基于OrcaFlex軟件的柔性管纜正常鋪設計算分析

孫 錕，李雪松，陳曉東，石錦坤

(1 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067；2 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

基于OrcaFlex軟件的柔性管纜正常鋪設計算分析

孫 錕1，李雪松2，陳曉東1，石錦坤1

(1 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067；2 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

海上鋪設柔性管纜是海洋油氣開采技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一，而能夠準確評估管纜鋪設參數(shù)以確定作業(yè)天氣窗口是其關(guān)鍵問題。基于集中質(zhì)量法，分別從模型建立條件、模型數(shù)據(jù)輸入、作業(yè)接受標準、施工作業(yè)參數(shù)等方面考慮，明確柔性管纜鋪設分析施工參數(shù)，建立簡化的正常鋪設分析模型和分析方法，并以工程項目為實例，進行l(wèi)ayback敏感性、軸向壓力、最大作業(yè)海洋環(huán)境等分析。根據(jù)作業(yè)接受標準確定合適的作業(yè)天氣窗口為2.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。分析表明：選取合適的layback有利于海上施工作業(yè)；實際施工中應避免出現(xiàn)軸向壓力；對于淺水電纜鋪設，最小彎曲半徑是決定海上最大作業(yè)海況的主要限制條件。

柔性管纜；正常鋪設；OrcaFlex模擬；集中質(zhì)量法；軸向壓力

0 引 言

柔性傳輸管道、電纜以及臍帶纜等柔性管纜用于連接平臺設備與海底設備，傳輸液體、氣體、電力或信號，是海洋油氣資源開發(fā)活動中必不可少的。柔性管纜項目一般包括設計、原型測試、制造、安裝、調(diào)試和運行等階段[1-4]，其中海上安裝鋪設作業(yè)是一項重要的活動，鋪設方法有：卷筒式(Reel-lay)、轉(zhuǎn)盤式(Carousel-lay)、垂直鋪設(Vertical-lay)等[5]。從安裝角度來說，這幾種鋪設方式的主要區(qū)別在于：甲板作業(yè)原理、設備和方法、管纜的入水方式不同，導致管纜的實際受力狀態(tài)和空間形態(tài)略有區(qū)別；但模擬分析中，均可以采用有限差分法、有限元法、集中質(zhì)量法、多剛體法等計算方法，實現(xiàn)特定工況的靜動力分析。

對于細長體結(jié)構(gòu)的整體分析，早期使用懸鏈線理論，在忽略彎曲剛度的前提下，僅能解決靜力拉伸問題；隨著有限元方法的發(fā)展，柔性管纜的靜、動態(tài)分析技術(shù)進入了數(shù)值模擬的新階段，Patel等[6-7]對這類結(jié)構(gòu)的分析理論與技術(shù)進行了較為全面的回顧。在分析解決細長體結(jié)構(gòu)幾何非線性、載荷非線性問題方面，集中質(zhì)量法獲得廣泛關(guān)注[8-9]。目前國外柔性管纜的分析技術(shù)發(fā)展得相對成熟，已開發(fā)出如OrcaFlex、Flexcom、Riflex 等專業(yè)軟件，但國內(nèi)柔性管纜設計、建造和安裝研究才剛剛起步。OrcaFlex是在集中質(zhì)量法基礎上發(fā)展出來的、用于解決三維空間細長體結(jié)構(gòu)靜力和動力分析問題的非線性時域有限元軟件程序，可用于柔性管纜的海上安裝鋪設分析[10]。本文基于該軟件，擬從工程實際應用角度，歸納總結(jié)柔性管纜正常鋪設分析要點，明確國內(nèi)現(xiàn)行鋪設柔性管纜項目的施工分析參數(shù)，為柔性管纜安裝鋪設項目和其他鋪設工況分析提供借鑒。

1 正常鋪設模型

模型一般包括安裝船舶、虛擬張力絞車(模擬張緊器)、下水結(jié)構(gòu)(如下水橋或斜道、垂直鋪設塔、艉滾筒)、柔性管纜等。這里的簡化模型只包括安裝船舶和柔性管纜。研究對象是柔性管纜這一細長體結(jié)構(gòu)，其上部連接到安裝船舶，下部有一段位于海床上。如圖1所示建立正常鋪設分析模型，采用整體坐標系Gxyz定義模型各部分相對初始位置、海洋環(huán)境方向；采用局部坐標系Vxyz定義作業(yè)船舶；采用節(jié)點坐標系Nxyz定義柔性管纜。

