宋環(huán)峰，徐徹，林強，常野，郭建志

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

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深水S型鋪管作業(yè)參數(shù)敏感性分析

宋環(huán)峰1,2，徐徹1,2，林強1,2，常野1,2，郭建志2

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

基于集中質(zhì)量法原理，考慮海床、離散型托管架和海流等邊界條件，忽略阻尼、摩擦和扭轉(zhuǎn)，分析水深、管徑、壁厚、托管架半徑和長度等參數(shù)變化對S型鋪設(shè)管線力學(xué)性能影響的一般規(guī)律，為深水S型鋪設(shè)作業(yè)設(shè)計提供參考。

敏感性分析；S型鋪管；集中質(zhì)量法；離散托管架

海底管線作為最經(jīng)濟的油氣運輸方式之一，其鋪設(shè)需求量越來越多[1]。S型鋪管方法是目前海底管道鋪設(shè)最常用的方法，在管線鋪設(shè)作業(yè)時，由于管線受到的載荷非線性、邊界條件非線性，以及管線本身材料的非線性，難以求解。為了更精確地求解管線受力，不少學(xué)者建立理論模型來解決該問題。常用的理論模型有懸鏈線理論、彈性細長桿理論、非線性梁理論，以及集中質(zhì)量法理論；或者根據(jù)管線受力及變形特點，將其中幾種模型結(jié)合使用[2-4]。集中質(zhì)量法有數(shù)學(xué)模型簡單、運算速度快、易求解、易收斂等特點，能很好地模擬波浪、海流、海床及托管架等邊界條件對管線鋪設(shè)作業(yè)的影響。鋪設(shè)作業(yè)時，由于管線受到的載荷復(fù)雜多變，各參數(shù)影響鋪設(shè)的方式有所不同，需要分析系統(tǒng)對環(huán)境參數(shù)和鋪設(shè)參數(shù)的變化的影響，以便在設(shè)計和實際作業(yè)過程中及時調(diào)整施工參數(shù)，以保證管線安全。本文基于集中質(zhì)量法原理，考慮海床、離散型托管架和海流等邊界條件，忽略阻尼、摩擦和扭轉(zhuǎn)，對深水S型鋪設(shè)作業(yè)管線進行敏感性參數(shù)分析，分析水深、管徑、壁厚、托管架半徑和長度等參數(shù)對深水S型鋪設(shè)的影響。

1 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

規(guī)定水面的z向坐標(biāo)值為0，豎直向上為正，張緊器x向坐標(biāo)值為0，建立笛卡爾坐標(biāo)系，見圖1。

圖1 坐標(biāo)系

根據(jù)集中質(zhì)量法理論，將管線用一組無質(zhì)量彈簧和集中質(zhì)量點模擬，對于每個單元的軸向拉力及彎矩分別用拉伸彈簧和彎矩彈簧模擬，將管線單元的質(zhì)量均勻分布到節(jié)點上，節(jié)點的位移向量用y1,y2,y3表示，見圖2。

圖2 單元示意

假設(shè)未變形前的管線是直的，管線受力平衡方程為[5-6]

(1)

式中：T和P分別為軸向和彎矩彈簧的力；W為管線所受重力(在海里為濕重，離開海水為干重)；Fsb為海床接觸力；Fs為托管架接觸力；FD為流體阻尼力。

管線單元的軸向拉力和彎曲剪力可分別寫為

(2)

(3)

海底接觸力為

(4)

托管架接觸力為

流體力為[7-8]

(6)

2 算例

以某深水S型鋪管船為例，張緊器距水面高度9m，托管架滾軸數(shù)量為13個，托管架滾軸半徑0.262m，托管架剛度15 000kN/m，保證計算中每個滾軸都與管線接觸，其他計算參數(shù)見表1，海流方向與鋪管方向相同。

表1 計算參數(shù)

2.1 水深

水深取800，1 000，1 200，1 400 m，管線長度為2 200 m，管線以及鋪管船其他參數(shù)不變，計算結(jié)果見圖3～5。

圖3 管線形態(tài)

