李志剛 任 平 燕 暉 商 輝 梁凌云

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.上海交通大學(xué)海洋水下工程科學(xué)研究院)

我國(guó)南海深水油氣資源開發(fā)對(duì)保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。深水海底管道鋪設(shè)是海洋深水油氣資源開發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),在實(shí)施深海鋪管作業(yè)時(shí),應(yīng)對(duì)深水鋪管船、托管架及其與管道組成的耦合系統(tǒng)在深海環(huán)境荷載條件激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),尤其是管道張力及應(yīng)變進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,目前常用的有數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)2種方法,其中模型試驗(yàn)是一種公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)、可靠的方法。

隨著研究水深的增加,尺度問(wèn)題成為深水海底管道鋪設(shè)模型試驗(yàn)中面臨的主要問(wèn)題,如果采用常規(guī)縮尺比,利用常用方法在現(xiàn)有試驗(yàn)水池條件下難以完整地進(jìn)行水深超過(guò)2000 m的深水海底管道鋪設(shè)模型試驗(yàn)。因此筆者提出了一種新型的等效離散型管道模型試驗(yàn)方法,并對(duì)該方法進(jìn)行了理論計(jì)算分析和2000 m水深海底管道鋪設(shè)水池試驗(yàn),分別將等效離散型管道模型試驗(yàn)方法的理論計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果與連續(xù)型管道模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了等效離散型管道模型試驗(yàn)方法的可行性。

1 等效離散型管道模型試驗(yàn)方法的提出

在深海結(jié)構(gòu)物模型試驗(yàn)中,Stansberg等提出了混合模型試驗(yàn)方法(Hybrid Model Testing Technique)[1],圖1為混合模型試驗(yàn)方法示意圖;Rolf等為滿足實(shí)驗(yàn)室水池的尺度要求,完成深水結(jié)構(gòu)物模型試驗(yàn),對(duì)深水FPSO長(zhǎng)距離的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行截?cái)郲2];張火明等對(duì)等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)模型試驗(yàn)結(jié)果的可用性進(jìn)行了研究[3],目前該方法已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用和認(rèn)同。

圖1 混合模型試驗(yàn)方法示意圖[1]

我國(guó)南海油氣田開發(fā)正走向3000 m水深,而目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的試驗(yàn)水池水深為10m,水池中設(shè)有直徑為5 m的深井,深井處最大水深為40 m,考慮到目前模型試驗(yàn)常用的1∶50左右的縮尺比,國(guó)內(nèi)試驗(yàn)水池遠(yuǎn)不能滿足3000 m深水鋪管模型試驗(yàn)的要求。因此,筆者借鑒混合模型試驗(yàn)方法對(duì)水下部分進(jìn)行等效截?cái)嗟姆绞?對(duì)海底管道采取等效方法,將深水長(zhǎng)管道分成若干段,對(duì)每一段管道不追求尺度的相似,而是考慮動(dòng)力特性相似(即考慮水下質(zhì)量相似、彈性相似、排開水質(zhì)量相似),建立等效離散型管道模型,對(duì)管道鋪設(shè)中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 等效離散型管道模型理論分析

等效離散型管道模型,是將管道分成若干段,用集中質(zhì)量和彈簧替代各段管道的質(zhì)量和彈性來(lái)建立力學(xué)效果上等效的模型,可用于水池模型試驗(yàn)(圖2)。以下分別對(duì)2000 m和3000 m水深海底管道鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力理論分析,并對(duì)等效離散型管道模型和連續(xù)型管道模型動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行比較,進(jìn)而分析等效離散型管道模型試驗(yàn)方法的可行性。

圖2 等效離散型管道力學(xué)模型

首先進(jìn)行2 000m水深管道8段等效系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析。參考相關(guān)文獻(xiàn)[4—6],將應(yīng)分析。 m水深管道等效離散為8段的管道力學(xué)模型,即將實(shí)際連續(xù)的管道等效為8根串聯(lián)在一起的管道模型。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的起重鋪管船——海洋石油201船的設(shè)計(jì)鋪管能力,在水深為2 000m時(shí),深水鋪管船最大可鋪設(shè)外徑為0.將實(shí)際續(xù)的 m的海底管道,相關(guān)參數(shù)如下:

管道外徑D=0.32385 m;

管道內(nèi)徑 d=0.2477 m;

單位長(zhǎng)度管道的水下質(zhì)量w1=184 kg/m;

單位長(zhǎng)度管道的空氣中質(zhì)量w2=269 kg/m;

船舶升沉幅度為2 m;

船舶升沉周期為5 s。

每段管道的剛度為

每段管道等效線性粘滯阻尼為

其中:ω為波浪激勵(lì)圓頻率;h為單段集中質(zhì)量振幅;海水密度ρw=1.03×103kg/m3;鋼材彈性模量E=0.206×1012N/m2;鋼材結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù) c0=0.049×103N·s/m;切向阻力系數(shù) Ct與表面粗糙程度有關(guān),一般為0.01～0.03,本次研究取0.02。