圖1 柔性管纜正常鋪設模型示意圖Fig.1 Illustration for the normal laying model of flexible line

基于集中質(zhì)量法[10]，將柔性管纜等效為許多段，每段有兩個質(zhì)量點，質(zhì)量點數(shù)量與網(wǎng)格劃分密度有關(guān)。每一分段的質(zhì)量、重力、浮力等性質(zhì)的一半分別施加到兩端的質(zhì)量點上，質(zhì)量點之間采用自由伸縮且可以扭轉(zhuǎn)的彈簧相連模擬軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，分段和質(zhì)量點之間采用轉(zhuǎn)動彈簧模擬彎曲剛度。

1.1 模型建立說明

關(guān)于模型建立說明如下：(1)模型忽略鋪設方式的差異，僅考慮柔性管纜上部相對于安裝船舶的懸掛位置不同；(2)重力和浮力沿著管線均布，不考慮管纜的非線性軸向剛度、非線性彎曲剛度和彎曲遲滯以及扭轉(zhuǎn)；(3)管纜下端點固定在海床上，保證臥鏈長度足夠，不考慮觸地段管纜與海床發(fā)生滑動；海床是平坦的，采取線性剛度模型；(4)安裝船舶只考慮1階波浪運動，不考慮管纜本身對船舶運動的影響；(5)采用線性波浪理論模擬波浪，海流采用定常剖面流，不考慮風力，暫取波浪和海流的方向一致；(6)需明確安裝時內(nèi)部是否注入液體；(7)僅考慮瞬態(tài)鋪設工況動力分析，忽略船速；(8)對于柔性管纜上附屬構(gòu)件如拖拉頭、浮力模塊、彎曲限制器等，可在此模型修改添加。

1.2 模型輸入數(shù)據(jù)

正常鋪設分析所需的數(shù)據(jù)有：(1)海洋環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括水深、風、波浪、海流、土壤、內(nèi)波等數(shù)據(jù)；(2)柔性管纜自身數(shù)據(jù)，包括名義直徑、單位空氣中重量、單位水中重量、剛度參數(shù)、軸向拉力和彎曲半徑關(guān)系曲線、最大容許軸向壓力、最大容許徑向擠壓力等數(shù)據(jù)；(3)柔性管纜附屬構(gòu)件數(shù)據(jù)，比如拖拉頭、彎曲限制器、浮力模塊等；(4)作業(yè)船舶數(shù)據(jù)，包括主尺度參數(shù)、推進器功率、船舶局部坐標系的定義、甲板布置圖、水下機器人(ROV)最大作業(yè)半徑、船舶運動響應等數(shù)據(jù)；(5)鋪設作業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括作業(yè)設備布置位置、規(guī)格書等數(shù)據(jù)，比如對于轉(zhuǎn)盤有外徑、中心輪轂直徑、有效高度和容量及轉(zhuǎn)盤最大纏繞工作能力，對于垂直鋪設系統(tǒng)有鋪管塔架、塔頂導向裝置、張緊器、懸掛平臺、AR絞車等相關(guān)性能參數(shù)；(6)其他要求，如業(yè)主、船舶作業(yè)方、第三方提出的要求。

1.3 作業(yè)接受標準

為了確定作業(yè)最大容許海況，保證海上施工作業(yè)能夠安全進行，柔性管纜正常鋪設的作業(yè)接受標準[1-4]可分為四大類。

(1)張力限制條件，即要求鋪設時上部懸掛位置處的張力不得大于某限值。張力限制條件主要取決于張緊器的能力、柔性管纜的軸向抗拉強度、徑向擠壓力、下水橋或者塔頂導向裝置的半徑。對于淺水鋪設來說，柔性管纜的軸向抗拉強度Faxial遠遠大于實際鋪設載荷。為了防止張緊器履帶和柔性管纜外層、以及柔性管纜內(nèi)層之間出現(xiàn)滑動，張緊器的徑向擠壓力有一個下限值：

