一種卷筒式鋪管法計(jì)算分析技術(shù)

馮現(xiàn)洪，王文亮，鄭 羽，房長(zhǎng)帥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

一種卷筒式鋪管法計(jì)算分析技術(shù)

馮現(xiàn)洪，王文亮，鄭 羽，房長(zhǎng)帥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

卷筒式鋪管法對(duì)于小管徑海底管道鋪設(shè)有著較大優(yōu)勢(shì)，可將海上船舶焊接施工的工作量轉(zhuǎn)移至陸上完成。本文首先從鋪設(shè)工藝角度進(jìn)行說(shuō)明，然后對(duì)卷筒式鋪管的關(guān)鍵卷管計(jì)算進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)流程，最后重點(diǎn)針對(duì)南海深水項(xiàng)目的外輸管道采用Apache公司船舶作為目標(biāo)船舶，采用理論方法和Pipelay軟件進(jìn)行分析的計(jì)算模擬。通過(guò)計(jì)算模擬的過(guò)程，總結(jié)出卷筒式鋪管法的計(jì)算分析技術(shù)。

海底管道;卷筒式;卷筒校核;鋪管分析

0 引言

海底管道常用安裝方法包括S－lay(S型鋪管法）、J－lay(J型鋪管法）和reel-lay(卷筒式鋪管法）等，其中卷筒式鋪管法與其他2種方法相比，具有鋪管效率高、管道焊縫質(zhì)量高和鋪管成本低的優(yōu)點(diǎn)。卷筒法鋪管的特點(diǎn)是將海上焊接檢驗(yàn)的工作轉(zhuǎn)移到陸上管廠(chǎng)的工作。由于陸上檢驗(yàn)手段和方法較多，同時(shí)受環(huán)境因素影響較少，因此管道的焊接質(zhì)量得到保證。

但由于現(xiàn)有技術(shù)及船體結(jié)構(gòu)限制，目前卷筒鋪管船仍?xún)H限于鋪設(shè)柔性管 (如電纜、控制纜等）和小直徑鋼管，其主要原因是鋼管纏繞在卷筒上后會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)變。對(duì)于一定直徑的卷筒，纏繞鋼管的直徑越大，鋼管內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)酱?，而壁厚越薄，容許的應(yīng)變?cè)叫?，因此管道越容易產(chǎn)生塑性變形而破壞，或影響鋪設(shè)管道的質(zhì)量，埋下安全隱患。

因此需要在設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)關(guān)注管材的技術(shù)性能要求，保證卷筒法鋪設(shè)的各項(xiàng)指示滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

本文首先對(duì)卷筒式鋪管法進(jìn)行鋪設(shè)工藝介紹，然后介紹卷筒式鋪管法的計(jì)算分析技術(shù)及其理論，提出卷筒式鋪管技術(shù)的分析流程，最后通過(guò)南海某深水項(xiàng)目的具體實(shí)例，提出針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的幾個(gè)初步結(jié)論，以供我國(guó)未來(lái)深海技術(shù)發(fā)展的參考。

1 卷筒式鋪管法工藝

卷筒式鋪設(shè)法的鋪管工藝包括如下階段:

1）陸上管道預(yù)制階段

根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求，需要制管廠(chǎng)嚴(yán)格控制管材的各項(xiàng)指標(biāo)，特別是管道的尺寸要求及抗塑性要求，在陸上制管階段完成所有合管管材的生產(chǎn)。

2）陸上管道接長(zhǎng)及入卷階段

將管廠(chǎng)生產(chǎn)的管材，利用管廠(chǎng)或碼頭的焊接站，將定長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)鋼管焊接成連續(xù)管道，并將連續(xù)管道纏繞到安裝在卷筒上。

3）整卷裝船階段

把每個(gè)卷筒的管道進(jìn)行整裝處理，直接通過(guò)大型吊機(jī)吊裝至鋪管船上，并與鋪管船上的鋪管設(shè)備對(duì)接。

4）管道通過(guò)開(kāi)卷、校直器、張緊器入海

將繞設(shè)在卷筒上的連續(xù)管道的鋪設(shè)端與管道張緊矯直機(jī)構(gòu)相連;將該作業(yè)船行駛至指定鋪管海域并定位，利用卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，形成開(kāi)卷、校直，利用張緊器提供適當(dāng)?shù)膹埦o力，進(jìn)行鋪管作業(yè);在鋪設(shè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道情況。

