深水管道鋪設(shè)中托管架精細(xì)建模及滾輪支撐坐標(biāo)計(jì)算

白 寧

（海洋石油工程股份有限公司）

深水管道鋪設(shè)中托管架精細(xì)建模及滾輪支撐坐標(biāo)計(jì)算

白 寧

（海洋石油工程股份有限公司）

針對(duì)深水管道鋪設(shè)中滾輪支撐坐標(biāo)難以確定的問(wèn)題，開發(fā)了一種能夠建立精細(xì)的托管架模型及自動(dòng)獲得最優(yōu)化的托管架形狀和滾輪高度的計(jì)算程序。應(yīng)用結(jié)果表明，本文方法能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)方法的缺陷，大大提高設(shè)計(jì)效率和可靠性。

深水管道鋪設(shè) 托管架模型 滾輪支撐坐標(biāo) 計(jì)算程序

在海底管道鋪設(shè)工程中，S型鋪設(shè)是一種低成本、高效率的鋪設(shè)方法[1－4]，其中支撐管線的托管架以及滾輪的設(shè)置起著非常重要的作用。盡管最佳的參數(shù)設(shè)置能夠使管道的應(yīng)力應(yīng)變最小化，并能顯著降低工程成本，然而由于各種原因，通常實(shí)際工程中要得到最佳應(yīng)力應(yīng)變的作業(yè)線最佳設(shè)置參數(shù)是很困難的。

在海底管道鋪設(shè)分析中，需要在OFFPIPE等鋪管分析軟件中輸入精確的滾輪支撐坐標(biāo)來(lái)計(jì)算管線的應(yīng)力應(yīng)變。在淺水管道鋪設(shè)工程中，得到滾輪支撐坐標(biāo)以及作業(yè)線設(shè)置參數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用CAD軟件來(lái)建立鋪管船和托管架的模型，然后手動(dòng)調(diào)整參數(shù)（如托管架角度和支撐滾輪高度等），如果所有滾輪都能接觸到管線，那么這時(shí)作業(yè)線的配置參數(shù)以及相應(yīng)的滾輪支撐坐標(biāo)就能夠用到實(shí)際施工中。但是在深水管道鋪設(shè)作業(yè)中，由于托管架的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，通常會(huì)由3段甚至4段組成，這時(shí)傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)的方式就會(huì)失效，得到可用參數(shù)非常困難。另外，在淺水管道鋪設(shè)工程中，管道的應(yīng)力水平一般大大低于管道鋼材的屈服應(yīng)力，而在深水鋪管作業(yè)中，管道的應(yīng)力水平較接近屈服應(yīng)力，這時(shí)保證作業(yè)線的形態(tài)最優(yōu)化就變得非常重要。

為了克服傳統(tǒng)作業(yè)線設(shè)置參數(shù)調(diào)整技術(shù)的缺點(diǎn)，筆者開發(fā)了一套能夠建立精細(xì)的托管架模型及自動(dòng)獲得最優(yōu)化的托管架形狀和滾輪高度的計(jì)算程序。該程序能夠根據(jù)用戶設(shè)定的鋪管船模型以及管線彎曲半徑快速計(jì)算得到各支撐滾輪坐標(biāo)，并能保證該計(jì)算結(jié)果為最優(yōu)。

1 托管架精細(xì)模型的建立

為了得到準(zhǔn)確的支撐滾輪坐標(biāo)，必須建立精細(xì)的托管架模型，這里所指的托管架模型是廣義的，包括船上的張緊器及其之后的作業(yè)線部分。

1.1 坐標(biāo)系定義

鋪設(shè)中管線有限元模型的坐標(biāo)如圖1所示。在這個(gè)坐標(biāo)系中，X軸是水平的，位于靜止的水面上，與管線鋪設(shè)的方向平行，并且位于管線鋪設(shè)路徑的正上方；Y軸是豎直的，在水面處其坐標(biāo)為零，在水面上其坐標(biāo)為正，水面下其坐標(biāo)為負(fù)；船尾板與水面的交點(diǎn)被定義為原點(diǎn)。在本文中，整個(gè)問(wèn)題都是在X－Y平面這個(gè)二維系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分析的。

圖1 深水管道鋪設(shè)中管線有限元模型坐標(biāo)