當柔性管纜經(jīng)過下水橋或者塔頂導向裝置時，其容許的最大拉力為

Fmax=f2-track×R，

式中：f2-track為柔性管纜在2條履帶作用下徑向擠壓力；R為下水橋或者塔頂導向裝置半徑。

實際鋪設作業(yè)時上部懸掛位置處張力不得超過min(Faxial,Ftension,Fmax)。

(2)彎曲半徑限制條件，即要求鋪設時的彎曲半徑不得小于某限值。具體來說，要求柔性管纜鋪設用滾筒(轉(zhuǎn)盤)半徑大于靜態(tài)儲存彎曲半徑；下水橋或者塔頂導向裝置的半徑大于動態(tài)鋪設彎曲半徑；在觸地處的最小彎曲半徑大于動態(tài)鋪設彎曲半徑。對于柔性管道，靜態(tài)儲存彎曲半徑為最小彎曲半徑(MBR)rmin，若有下水橋或塔頂導向裝置支持，其動態(tài)鋪設彎曲半徑為1.25rmin；自由彎曲時，其動態(tài)鋪設彎曲半徑為1.5rmin。

對于國內(nèi)廠商生產(chǎn)的電纜，其靜態(tài)儲存彎曲半徑不小于15倍外徑，動態(tài)鋪設彎曲半徑不小于20倍外徑。

(3)軸向壓力限制條件,即要求鋪設時的軸向壓力不得超過某限值。軸向壓力現(xiàn)象是指所鋪設柔性管纜在觸地點出現(xiàn)軸向負壓力的情形，可導致管線發(fā)生局部屈曲或者“鳥籠”現(xiàn)象等。軸向壓力與船舶運動相關(guān)：船側(cè)鋪設，軸向壓力與船舶橫搖和升沉運動有關(guān)；月池船中鋪設，軸向壓力主要與船舶升沉運動有關(guān)；船艉鋪設，軸向壓力與船舶縱搖和橫搖運動有關(guān)。柔性管線生產(chǎn)廠商應在技術(shù)規(guī)格書中給出軸向壓力限值。

(4)其他限制條件,例如：柔性管纜存在最大扭轉(zhuǎn)角度限值；所鋪設管線不得和作業(yè)船舶舷側(cè)或月池、其他海底設備設施發(fā)生碰撞；layback不得超過ROV作業(yè)半徑；柔性管纜上其他附件在安裝鋪設時不得發(fā)生破壞；等等。

1.4 施工作業(yè)參數(shù)

在進行柔性管纜正常鋪設時，主要關(guān)注的參數(shù)有：作業(yè)水深、懸掛張力、頂部偏離角度、layback、觸地點、海洋環(huán)境、船舶運動。使用聲學傳感器或者ROV測量水深。張緊器夾持力的實時記錄可用于驗證頂張力計算分析結(jié)果：對于垂直鋪設，張緊器夾持力為懸掛張力；對于水平鋪設，考慮到在下水橋存在摩擦力，張緊器夾持力小于懸掛張力。使用高分辨率實時聲吶系統(tǒng)或者ROV連續(xù)監(jiān)控觸底點位置，根據(jù)現(xiàn)場實測計算出實際layback，從而保證柔性管纜的整體空間形態(tài)。基于作業(yè)區(qū)域海況預報數(shù)據(jù)或現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，由船方、作業(yè)方和業(yè)主三方根據(jù)所選天氣窗口進行判斷決定是否作業(yè)。現(xiàn)場所獲得的這些參數(shù)值可以作為模擬計算分析的反饋數(shù)據(jù)，從而針對計算精度作進一步的優(yōu)化。

2 工程實例

以國內(nèi)某電纜鋪設項目一條電纜為例，其電纜參數(shù)說明如表1所示。鋪設作業(yè)水深為80 m，鋪設總長度為19 km。鋪設采取轉(zhuǎn)盤方式，如圖2所示。張緊器能力為10 t。下水橋布置在船舶右舷，其半徑為3.49 m。分析軟件為OrcaFlex 9.8D。