為發(fā)揮卷筒鋪管方式的優(yōu)勢(shì)，提升卷筒鋪管船鋪設(shè)大直徑薄壁鋼管的能力，最有效的方法是增加卷筒的直徑，即增加纏繞鋼管的彎曲半徑，從而降低鋼管的彎曲變形。但增加卷筒直徑將會(huì)導(dǎo)致卷筒重量急劇增加，使得在碼頭進(jìn)行卷筒裝船作業(yè)以及鋪管船在海上鋪管作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行的卷筒更換作業(yè)都必須使用大型吊裝機(jī)械。而這類(lèi)大型吊裝機(jī)械，尤其是海上大型吊裝船只租賃困難，且費(fèi)用高昂，給卷筒的碼頭裝船作業(yè)及卷筒的海上更換作業(yè)帶來(lái)極大不便。另一方面，隨著卷筒直徑的增加，鋪管船重心隨之升高，穩(wěn)性下降，降低了抗風(fēng)浪能力，增大了海上鋪管作業(yè)的危險(xiǎn)性。

2 卷筒式鋪設(shè)計(jì)算方法

2.1 船舶卷曲段計(jì)算方法

圖1為卷筒式鋪設(shè)法的卷曲段示意圖。結(jié)合鋪設(shè)過(guò)程，圖2為管道材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系示意圖及過(guò)程。

鋪設(shè)步驟如下:

圖1 卷筒鋪設(shè)卷曲段示意圖Fig.1 Reeling section sketch diagram for reel laying

圖2 卷筒鋪設(shè)管道應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship of stress and strain sketch diagram for reel laying

4）C，C'－D，D'－E，E':通過(guò)校直器過(guò)程。

下面為卷筒式鋪設(shè)法的卷曲段各階段的計(jì)算理論方法，其下垂段的理論方法與其他鋪設(shè)方法一致。過(guò)程如下:

1）入卷張力計(jì)算

管道在卷入在主卷筒時(shí)所需要的張力可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Mp為塑性彎矩，Mp=SMYS.Zp;R為管道的彎曲半徑。

2）卷管布置及能力校核

卷筒最大層數(shù):

式中:Dreel為卷筒邊緣直徑;Dhub為卷筒輪轂直徑;Dptot為管道總外徑 (含涂層）。

卷筒單層最大道數(shù):

式中wreel為卷筒寬度。

一般應(yīng)根據(jù)單卷最大能力及管道的長(zhǎng)度進(jìn)行分卷，單卷的長(zhǎng)度可通過(guò)如下公式求取:

通過(guò)選取合適的層數(shù)nw，保證實(shí)際單卷重量小于單卷能力。

3）主卷筒和調(diào)整支架管道校核

主卷筒應(yīng)變通過(guò)如下計(jì)算求取:

通過(guò)SY/T 10037－2010對(duì)局部屈曲的如下應(yīng)變控制校核準(zhǔn)則進(jìn)行局部屈曲校核:

相關(guān)參數(shù)的解釋見(jiàn)SY/T 10037－2010規(guī)范。

除需要進(jìn)行局部屈曲校核外，還應(yīng)控制管道內(nèi)部橢圓度的增加是否滿(mǎn)足要求，其中由彎曲應(yīng)變引起的橢圓度可通過(guò)如下公式求取:

