進行動態(tài)仿真模擬，計算了提升力和管線的力學性能參數(shù)，其能真實反映管道的應力應變分布情況，對今后類似的實際工程具有一定的參考價值和借鑒意義，結(jié)論如下：

（1）Orcaflex中環(huán)境參數(shù)更加完善，其仿真模擬更趨近于真實情況。

（2）Orcaflex軟件可以模擬舷吊的動態(tài)收繩過程，分析其張力隨著提升高度的變化而變化，更準確地計算張力。

（3）靜態(tài)和動態(tài)分析結(jié)果以圖表的形式進行呈現(xiàn)，更加形象直觀地展示管道的受力狀態(tài)，確保管道自身的安全。