為了精確描述托管架的結(jié)構(gòu)，考慮到計(jì)算的方便，需要在每段托管架上建立局部坐標(biāo)。這里以托管架段的最左端支撐滾輪柱與上懸桿中線的交點(diǎn)為原點(diǎn)，X坐標(biāo)軸與上懸桿中線平行，Y軸與上懸桿垂直向上，如圖2所示。

圖2 深水管道鋪設(shè)中每段托管架局部坐標(biāo)

1.2 模型構(gòu)建

一般來(lái)說(shuō)，托管架是由若干段構(gòu)成的，段與段之間通過(guò)鉸接相連。鉸接點(diǎn)有可能位于托管架上懸桿（圖3），也有可能位于下懸桿（圖4）。在本文的研究中，鉸接點(diǎn)位于上懸桿和下懸桿在算法上沒(méi)有任何區(qū)別，甚至位于上下懸桿中間也可以。

從支撐滾輪柱的根部到管線的距離由2部分構(gòu)成，即滾輪高度和滾輪附加高度（圖5）。滾輪高度是上懸桿中線到滾輪支撐旋轉(zhuǎn)軸的距離，而附加高度則是從旋轉(zhuǎn)軸到管線的距離。1組滾輪支撐有可能由2個(gè)滾輪箱構(gòu)成，也可能僅由1個(gè)滾輪箱構(gòu)成，只要知道滾輪箱的設(shè)計(jì)尺寸、管道的外徑以及管道的半徑，即可根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何公式求出滾輪高度和附加高度。

圖5 深水管道鋪設(shè)中滾輪箱滾輪高度和附加高度

2 滾輪支撐坐標(biāo)的計(jì)算

2.1 計(jì)算流程

在S型鋪管施工中，托管架上管道的理想形態(tài)是標(biāo)準(zhǔn)圓弧，因此本文計(jì)算中把圓弧半徑作為輸入?yún)?shù)，其目的就是要讓滾輪支撐都能貼合這個(gè)理想圓弧。計(jì)算滾輪支撐坐標(biāo)的主要思路是：首先根據(jù)各個(gè)滾輪支撐的滾輪高度范圍計(jì)算出允許的管線圓弧所處的位置范圍，然后選擇一個(gè)最佳的圓弧位置以及最佳的托管架形態(tài)，最后根據(jù)此圓弧并通過(guò)幾何方法計(jì)算出滾輪支撐坐標(biāo)。

在計(jì)算過(guò)程中，最后需要確定托管架與管線圓弧的相對(duì)位置，而只要托管架段之間的鉸接點(diǎn)與圓弧的距離確定了，托管架與管線圓弧的相對(duì)位置也就確定了。于是，托管架段之間的鉸接點(diǎn)（包括托管架與船之間的鉸接點(diǎn)）與圓弧的距離是最核心的求解對(duì)象。

計(jì)算中定義了2個(gè)主要的子程序，第一個(gè)子程序的功能是根據(jù)船上每個(gè)支撐滾輪的高度范圍計(jì)算出一組允許的管線圓弧的水平切點(diǎn)的位置范圍，將所有的位置范圍疊加后得到最終切點(diǎn)位置范圍，進(jìn)而計(jì)算出托管架和船的鉸接點(diǎn)與管線的允許距離范圍，為下一步計(jì)算做準(zhǔn)備，其具體計(jì)算流程見圖6。第二個(gè)子程序的功能是根據(jù)每個(gè)托管架上的滾輪高度范圍，計(jì)算出每段托管架的兩端鉸接點(diǎn)與管線圓弧的允許距離范圍，為最終選擇最優(yōu)化參數(shù)做準(zhǔn)備，其具體計(jì)算流程見圖7。