根據(jù)SY/T 10037－2010最終的橢圓度應(yīng)控制在3%內(nèi)。

2.2 船舶卷曲段計(jì)算方法

鋪管過(guò)程中海管由于屬于細(xì)長(zhǎng)桿件，其抗彎剛度可以忽略的情況下，自由懸鏈線(xiàn)如圖3所示。

圖3 懸鏈線(xiàn)理論示意圖Fig.3 Catenary theory sketch diagram

在公式中 y是 R，x，α，w的函數(shù)，即 y=f(R，x，α，w）。已知R，x，α，w就可以求得水深y。而實(shí)際上船舶拋錨時(shí)，通常設(shè)置有足夠長(zhǎng)度的錨鏈，以便有一段躺底錨鏈，使錨不產(chǎn)生上拔力，這樣，α=0;而如果又選定了錨鏈，則每米鏈重w也為常量;又如果作用在船上的外力R也已求得，這樣，公式y(tǒng)=f(R，x，A，w）就可寫(xiě)成y=f1(x）。但是船在某水域拋錨，則水深y反而是已知的。所以往往要從y來(lái)求x。顯然，從公式y(tǒng)=f1(x）要推導(dǎo)出它的反函數(shù)x=f2(y）來(lái)求x很困難，只能用不同的x值代入公式計(jì)算y，當(dāng)計(jì)算得到的y恰好等于水深h時(shí)，x就是要求的值?？梢岳密浖蚓幹颇秤?jì)算程序，由計(jì)算機(jī)完成。求得x后，再按以下公式求懸鏈長(zhǎng)。

通過(guò)以上公式可求得懸鏈線(xiàn)的各參數(shù)。

2.3 計(jì)算分析流程

根據(jù)以上原理，卷筒式鋪管法的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 卷筒式鋪管法分析流程Fig.4 Reel laying analysis flow chat

4 算例

4.1 項(xiàng)目介紹

本文以南海某深水項(xiàng)目為例，應(yīng)用深水海底管道卷筒式鋪管安裝分析技術(shù)。該項(xiàng)目作為水下回接系統(tǒng)的一部分，1條6″海底管道從淺水中心平臺(tái)(約200 m）水下生產(chǎn)系統(tǒng) (約1 500 m）輸送至水下生產(chǎn)系統(tǒng) (約1 500 m），考慮采用卷筒式鋪管法進(jìn)行6″外輸管道的鋪設(shè)，鋪設(shè)船舶假設(shè)考慮為T(mén)echnip公司的ApacheⅡ。

4.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1）海管信息

本文分析的6″管道結(jié)構(gòu)為單層管，截面示意如圖5所示。

圖5 管道剖面示意圖Fig.5 Pipe cross section sketch diagram

海底管道主要參數(shù)如表1所示。

表1 海管參數(shù)Tab.1 Subsea pipeline parameters

2）環(huán)境數(shù)據(jù)

根據(jù)外輸海管水深路由圖，考慮的安裝分析計(jì)算水深為200～1 500 m。

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，一年一遇波浪的波高考慮為8.6 m，波周期考慮為12.2 s。根據(jù)船舶運(yùn)行性能通過(guò)鋪設(shè)分析應(yīng)考慮船舶許用的作業(yè)環(huán)境條件。

3）船舶參數(shù)

本文卷筒式鋪設(shè)分析船舶擬采用Technip公司的Apache II船舶，用于6″管道的全程鋪設(shè)。

圖6 Technip的ApacheⅡ船F(xiàn)ig.6 ApacheⅡof technip vessel

表2為ApacheⅡ的船舶主尺度參數(shù)。表3為船舶卷管鋪設(shè)能力描述。

表2 船舶主尺度Tab.2 Main dimension of vessel

表3 船舶卷管鋪設(shè)能力Tab.3 Reeling capacity of vessel

4.3 分析考慮

1）工況

分析過(guò)程考慮從最淺水深直至最深水深，即200～1 500 m，考慮如下水深系列:200 m，400 m，800 m，1 000 m，1 200 m，1 400 m，1 500 m。

分析過(guò)程考慮正常鋪管的靜態(tài)分析，分析工況如表4所示。

表4 分析工況Tab.4 Analysis cases

2）分析目標(biāo)

確定適合的傾斜平臺(tái)角度;最終的張力滿(mǎn)足船舶要求，最大張緊力需要在180 t范圍內(nèi);管道在正常鋪設(shè)下管道的受力滿(mǎn)足要求，最大點(diǎn) (下彎段）滿(mǎn)足小于72%*最小屈服強(qiáng)度 (靜態(tài)工況）。

4.4 軟件

本文將使用Pipelay軟件進(jìn)行分析。Pipelay軟件為MCSKenny公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)鋪管軟件，界面友好，其分析引擎包含靜動(dòng)態(tài)分析、多步驟分析、先進(jìn)的接觸單位、靈活的托管架定義、兼容特殊結(jié)構(gòu)形式 (如雙層管和子母管）、不同海床定義、疲勞分析和先進(jìn)的后處理功能等。從工程的角度看，該軟件作為專(zhuān)業(yè)的鋪管軟件，集成了鋪管過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，國(guó)際一些大型工程公司 (如ALLSEAS、TECHNIP和SAIPEM等）正在使用。分析的模型如圖7所示。