以管道的各集中質(zhì)量靜態(tài)平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn),建立等效離散型管道模型8段等效系統(tǒng)的振動(dòng)方程組,即

其中:Mi為每段管道的質(zhì)量;Mi=m L=6.725×104kg。管道的最大應(yīng)力變化規(guī)律為

方程組(1)的求解基于四階龍格-庫(kù)塔方法,積分步長(zhǎng)為0.01,去掉8000步暫態(tài)變化過(guò)程,得到2000 m水深管道等效離散型管道模型危險(xiǎn)截面處(托管架末端)的最大應(yīng)力,將其與連續(xù)型管道模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比(圖3),可以看出,應(yīng)力曲線形態(tài)非常接近,計(jì)算得到2種方法計(jì)算結(jié)果的偏差約為4%。

圖3 2000 m水深管道等效離散型管道模型與連續(xù)型管道模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

同理,可建立3000 m水深管道離散型管道模型12段等效系統(tǒng)的振動(dòng)方程組,得到3000 m水深管道離散型管道模型危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力,將其與連續(xù)型管道模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比(圖4),可以看出,應(yīng)力曲線幾乎完全重合,計(jì)算得到2種方法計(jì)算結(jié)果的偏差約為3%。

以上分析表明,離散型管道模型試驗(yàn)方法是可行的。

圖4 3000 m水深管道等效離散型管道模型與連續(xù)型管道模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 水池試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

考慮現(xiàn)有的試驗(yàn)條件,對(duì)2000 m水深管道鋪設(shè)過(guò)程分別進(jìn)行了等效離散型管道模型和連續(xù)型管道模型水池試驗(yàn),并對(duì)2種模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,以驗(yàn)證本文提出的等效離散型管道模型試驗(yàn)方法的可行性,為3000 m水深乃至更深水域鋪管系統(tǒng)模型試驗(yàn)提供依據(jù)。

等效離散型管道模型中的管段以250 m為1段,從動(dòng)力學(xué)角度,考慮該管段的排水質(zhì)量、水下質(zhì)量和結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)管段模型。等效管段的上、下錐體與筒體采用螺紋連接,下錐體安裝連接桿,2個(gè)管段通過(guò)彈簧連接,筒體內(nèi)注滿淡水,并進(jìn)行配重。等效離散型管道模型可以有效對(duì)管道總質(zhì)量、排開水質(zhì)量和管道剛度進(jìn)行模擬。同時(shí),還按照相應(yīng)的縮尺比建立了普通連續(xù)型管道模型。等效離散型管道模型示意圖和制作完成的用于水池試驗(yàn)的2種管道模型見(jiàn)圖5。

圖6為2000 m水深管道鋪設(shè)等效離散型管道模型和連續(xù)型管道模型水池試驗(yàn)示意圖,通過(guò)水池試驗(yàn)得到的關(guān)鍵點(diǎn)處管道張力的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出,等效離散型管道模型與連續(xù)型管道模型的張力試驗(yàn)結(jié)果比較接近,管道關(guān)鍵點(diǎn)處張力平均值偏差的絕對(duì)值不超過(guò)0.5%,最大值偏差的絕對(duì)值不超過(guò)4%,表明采用等效離散型管道模型試驗(yàn)方法開展深水鋪管系統(tǒng)的水池試驗(yàn)可以保證較高的試驗(yàn)精度。從表1還可以看出,連續(xù)型管道模型管道張力的標(biāo)準(zhǔn)差均大于等效離散型管道模型,這說(shuō)明采用等效離散型管道模型難以模擬實(shí)際鋪管過(guò)程中由于管道長(zhǎng)度引起的管道在水中的晃蕩程度。

表1 連續(xù)型管道模型試驗(yàn)與等效離散型管道模型試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)處管道張力對(duì)比表(2000 m水深)

4 結(jié)論

(1)理論計(jì)算分析表明,2000 m水深管道等效離散型管道模型計(jì)算所得危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力與連續(xù)型管道模型計(jì)算結(jié)果的偏差約為4%,而3000 m水深管道等效離散型管道模型計(jì)算所得危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力與連續(xù)型管道模型計(jì)算結(jié)果的偏差約為3%。

(2)水池試驗(yàn)結(jié)果表明,2000 m水深離散型管道模型與連續(xù)型管道模型的試驗(yàn)結(jié)果中,管道關(guān)鍵點(diǎn)處張力平均值偏差的絕對(duì)值不超過(guò)0.5%,最大值偏差的絕對(duì)值不超過(guò)4%。

(3)根據(jù)上述理論分析和水池試驗(yàn)結(jié)果,采用等效離散型管道模型開展海上深水鋪管系統(tǒng)的物理試驗(yàn)是可行的;該方法是充分利用現(xiàn)有試驗(yàn)條件,在降低試驗(yàn)難度和成本的基礎(chǔ)上保證較高試驗(yàn)精度的有效方法。

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