深水海底管道S型鋪設(shè)影響因素分析*

周巍偉 張恩勇 曹 靜

(中海油研究總院 北京 100028)

深水海底管道S型鋪設(shè)影響因素分析*

周巍偉 張恩勇 曹 靜

(中海油研究總院 北京 100028)

為了更全面系統(tǒng)地評(píng)估深水海底管道S型鋪設(shè)過(guò)程中面臨的高張力狀態(tài)、高彎曲應(yīng)力、大曲率變形、強(qiáng)接觸作用以及管道整體幾何線型等非線性因素的影響，結(jié)合海底管道鋪設(shè)校核準(zhǔn)則，針對(duì)我國(guó)南海典型海域環(huán)境條件，采用三維非線性梁?jiǎn)卧獙?duì)深水海底管道S型鋪設(shè)開(kāi)展動(dòng)態(tài)有限元分析，得到了管道有效張力、等效彎矩、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的分布情況。對(duì)影響深水海底管道S型鋪設(shè)的重要影響因素，包括托管架角度、管道鋪設(shè)狀態(tài)、管道壁厚等級(jí)等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，目標(biāo)工程托管架最優(yōu)角度為25°；深水海底管道S型鋪設(shè)應(yīng)慎重選擇充水鋪設(shè)方式；管道壁厚對(duì)S型鋪管有顯著影響，實(shí)際鋪設(shè)時(shí)應(yīng)深入評(píng)估壁厚的影響。本文研究對(duì)深水海底管道S型鋪設(shè)工程有一定的借鑒意義。

深水；海底管道；S型鋪設(shè)；三維非線性梁?jiǎn)卧?；托管架角度；鋪設(shè)狀態(tài)；管道壁厚等級(jí)

S型海底管道鋪設(shè)可實(shí)現(xiàn)高效并行焊接，并適用于更大的海管直徑。研究表明，與J型鋪設(shè)相比，S型鋪設(shè)效率更高，典型鋪設(shè)速率可達(dá)3～5 km/d[1]。S型鋪設(shè)的海底管道在鋪設(shè)過(guò)程中呈懸鏈線狀，其一端由鋪管船上張緊器提供張力，一部分置于托管架之上，其余部分自由懸垂直至海底。置于托管架上的過(guò)彎段和觸地點(diǎn)之上的懸垂段彎曲曲率較嚴(yán)重，是管道鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵位置[2-3]。隨著水深增加，S型海底管道在鋪設(shè)過(guò)程中將面臨更嚴(yán)重的彎曲曲率，同時(shí)受彎曲控制的組合應(yīng)力占比可能更加嚴(yán)重。在深水環(huán)境下，波浪和流載荷對(duì)管道S型鋪設(shè)影響更為顯著，此時(shí)應(yīng)充分考慮海底管道的非線性條件。龔順風(fēng) 等[4]采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)深水海底管道S型鋪設(shè)開(kāi)展了研究，分析了不同鋪管參數(shù)對(duì)張緊器和管道極限鋪設(shè)水深的影響。謝鵬 等[5]以“海洋石油201”鋪管船為例，研究了超深水海底管道S型鋪設(shè)時(shí)管道截面局部變形及應(yīng)力分布情況。孫麗萍 等[6]采用集中質(zhì)量法推導(dǎo)了管道受力計(jì)算公式，并最終得到了垂蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)下管道的受力變化。本文針對(duì)我國(guó)南海典型海洋環(huán)境條件，并考慮深水海底管道S型鋪設(shè)時(shí)的非線性因素，采用三維非線性梁?jiǎn)卧?，開(kāi)展海底管道S型鋪設(shè)研究，深入分析鋪管的影響因素，以期為深水鋪管工程提供參考。

1 南海海域海底管道S型鋪設(shè)分析

1.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

選取我國(guó)南海典型海域S型鋪管工程為例開(kāi)展研究。工程案例設(shè)計(jì)水深1 250 m，目標(biāo)管道為深水回接輸氣管道，兩端均為管道終端結(jié)構(gòu)，管道外徑323.9 mm，壁厚19.1 mm，材質(zhì)為X65，最小屈服應(yīng)力448 MPa，外涂層為3LPE，涂層厚度4 mm。鋪管船具備動(dòng)力定位能力，其焊接工藝線位置和托管架可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，鋪管船參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 管道鋪設(shè)形態(tài)