圖7 鋪設(shè)分析模型 (工況200ES）Fig.7 Laying analysismodel(Case 200ES）

4.5 分析結(jié)果

4.5.1 船舶卷曲段結(jié)果

1）入卷張力計(jì)算。最里層的入卷張力為16.6 kN;卷管過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制入卷張力，保證管道的最小入卷張力。

2）卷管布置及能力校核。單卷層數(shù)17.5層;每層的道數(shù)37道;單卷總長(zhǎng)度39.8 km;單卷總重量1994 t;需要卷數(shù)2卷筒。

3）主卷筒管道校核。彎曲應(yīng)應(yīng)為1.02%;校核系數(shù) UCa=0.47，UCb=0.508，滿(mǎn)足SY/T 10037－2010規(guī)范要求;最終橢圓度1.487%，滿(mǎn)足SY/T 10037－2010規(guī)范要求

4）調(diào)整支架管道校核。彎曲應(yīng)應(yīng)為1.666%;校核系數(shù) UCa=0.715，UCb=0.733，滿(mǎn)足 SY/T 10037－2010規(guī)范要求;最終橢圓度2.3%，滿(mǎn)足SY/T 10037－2010規(guī)范要求

4.5.2 下垂段分析受力結(jié)果

使用Pipelay軟件對(duì)表5中各種工況及管道受力進(jìn)行分析。

表5 下垂段分析結(jié)果Tab.5 Analysis result of suspend section

以上各個(gè)工況均滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面就卷筒式鋪管法計(jì)算分析技術(shù)探討，可得出如下結(jié)論:

1）依據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用的卷筒式船的各項(xiàng)性能滿(mǎn)足要求，管道的鋪設(shè)受力分析滿(mǎn)足規(guī)范要求;

2）下垂段鋪設(shè)法的原理與懸鏈線(xiàn)理論相當(dāng)，可通過(guò)懸鏈線(xiàn)理論預(yù)測(cè)管道的總體布置;

3）在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目過(guò)程中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)完善，如海床土壤情況應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注;

4）下垂段位于觸泥點(diǎn)附近的管道為應(yīng)力值最大處，應(yīng)在鋪設(shè)過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)控觸泥點(diǎn)的情況;

5）卷筒式鋪管法對(duì)管道的技術(shù)性能要求較其它方法要求高，應(yīng)在陸地制管及預(yù)制階段的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格監(jiān)控，保證滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)格書(shū)和規(guī)范要求。

本文提出一種卷筒式鋪管法計(jì)算分析方法，針對(duì)將來(lái)我國(guó)海洋石油深水項(xiàng)目的逐步開(kāi)發(fā)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有國(guó)際海洋工程主流卷筒式鋪管船的調(diào)研工作，并深入了解其安裝過(guò)程，為海底管道安裝設(shè)計(jì)及施工打下良好基礎(chǔ)。

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Calculation and analysis technology of reel-lay method for subsea pipeline laying

FENG Xian-hong，WANGWen-liang，ZHENG Yu，F(xiàn)ANG Chang-shuai
(China Offshore Oil Engineering Co.，LTD，Tianjin 300451，China）

There aremany benefits for installing small dimension subsea pipelinewhen using reel-lay method.The feather of thismethod is that itwill transfers theweldingwork on vessel to onshore.Firstly this paper will introduce reel-lay process briefly，and then present analysis theory of the key calculation of reeling and the analysis design flow chart.Finally this paper will present a sample project of South China Sea using lay vessel Apache IIas the target vessel，which carries out the analysis using the theory method and Pipelay software.Based on the result of calculation，the paper concludes the calculation and analysis technology of reel-laymethod.

subsea pipeline;reel-lay;reeling check;laying analysis

U661.44

A

1672－7649(2014）04－0103－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.021

2013－12－26;

2014－03－03

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“深水鋪管起重船及配套工程技術(shù)(十二五）”資助項(xiàng)目(2011ZX05027－002）

馮現(xiàn)洪(1979－），男，本科，工程師，主要從事海底管道設(shè)計(jì)工作。