2.1 layback分析

在同一海洋環(huán)境工況下，當layback增大時：下水橋處電纜張力增大；下水橋處電纜偏離豎直方向角度增大；觸底點處電纜最大張力增大；觸底點處電纜最小彎曲半徑減少；電纜最大軸向擠壓力增大，如圖3所示。實際上，這4種layback均可以應用于實際鋪設作業(yè)中。但是考慮到：(1)layback較小時，彎曲半徑受到限制，不利于提高作業(yè)海況；(2)layback較大時，一方面要求增大ROV作業(yè)活動半徑，另一方面頂部張力將變大，會使得對張緊器的性能要求提高。為此宜采用適中的layback進行作業(yè)，推薦在100 m水深左右使用25 m或35 m的layback。

表1 電纜參數(shù)

圖2 電纜鋪設示意圖Fig.2 Illustration for cable normal laying

2.2 軸向壓力分析

軸向壓力分析結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4和圖5發(fā)現(xiàn)：(1)隨著layback的增大，可以降低軸向壓力出現(xiàn)概率，但是一旦出現(xiàn)軸向壓力，在相同海況下軸向壓力幅值隨著layback增大而增大；(2)橫浪時易于出現(xiàn)軸向壓力，說明船舶橫搖運動對軸向壓力現(xiàn)象影響劇烈；(3)隨著波高的增大，軸向壓力出現(xiàn)的概率增大，而且軸向壓力幅值也隨之增大。在海上作業(yè)時無法測量和監(jiān)視觸底點處的軸向壓力，因此為了避免或降低軸向壓力，建議采取較大的layback，同時保持船舶艏向與波浪方向夾角不超過30°。對于該電纜鋪設來說，依據(jù)軸向壓力接受標準，合適的作業(yè)天氣窗口為2.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。

圖4 軸向壓力隨海洋環(huán)境變化Fig.4 Axial compression force varies with environmental conditions

圖5 不同layback下的軸向壓力變化Fig.5 Axial compression force with different laybacks

2.3 海洋環(huán)境作業(yè)條件分析

海洋環(huán)境最大作業(yè)條件的確定是模擬計算的核心問題。根據(jù)實際作業(yè)情況進行建模，計算得到整個系統(tǒng)的響應，基于管纜的響應分析判斷是否符合安裝限制條件，進而確定海洋環(huán)境的最大作業(yè)條件。鋪設作業(yè)限制條件主要根據(jù)前三個作業(yè)接受標準。圖6和圖7分別給出張力安全因數(shù)(最大容許張力/模擬最大張力)和最小彎曲半徑安全因數(shù)(模擬彎曲半徑/動態(tài)鋪設最小彎曲半徑)隨海洋環(huán)境變化的曲線。由圖6和圖7發(fā)現(xiàn)：(1)在80 m水深左右鋪設電纜時，最大張力限制條件是恒滿足的；(2)相比張力，最小彎曲半徑隨著環(huán)境方向變化更為敏感；(3)隨著波高的增大，張力和彎曲半徑的安全因數(shù)逐漸降低；(4)橫浪海況下，隨著波高的增大，可能不滿足最小彎曲半徑條件。保守起見，選取最小彎曲半徑安全因數(shù)為2或者以上，那么合適的作業(yè)天氣窗口為3.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。綜合三個作業(yè)接受標準，則合適的作業(yè)天氣窗口為2.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。

圖6 張力安全因數(shù)隨海洋環(huán)境變化Fig.6 Safety factor for tension varies with environmental conditions

圖7 最小彎曲半徑安全因數(shù)隨海洋環(huán)境變化Fig.7 Safety factor for MBR varies with environmental conditions

3 結(jié) 語

對于柔性管纜正常鋪設分析工況，從模型建立、計算分析、工程應用等方面做出詳細的說明，明確正常鋪設分析用于施工的一些關(guān)鍵點：模型簡化、模型數(shù)據(jù)輸入、作業(yè)接受標準、施工作業(yè)參數(shù)、計算結(jié)果分析等，并根據(jù)作業(yè)接受標準確定合適的作業(yè)天氣窗口，可為實際工程項目其他鋪設工況分析提供有效參考。通過工程實例分析可知：選取合適的layback有利于海上施工作業(yè)；對于淺水電纜鋪設，最小彎曲半徑是決定海上最大作業(yè)海況的主要限制條件，而最小彎曲半徑出現(xiàn)的位置一般在觸底點；在實際施工中應避免出現(xiàn)軸向壓力，如果無法避免，建議根據(jù)柔性管纜生產(chǎn)廠家所提供的軸向壓力限值確定最大作業(yè)海況。