通過(guò)調(diào)整鋪管船張緊器履帶高度、支撐履帶高度、托管架滾輪支撐高度和托管架角度，保證管道在正常鋪設(shè)過(guò)程中處于幾何平順狀態(tài)，避免在某個(gè)支撐點(diǎn)發(fā)生幾何畸變和大曲率。最終調(diào)整后的管道在導(dǎo)管架上的構(gòu)型如圖1，托管架角度為實(shí)際鋪設(shè)角度25°，管道為空管狀態(tài)。

表1 S型鋪管船參數(shù)

圖1 S型鋪設(shè)管道在托管架上的形態(tài)

1.3 非線性塑性本構(gòu)

深水海底管道S型鋪設(shè)受高彎曲應(yīng)力、大曲率變形、高張力狀態(tài)、強(qiáng)接觸作用以及管道整體幾何線型等影響，因此，選取能正確反映管道力學(xué)狀態(tài)的非線性材料本構(gòu)關(guān)系至關(guān)重要[7]。針對(duì)深水海底管道鋪設(shè)工程，線性胡克定律材料本構(gòu)不再適用，因此，須采用非線性塑性材料本構(gòu)[8]。三參數(shù)Ramberg-Osgood非線性本構(gòu)方程[9]可以較好地模擬鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的塑性特性，表達(dá)式如下：

(1)

式(1)中:ε為海底管道所受應(yīng)變；σ為海底管道所受應(yīng)力，MPa；E為材料線彈性模量，MPa；σy為0.7E所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，MPa；n為材料的硬化系數(shù);X65管材硬化系數(shù)n取10.7，此時(shí)σy為413.9 MPa。擬合的三參數(shù)Ramberg-Osgood非線性本構(gòu)曲線如圖2。

圖2 X65 Ramberg-Osgood非線性本構(gòu)曲線

1.4 環(huán)境參數(shù)

管道鋪設(shè)過(guò)程中，實(shí)際的極值流速和波浪方向與鋪管船前進(jìn)方向一致，流速剖面如圖3所示。波浪選用Stokes V波理論，有義波高1.5 m，譜峰周期為6.6 s。

圖3 南海海域典型流速分布

1.5 鋪管結(jié)果分析

采用三維梁?jiǎn)卧_(kāi)展計(jì)算，分析管道在鋪設(shè)過(guò)程中的有效張力、等效彎矩、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力的分布情況,分析結(jié)果是敏感性分析的基礎(chǔ)。校核準(zhǔn)則采用挪威船級(jí)社海底管道規(guī)范DNV OS F101[10]中提供的應(yīng)變校核準(zhǔn)則、應(yīng)力校核準(zhǔn)則和局部屈曲失效模式校核。過(guò)彎段彎曲曲率和張力均較大，為應(yīng)變控制條件，采用應(yīng)變校核[10]；懸垂段為應(yīng)力控制，采用應(yīng)力校核。

1.5.1 有效張力

有效張力可反映管道在鋪設(shè)過(guò)程中實(shí)際所需張力[11]，其定義為

Te=Tw-AiPi+AoPo

(2)

式(2)中：Te為有效張力，N；Tw為真實(shí)管壁張力(軸向應(yīng)力乘以橫截面積所得軸向應(yīng)力的合力)，N；Ao、Ai為管道外、內(nèi)截面積，m2;Pi、Po分別為管道的內(nèi)、外部壓力，Pa。有效張力完全由鋪管船張緊器提供，是校核鋪管船鋪設(shè)能力的重要指標(biāo)。

圖4為管道有效張力分布情況。由圖4可知，管道有效張力在張緊器附近較大，在觸底區(qū)域較小。受管道重力影響，懸垂管段有效張力隨水深減少而逐漸變大，在張緊器終止點(diǎn)附近達(dá)到最大，為1 002.3 kN。鋪管船2臺(tái)張緊器串聯(lián)可提供4 000 kN張力，滿足張力設(shè)計(jì)要求。

1.5.2 等效彎矩

管道在鋪設(shè)過(guò)程中呈懸鏈線狀，不同節(jié)點(diǎn)處彎矩分布狀態(tài)不同，管道等效彎矩分布情況見(jiàn)圖5。圖5中橫坐標(biāo)為1 900 m處為管道在鋪管船船首張緊器位置，橫坐標(biāo)為0處為管道在觸地點(diǎn)附近區(qū)域。由圖5可知，在鋪設(shè)過(guò)程中管道過(guò)彎段和懸垂段附近彎矩較大，尤其是過(guò)彎段，受托管架滾輪的影響，局部彎矩較大；懸垂段靠近觸地點(diǎn)區(qū)域管道彎曲曲率較大，彎矩也較大。整個(gè)管道最大等效彎矩發(fā)生在過(guò)彎段托管架滾輪附近，為525.3 kN·m。