圖4 彎矩沿弧長分布圖

圖5 有效張力沿弧長分布圖

由圖3～5可以看出，隨著水深的增加，管線分離角越來越小，但是由于水深關(guān)系，觸地點反而遠離鋪管船。管線彎矩隨水深變化不明顯，觸底點附近，管線彎矩隨水深增加而減小。這是因為由于管線在托管架上的形態(tài)基本是一致的，這就導(dǎo)致了雖然水深在變化，但是管線在托管架上彎矩幾乎不變。雖然觸底點處，水深增加管線形態(tài)變陡，但是由于水深關(guān)系，彎矩反而降低。由于隨著水深增加，懸垂段管線長度明顯增加，所以管線的張力也越來越大，所以隨著水深的增加管線的張力尤其是張緊器的張力變化劇烈，在設(shè)計的時候需要主要考慮不同水深對張緊器帶來的影響。

2.2 管徑

管線的管徑的變化會影響流體對管線的作用力，以及管線自身的剛度和自重。分別選取管徑為22、24、26和28 in，壁厚取1.5 in，具體結(jié)果見圖6～8。

圖6 管線形態(tài)

圖7 托彎矩沿弧長的分布

圖8 有效張力沿弧長的分布

由圖6可見，隨著管徑的增加，管線形態(tài)變化不大。圖7中，托管架段的彎矩變化較大，這是由于管線壁厚一定時，彎曲剛度隨著管徑變大而變大。圖8中有效張力隨著管徑增加降低，這是因為雖然管徑增加管線空氣中重量增加，且受到的流體力增加，但管線水中重量卻呈減小趨勢，在流速較小時，管線有效張力隨著管徑的增加而減小。

可見壁厚一定時，隨著管徑的增加，托管架段彎矩值迅速上升，設(shè)計中需要考慮管徑增大時，托管架段的管線應(yīng)力是否在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

2.3 壁厚

管線壁厚的變化直接影響管線自身的剛度和自重。選取管線壁厚1.00、1.25、1.50、1.75 in，管徑取22 in，結(jié)果見圖9～11。

圖9 管線形態(tài)

圖10 彎矩沿弧長的分布

圖11 有效張力沿弧長的分布

由圖9可見，隨著壁厚的增加，管線形態(tài)變化不大。由圖10可見，托管架段的彎矩隨著壁厚增加而增大。這是由于管徑一定時，彎曲剛度隨著壁厚變大而變大。圖11中，由于管徑一定，壁厚越大，管線重量越大，故有效張力隨著壁厚增加而增大。

因此，隨著管徑的增加，管線的張力明顯變大，在設(shè)計的時候需要主要考慮壁厚變化對張緊器帶來的影響。

2.4 托管架半徑

托管架半徑的變化會直接改變托管架段管線形態(tài)和管線的分離角，從而影響托管架段管線的彎矩以及應(yīng)力和應(yīng)變以及懸垂段管線的管線的長度和張力，以及觸底點的彎矩值。仍選用離散型托管架作研究對象，托管架長度為120 m，托管架曲率半徑分別取100，110，120和130 m，其他參數(shù)不變。

管線形態(tài)隨托管架半徑的變化見圖12。隨著托管架半徑增加，管線與托管架分離的分離角增大，懸垂段的管線長度增加，相應(yīng)的，懸垂段管線增長，觸地點位置遠離鋪管船。

圖12 管線形態(tài)

由圖13，托管架半徑增加，在托管架上的管線彎矩隨之減小，觸地點區(qū)域，管線彎矩逐漸減小。由于懸垂段長度增加，管線的張力隨著托管曲率半徑的增加而增加，具體見圖14。

圖13 彎矩沿弧長的分布

圖14 有效張力沿弧長的分布

總的來說，托管架曲率半徑增加，會減小管線在托管架和觸地點的彎矩，從而減小管線的應(yīng)力和應(yīng)變，但是會增加管線的張力。所以在鋪設(shè)作業(yè)中，應(yīng)在確保張緊器張力安全時，選取較大的托管架，減小鋪設(shè)過程中管線的應(yīng)力。

2.5 托管架長度

確定托管架長度時，需要綜合考慮需鋪設(shè)的管線參數(shù)、海況條件及船舶穩(wěn)性等因素。托管架長度的變化會改變托管架段與管線的分離角，從而影響懸垂段管線的管線的長度、張力以及觸底點的彎矩值。托管架半徑取110 m，托管架長度分別取110、120、130和140 m。其他參數(shù)不變。

