非粘結(jié)海洋復(fù)合軟管鋪設(shè)分析方法研究

代志雙， 孟德軍， 楊 強(qiáng)， 陳 星， 袁曉燕

(1.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

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非粘結(jié)海洋復(fù)合軟管鋪設(shè)分析方法研究

代志雙1,2， 孟德軍2， 楊 強(qiáng)2， 陳 星2， 袁曉燕1

(1.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

軟管相比鋼管具有很多優(yōu)勢，其海上安裝鋪設(shè)過程中的安全性和便捷性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼管，但是軟管的鋪設(shè)分析與鋼管同樣復(fù)雜。以某氣田的輸氣軟管為例，介紹了軟管海上鋪設(shè)分析的步驟，針對軟管鋪設(shè)過程中的幾個關(guān)鍵點進(jìn)行了研究。并且采用數(shù)據(jù)等效和軟件模擬等方法得到了軟管的抗擠壓能力、鋪設(shè)拉力、彎曲半徑以及軟管觸泥點位置等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為海上施工提供了可靠的理論數(shù)據(jù)支持，對軟管鋪設(shè)分析的進(jìn)一步研究提供了思路。

復(fù)合軟管；鋪設(shè)；有效拉力；彎曲半徑

0 引言

海洋復(fù)合軟管的應(yīng)用越來越廣泛，在我國渤海和南海海域，已經(jīng)鋪設(shè)了多條軟管。軟管作為一種新型管道結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼管相比具有很多優(yōu)勢。從結(jié)構(gòu)上講，非粘結(jié)復(fù)合軟管是由多層不同材質(zhì)的帶狀結(jié)構(gòu)按照一定間隙纏繞而成，因此其彎曲半徑比鋼管小很多，所以在海上鋪設(shè)時，可以將軟管儲存在儲管池之中。軟管在海上鋪設(shè)時，有多種接頭形式可選擇，如法蘭、焊接和快速接頭。軟管的焊接量相對鋼管要少很多，海上鋪設(shè)時間會大大縮短，節(jié)約安裝成本，降低油田的整體開發(fā)費(fèi)用。

軟管雖然在海上鋪設(shè)時比鋼管快捷，但也需要控制很多數(shù)據(jù)以保證其鋪設(shè)時的安全性，因此軟管鋪設(shè)分析顯得尤為重要。軟管鋪設(shè)分析主要有以下幾個關(guān)鍵點：(1) 軟管的最小彎曲半徑； (2) 軟管的抗擠壓能力； (3) 張緊器能力； (4) 軟管鋪設(shè)所允許的最小拉力和最大拉力； (5) 特定環(huán)境條件下軟管的鋪設(shè)拉力和彎曲半徑； (6) 軟管起鋪造彎所需要的最小直線段長度； (7) 軟管跨越管線時的受力分析(若路由存在跨越點)； (8) 軟管首尾末端與立管對接時的牽拉力。

這些關(guān)鍵點缺一不可，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)直接對軟管的海上鋪設(shè)施工起指導(dǎo)作用。下面以某軟管為例，對鋪設(shè)分析中的主要關(guān)鍵點進(jìn)行介紹。

1 軟管最小彎曲半徑

非粘結(jié)海洋復(fù)合軟管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。軟管各層都會有對應(yīng)的最小彎曲半徑數(shù)值，非金屬層通過應(yīng)變來確定，金屬層通過互鎖狀態(tài)下的彎曲半徑來確定，因此軟管的最小彎曲半徑即為各層材料達(dá)最小彎曲半徑時的最大值[1]。

圖1 軟管基本結(jié)構(gòu)圖

對軟管各層的最小彎曲半徑分別進(jìn)行計算[2]，得到相應(yīng)各層的最小彎曲半徑，見表1。

表1 軟管各層最小彎曲半徑

從表1得到軟管的最小彎曲半徑為2.683 m，軟管儲存彎曲半徑為最小彎曲半徑的1.1倍，軟管在操作狀態(tài)下的彎曲半徑為儲存彎曲半徑的1.5倍。一般認(rèn)為操作狀態(tài)包括軟管的安裝狀態(tài)，因此軟管安裝狀態(tài)下的最小彎曲半徑確定為4.43 m。

2 軟管抗擠壓分析

軟管截面模型比較復(fù)雜，在建立有限元模型時可通過等效的方法將抗壓截面轉(zhuǎn)換成普通單壁管截面。骨架層為S型截面，抗壓鎧裝層為矩形鋼帶，兩者均按照一定節(jié)距和角度螺旋纏繞而成，骨架層需互鎖纏繞，下面以骨架層為例進(jìn)行等效介紹。骨架層的等效示意圖如圖2所示。

圖2 骨架層的等效示意圖

在圖形軟件中讀取出S型骨架層截面的慣性距參數(shù)，通過圓環(huán)形截面慣性距公式得到其相應(yīng)的壁厚，公式如下[3]

(1)

(2)

式中：t為等效壁厚； Ixreal為讀取的骨架層截面慣性距； Areal為讀取的骨架層截面面積； Emod為模型彈性模量； nw為骨架層S型鋼帶個數(shù)； Esteel為骨架層材料彈性模量； p為纏繞節(jié)距。