圖5 管道等效彎矩分布情況

1.5.3 等效應(yīng)變

管道鋪設(shè)過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變分布情況與彎矩分布趨勢(shì)大體一致，在托管架滾輪和懸垂段附近的節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變較大。最大等效應(yīng)變發(fā)生在托管架滾輪附近，為0.221%，小于0.305%，滿足規(guī)范校核要求。

1.5.4 等效應(yīng)力

管道鋪設(shè)過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分布情況與彎矩分布趨勢(shì)也大體一致，受管道曲率影響，托管架上管道節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力較大，且呈現(xiàn)幅值跳躍突變趨勢(shì)。管道懸垂段管節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力呈平穩(wěn)變化趨勢(shì)，管道彎曲曲率依然是控制等效應(yīng)力的主要因素。懸垂段管節(jié)點(diǎn)最大等效應(yīng)力約112.5 MPa,小于DNV OS F101[10]校核準(zhǔn)則中規(guī)定的臨界最大等效應(yīng)力389.76 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.5.5 局部屈曲失效模式校核

局部屈曲失效模式校核結(jié)果與管道節(jié)點(diǎn)張力和局部彎矩相關(guān)，最終計(jì)算得到2種組合校核的UC′a和UC′b值分別為0.96和0.88， 均滿足DNV OS F101[10]的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

2 深水海底管道S型鋪設(shè)影響因素分析

本節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)與前文保持一致，針對(duì)我國(guó)南海海域環(huán)境水深1 250 m海底管道S型鋪管工程，開(kāi)展托管架角度、管道鋪設(shè)狀態(tài)和管道壁厚等級(jí)等3個(gè)重要因素對(duì)鋪管工程的影響研究。

2.1 托管架角度

對(duì)于深水S型鋪管，托管架角度是決定載荷效應(yīng)(應(yīng)變、局部彎矩等)的重要因素[3]。針對(duì)本文目標(biāo)鋪管工程分析不同托管架角度對(duì)鋪管的影響。托管架角度調(diào)整旨在優(yōu)化管道鋪設(shè)幾何形狀，為靜態(tài)分析，暫不考慮波流載荷影響。鋪管船托管架首先放置于最低位置，初始角度38°，從最低位置開(kāi)始提升托管架，之后每增加一步托管架提升1°。

不同托管架角度管道最大有效張力、最大等效彎矩、最大等效應(yīng)變、最大等效應(yīng)力見(jiàn)圖6。由圖6可知，隨著托管架不斷提升，鋪設(shè)管道懸鏈線長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)，管道節(jié)點(diǎn)有效張力逐步增大。當(dāng)提升角度為20°即托管架角度為18°時(shí)，管道節(jié)點(diǎn)有效張力最大，達(dá)1 236.6 kN。而管道節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和等效彎矩則隨著托管架提升角度增大呈先減小后逐漸增大趨勢(shì)。提升角度為13°時(shí)，等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和等效彎矩達(dá)到最小值，分別為0.221%、426.8 MPa、522.3 kN·m，此時(shí)管道節(jié)點(diǎn)有效張力為918.5 kN，處于中等水平。由此可知，托管架從初始位置提升13°即托管架處于25°時(shí)，管道節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和等效彎矩處于最小值范圍內(nèi)，有效張力處于中等水平，此時(shí)托管架角度為最優(yōu)解，可作為工程推薦參數(shù)。

2.2 管道鋪設(shè)狀態(tài)