由圖15～17可見，當(dāng)托管架長度增加，管線與托管架的分離角減小，所以管線形態(tài)變陡，觸地點位置向鋪管船靠近，懸垂段管線長度減小，因此有效張力也隨之減小。因為托管架半徑為定值，所以在托管架段管線彎矩值變化較小，由于管線越來越陡，所以觸底點管線的彎矩呈增大趨勢，但是幅度有限。所以托管架長度的變化對管線彎矩和應(yīng)力影響較小。

圖15 管線形態(tài)

圖16 彎矩沿弧長的分布

圖17 有效張力沿弧長的分布

所以托管架長度主要影響的是管線的張力，而對管線的彎矩和應(yīng)力影響較小，故設(shè)計過程中，應(yīng)在確保張緊器張力安全時，盡可能增加托管架的長度，以減小張緊器提供的張力要求。但是托管架長度變化會影響船舶的穩(wěn)性，需要綜合考慮。

3 結(jié)論

1)水深、托管架長度對管線有效張力是高敏感參數(shù)，但對管線彎矩影響較小，所以鋪管船設(shè)計時，鋪設(shè)水深和托管架長度減小都會導(dǎo)致管線有效張力尤其是張緊器張力迅速增加，需考慮這些參數(shù)變化對張緊器的影響，以防張緊器張力不足而引發(fā)危險。

2)其他參數(shù)一定時，管線張力和彎矩對管徑、壁厚變化均敏感，這主要是影響管線自身的剛度和自重變化引起的。

3)托管架半徑對彎矩和有效張力均是敏感性參數(shù)，半徑增大時，管線彎矩明顯變小，有效張力顯著增大，故鋪設(shè)作業(yè)時需權(quán)衡考慮，在張緊器能力不夠時，需減小鋪設(shè)半徑，減小張緊器所需提供的張力，在能保證張緊器張緊能力的情況下，盡可能選擇大的鋪設(shè)半徑，以減小管線應(yīng)力。

[1] 宋儒鑫.深水開發(fā)中的海底管道和海洋立管[J].船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟信息，2003(6):31-42.

[2] DIXON D A, RUTLEDGE D R. Stiffened catenary calculations in pipeline laying problem[J]. Journal of engineering for industry, ASME,1968,90(2):153-160

[3] BERNITSAS M M, VLAHOPOULOS, N. The three dimensional nonlinear statics of pipelaying using condensation in an incremental finite element algorithm[J]. Computers & Structure,1990,35:195-214.

[4] 康莊，張立，張翔.鏈線和大變形梁理論的J型鋪設(shè)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2015，36(9)：1170-1176.

[5] 宋環(huán)峰，艾尚茂，杜新光，等.深水S型鋪管作業(yè)托管架多參數(shù)優(yōu)化[J].中國造船，2015，56：142-150.

[6] 聶武，孫麗萍.船舶計算結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

[7] 史政，嚴(yán)仁軍，陳曉飛，等.海洋鋪管力學(xué)模型的改進及有限元求解[J].船海工程，2009，38(6)：95-98.

[8] 繆國平.撓性部件力學(xué)導(dǎo)論[M].上海交通大學(xué)出版社，1996.

Sensitivity Analysis of S-lay Method for Deepwater Pipeline

SONG huan-feng1,2, XU Che1,2, LIN Qiang1,2, CHANG Ye1,2, GUO Jian-zhi2

(1.China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China;2.Shanghai Oriental Marine Engineering Technology Co.,Ltd., Shanghai 200011, China)

The sensitivity of parameters of S-lay was analyzed based on lumped mass method, considering seabed, discrete stinger and current boundary conditions, neglecting damping, friction and torsion. The influence of water depth, pipe diameter, wall thickness, radius and length of the stinger on the mechanical properties of pipeline was analyzed, which provides a reference for the design of S-lay installation in deepwater.

sensitivity analysis; S-lay method; lumped mass method; discrete stinger

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.040

2016-10-14

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130109)

宋環(huán)峰(1989—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋油氣及礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)

P754

A

1671-7953(2017)04-0173-05

修回日期：2016-11-03