針對實際工程計算分析，提出以下建議：(1)實際柔性管纜鋪設分析所需的輸入數(shù)據(jù)較多，建議業(yè)主在鋪設項目運行初期提供相關(guān)安裝分析輸入數(shù)據(jù)文件，一方面可以保證相關(guān)數(shù)據(jù)來源的正確性，另一方面可以提高安裝方和業(yè)主之間溝通效率，便于推進編制相關(guān)計算分析文件。(2)由于波浪周期選擇區(qū)間較大，因此導致計算工況較多。建議針對正常鋪設工況的波浪周期進行研究[11]，以便搜索到不同環(huán)境方向下不利波浪周期，減少計算工況數(shù)量，提高計算分析效率。(3)拖曳力系數(shù)的選取是計算分析中的一個重大問題[12-13]。對于柔性管纜，其法向拖曳力系數(shù)一般取值為0.7～1.2，保守選取1.2，但建議實際分析中，針對拖曳力系數(shù)進行敏感性分析，評估拖曳力系數(shù)的變化對柔性管纜整體響應的影響。對于帶有浮力模塊等附屬構(gòu)件的柔性管線，建議進行浮力模塊的水動力實驗研究，給出其可靠的拖曳力系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)，用于模型輸入。

[1] International Organization for Standardization. ISO 13628-11. Flexible pipe systems for subsea and marine applications[S]. 2007.

[2] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe[S]. 2008.

[3] Des Norske Veritas. DNV-RP-J301. Subsea power cables in shallow water renewable energy applications[S]. 2014.

[4] Noble Denton Technical Standards Committee. GL 0029/ND. Guidelines for submarine pipeline installation[S]. 2013.

[5] 黃維平, 曹靜, 張恩勇. 國外深水鋪管方法與鋪管船研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 海洋工程, 2011, 29(1): 135.

[6] Patel M H, Seyed F B. Review of flexible riser modelling and analysis techniques[J]. Engineering Structures, 1995, 17(4): 293.

[7] Jain A K. Review of flexible risers and articulated storage systems[J]. Ocean Engineering, 1994, 21(8): 733.

[8] 孫麗萍, 宋環(huán)峰, 艾尚茂. 基于集中質(zhì)量法的深水S型鋪管動力響應研究[J]. 中國海洋平臺, 2015, 30(2): 70.

[9] 王自發(fā), 朱克強, 徐為兵, 等. 海洋管道S型鋪設過程研究[J]. 海洋工程, 2014, 32(3): 78.

[10] Orcina. OrcaFlex Manual, version 9.8a[M]. Cumbria: Orcina, 2009.

[11] Zhang Y, Tan Z, Hou Y, et al. A study for worst periods and load cases selection in dynamic analysis of flexible riser[C]. ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. 2013: V04BT04A006.

[12] Des Norske Veritas. DNV RP C205. Environmental conditions and environmental loads[S].2014.

[13] Des Norske Veritas. DNV RP H103. Modelling and analysis of marine operations[S].2014.

NormalLayingAnalysisofFlexibleLineUsingOrcaFlex

SUN Kun1, LI Xue-song2, CHEN Xiao-dong1, SHI Jin-kun1

(1.COOEC Subsea Technology Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518067, China; 2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Installation of flexible lines, such as pipe, cable and umbilical, is an important part of offshore operation for exploring oil and gas, and the key issue is how to assess the installation parameters accurately and determine the weather window. A simplified model and the corresponding analysis method for normal laying of flexible line are presented based on lumped mass method with the considerations for the modeling, the input data of the analysis, the acceptance criteria of the operation and the important parameters used in the operation. Taking a cable installation project as an example, the sensitivity analysis for the layback, the analysis of the axial compression, and the determination of the maximum environmental condition for the operation are performed. The proper weather window is 2.5 m significant wave height and 30° wave direction. The results show that selecting a proper layback is good for offshore operation; it is suggested to avoid the axial compression; for laying cable in shallow water, minimum bending radius (MBR) is the main limiting criterion to decide the maximum allowable environment condition.

flexible line; normal laying; OrcaFlex simulation; lumped mass method; axial compression

2016-03-12

孫錕(1990—)，男，碩士，助理工程師，主要從事船舶與海洋工程方面的研究。

P751

A

2095-7297(2016)02-0129-06