圖6 深水管道鋪設(shè)中滾輪支撐坐標(biāo)計(jì)算第一子程序流程圖

圖7 深水管道鋪設(shè)中滾輪支撐坐標(biāo)計(jì)算第二子程序流程圖

這2個(gè)子程序定義完成后，就可以通過(guò)引用這2個(gè)子程序完成所有滾輪支撐坐標(biāo)的計(jì)算。經(jīng)過(guò)2個(gè)子程序的計(jì)算，就可以在其中選擇管線水平切點(diǎn)最偏右的位置作為最佳的管線圓弧位置，因?yàn)檫@可以使托管架末端處的管線角度盡可能大，有利于改善管線的應(yīng)力分布情況；然后，可以在每個(gè)鉸接點(diǎn)的允許活動(dòng)范圍內(nèi)按一定密度截取數(shù)個(gè)試算點(diǎn)，按照托管架復(fù)雜程度不同，很可能試算解會(huì)高達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)，最后在這些試算解中選擇出可以使末端滾輪與管線的接觸點(diǎn)盡可能偏下的最佳解，這樣有利于降低管線的應(yīng)力水平；最后，就可以根據(jù)幾何公式計(jì)算出所有滾輪支撐的坐標(biāo)，同時(shí)計(jì)算出托管架的形態(tài)，包括決定托管架之間角度的連接桿的長(zhǎng)度以及每個(gè)滾輪的高度。整個(gè)計(jì)算程序的流程見圖8。

圖8 深水管道鋪設(shè)中滾輪支撐坐標(biāo)整個(gè)計(jì)算程序的流程

2.2 應(yīng)用案例

圖9 “海洋石油201”的作業(yè)線

以海洋石油工程股份有限公司深水鋪管船“海洋石油201”鋪管為例，如圖9所示。選用直徑為558.8 mm管線，管線彎曲半徑為179 m的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算作業(yè)線的滾輪坐標(biāo)以及鋪管船和托管架最佳設(shè)置。應(yīng)用本文方法計(jì)算出的支撐滾輪坐標(biāo)在表1中列出，鋪管船和托管架最佳設(shè)置在表2中列出，包括了管線弧與水平線的切點(diǎn)X坐標(biāo)、三段托管架之間的連接桿長(zhǎng)度、三段托管架的上懸桿角度，以及各個(gè)滾輪的設(shè)置高度。按照表1～2中給出的數(shù)據(jù)設(shè)置鋪管船和托管架即可使所有滾輪均接觸到管線，并保證末端滾輪Y坐標(biāo)為最小。

表1 “海洋石油201”作業(yè)線支撐滾輪坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表2 “海洋石油201”作業(yè)線鋪管船和托管架最佳設(shè)置

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，將計(jì)算出的托管架最佳形態(tài)、各個(gè)支撐滾輪高度以及管線彎曲弧繪制成圖10，可以看出，各個(gè)滾輪均與管線緊密接觸，這充分證明了上述方法的正確性。

圖10 計(jì)算出的“海洋石油201”作業(yè)線的托管架和管線形態(tài)

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)深水鋪管設(shè)計(jì)中在滾輪坐標(biāo)確定以及作業(yè)線最佳形態(tài)選擇方面的局限性，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)計(jì)算軟件自動(dòng)完成滾輪支撐坐標(biāo)計(jì)算并選擇托管架最佳優(yōu)化參數(shù)的方法。應(yīng)用結(jié)果表明，本文方法能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋪管設(shè)計(jì)方法的缺陷，大大提高設(shè)計(jì)效率和可靠性。

[1] 曹曉輝，柳春圖，邢靜忠.海底管道鋪設(shè)的力學(xué)分析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2002，24（4）：19－21.

[2] 郭艷林，梁政.海底管道鋪設(shè)施工設(shè)計(jì)分析[J].石油學(xué)報(bào)，1999，20（4）：83－87.

[3] 龔順風(fēng)，何勇，周俊，等.深水海底管道S型鋪設(shè)參數(shù)敏感性分析[J].海洋工程，2009，27（4）：87－95.

[4] 戴英杰，宋甲宗，馮剛.海底管道收棄管作業(yè)分析[J].海洋工程，2000，18（3）：75－78.

Precise stinger modeling and roller support coordinate calculation for deep water pipeline laying

Bai Ning
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，CNOOC，Tianjin，300451）

In deep water pipeline laying analysis，exact roller support coordinates are often required but difficult to obtain.A calculation program which can build the precise stinger model and obtain automatically the optimized stinger profile and roller support heights has been developed.The program application result shows that the method in this paper can improve the traditional design procedure effectively and increase design efficiency and reliability obviously.

deep water pipeline laying；stinger model；support coordinate；calculation program

白寧，男，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海底管道鋪設(shè)過(guò)程中管道力學(xué)行為分析研究工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路1078號(hào)616信箱海工大廈B座304室（郵編：300451）。E－mail：baining1＠m(xù)ail.cooec.com.cn。

2011－01－17改回日期：2011－05－16

（編輯：葉秋敏）