實(shí)際管道鋪設(shè)工程中，有時(shí)會(huì)將管道充滿水，增加管道的重度以保證管道鋪設(shè)時(shí)在海床上的穩(wěn)定性。隨著海底管道鋪設(shè)逐漸走向深水，充水鋪設(shè)海底管道是否可行成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題。本文分別選取管道內(nèi)部未充水和充水100%(所充水為處理后密度為1 000 kg/m3的淡水)開(kāi)展對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，空管鋪設(shè)最大有效張力為1 002.3 kN，充水鋪設(shè)最大有效張力為1 972.5 kN，遠(yuǎn)大于空管鋪設(shè)時(shí)的最大有效張力，已接近單個(gè)張緊器所能提供的張力極限。如果需要隨海底管道安裝線內(nèi)水下結(jié)構(gòu)，單個(gè)張緊器無(wú)法提供足夠張力，將大大限制海底管道鋪設(shè)工程的適用性。同時(shí)，充水鋪設(shè)時(shí)海底管道管節(jié)點(diǎn)最大等效應(yīng)變和最大等效彎矩分別比空管鋪設(shè)時(shí)大15%和5%。因此，深水鋪管時(shí)宜采用空管鋪設(shè)來(lái)完成管道鋪設(shè)。

圖6 不同托管架角度下管道最大有效張力、最大等效彎矩、最大等效應(yīng)變及最大等效應(yīng)力

2.3 管道壁厚等級(jí)

管道壁厚等級(jí)直接影響鋪設(shè)過(guò)程中管道的構(gòu)型和各項(xiàng)力學(xué)性能。下面針對(duì)空管鋪設(shè)，就12.75 in(32.385 cm)壁厚等級(jí)分別為17.5、19.1、20.6 mm的海管開(kāi)展對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，壁厚等級(jí)為17.5、19.1、20.6 mm的管道最大等效應(yīng)變和最大等效彎矩分別為0.217%、0.221%、0.225%和484.9、525.3、561.1 kN·m，總體上壁厚越大，最大等效應(yīng)力和最大等效彎矩越大。依據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，局部屈曲失效校核受等效彎矩影響較為顯著，因此，海底管道鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)深入評(píng)估壁厚的影響。

3 結(jié)論

1) 托管架角度對(duì)海底管道S型鋪設(shè)各項(xiàng)力學(xué)性能影響顯著，實(shí)際工程宜開(kāi)展優(yōu)化分析，本文1 250 m水深12.75 in(32.385 cm)海底管道S型鋪設(shè)托管架最優(yōu)角度為25°。

2) 深水海底管道充水鋪設(shè)對(duì)張緊器要求更高，且管道等效彎矩、等效應(yīng)變均較空管鋪設(shè)時(shí)大，因此，深水海底管道鋪設(shè)時(shí)應(yīng)慎重選擇充水鋪設(shè)方式。

3) 管道壁厚對(duì)S型鋪設(shè)影響較大，壁厚越大，最大有效張力、最大等效應(yīng)變和最大等效彎矩越大。

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(編輯：呂歡歡)

Analysis of factors influencing deep water submarine pipeline S-lay operations

Zhou Weiwei Zhang Enyong Cao Jing

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The critical tension, high bending stress, large curvatures, strong contaction and pipeline configuration should be comprehensively evaluated in deep water submarine pipeline S-lay operations. The 3-D FEA method with nonlinearity beam elements was applied in the analysis of deep water submarine pipeline S-lay operations based on the typical sea environment of South China Sea, and with the results being checked against relevant standard codes. The analysis outputs included the S-lay effective tension, equivalent bending moment, von Mises stress and strain. The factors influencing S-lay operations including stinger angle, pipe-lay condition and wall thickness were analyzed. The results show that the best stinger angle is 25° in this specific project, and that the flooded pipe-lay method must be used with discretion in submarine pipeline S-lay operations. The operations are very sensitive to pipe wall thickness, and in-depth evaluation of the correlation must be carried out before operations. The results obtained in this paper will be good references for deep water submarine pipeline S-lay operations.

deep water; submarine pipeline; S-lay, 3-D nonlinearity beam element; stinger angle; lay condition; pipe wall thickness

周巍偉，男，工程師，2010年畢業(yè)于大連理工大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事深水立管和海底管道結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和研究工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院2號(hào)樓(郵編：100028)。E-mail：zhouww4@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)02-0145-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.02.020

TE973.1

A

2015-02-10 改回日期：2015-10-21

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水海底管道和立管工程技術(shù)(編號(hào)：2011ZX05026-005)、南海北部陸坡(荔灣3-1及周邊)深水油氣田開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)(編號(hào)：2011ZX05056-001)”部分研究成果。

周巍偉，張恩勇，曹靜.深水海底管道S型鋪設(shè)影響因素分析[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(2)：145-150.

Zhou Weiwei，Zhang Enyong，Cao Jing.Analysis of factors influencing deep water submarine pipeline S-lay operations[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(2):145-150.