抗壓鎧裝層的等效方法與骨架層相同。由于抗拉層主要起抗拉作用，不考慮其抗壓作用，其他層為非金屬聚合物層，為管狀結(jié)構(gòu)、可直接進(jìn)行建模，按照規(guī)范要求考慮0.2 %的初始橢圓度[2]。

張緊器的履帶夾持形式分為兩履帶和四履帶兩種，其中兩履帶為V型，四履帶為平板型。根據(jù)張緊器履帶對軟管的實際擠壓方式將履帶模型同樣建立在軟管模型之中，各層材料屬性按照線彈性來考慮。軟管各層之間、履帶與軟管之間建立接觸對，最終得到軟管的ANSYS有限元模型以及校核結(jié)果，如圖3所示。

圖3 軟管擠壓強(qiáng)度有限元計算結(jié)果

張緊器所用油缸產(chǎn)生的油壓與履帶作用在軟管上的壓力存在一定比例關(guān)系，這需要結(jié)合張緊器詳細(xì)參數(shù)和擠壓實驗來進(jìn)行標(biāo)定，該項目所使用張緊器為兩履帶單臺油缸，最大油壓3.5 MPa，四履帶最大油壓10 MPa。油壓和履帶壓力的關(guān)系通過實驗標(biāo)定，張緊器履帶與軟管外層最小摩擦系數(shù)通過實驗取得。最終，得到軟管擠壓強(qiáng)度以及張緊器施工能力結(jié)果，見表2。

表2 軟管擠壓強(qiáng)度和張緊器施工能力分析

由表2可知，兩種履帶形式的張緊器均滿足最大負(fù)載要求，即張緊器的油缸推力達(dá)到最大時，軟管也不會擠壓破壞。這里需要注意一點，根據(jù)API規(guī)范，擠壓實驗需要滿足橢圓度的要求，即軟管外徑最大橢圓度不允許超過3%。經(jīng)過計算，軟管達(dá)到擠壓強(qiáng)度時的橢圓度遠(yuǎn)小于3%，同樣經(jīng)過反向模擬，當(dāng)軟管橢圓度達(dá)到3%時，骨架層已經(jīng)超過其最大許用應(yīng)力要求，不滿足規(guī)范要求。

3 軟管鋪設(shè)分析

軟管鋪設(shè)分析采用Orcaflex軟件進(jìn)行模擬計算，得到軟管頂端所受軸向有效拉力，軟管下彎點最小彎曲半徑，以及軟管在靜力狀態(tài)下產(chǎn)生或接近軟管安裝狀態(tài)下最小彎曲半徑的鋪設(shè)拉力，此拉力為軟管鋪設(shè)時的最小允許拉力。

在進(jìn)行鋪設(shè)分析之前還需要確定能作業(yè)的最大環(huán)境條件。由于施工船舶通過錨泊定位來進(jìn)行軟管鋪設(shè)，因此能作業(yè)的最大環(huán)境條件需要通過系泊分析來確定。本處系泊分析通過moses軟件的時域分析方法進(jìn)行，其中波浪譜采用JONSWAP譜，譜峰升高因子γ取3.3，風(fēng)譜采用NPD風(fēng)譜[3]，風(fēng)速選取每個風(fēng)級區(qū)間的最大值?？傮w來講，環(huán)境參數(shù)的選取是相對保守的。

通過施工月份以往年份的環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計，結(jié)合蒲氏風(fēng)速波高表和系泊分析結(jié)果，得到環(huán)境參數(shù)，見表3。

表3 施工海域風(fēng)波流參數(shù)選取表

為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還需要對鋪設(shè)作業(yè)的船舶進(jìn)行水動力分析，以便得到其在相應(yīng)海況條件下的運(yùn)動參數(shù)。水動力分析可通過專業(yè)軟件進(jìn)行，比如AQWA、moses或sesam等，這些軟件與Orcaflex軟件有接口，能將計算結(jié)果導(dǎo)入船體特性中，使計算結(jié)果與實際結(jié)果契合度較高。

由于船體形狀為左右對稱，因此只選取了0°、45°、90°、135°和180°五個方向進(jìn)行水動力分析。通過moses頻域分析得到響應(yīng)幅值算子、附加質(zhì)量、阻尼矩陣、平板波浪力和QTF等計算結(jié)果。考慮鋪設(shè)過程中船舶吃水的變化，共選取起始、中間和末尾三個吃水狀態(tài)進(jìn)行水動力分析并分別將結(jié)果導(dǎo)入Orcaflex模型中進(jìn)行時域分析。通過靜態(tài)模擬得到軟管鋪設(shè)所需要的最小拉力，調(diào)整入水點的位置來得到符合軟管截面特性和懸鏈線特性的最小彎曲半徑下的入水點位置和懸鏈線姿態(tài)，從而得到軟管鋪設(shè)所需要的最小拉力，分析模型如圖4所示。由于已知船舶的最大施工條件為6級風(fēng)，因此鋪設(shè)模擬最大的環(huán)境條件同樣采用6級風(fēng)來進(jìn)行動態(tài)模擬。動態(tài)計算所需結(jié)果與靜態(tài)相同，得到在6級風(fēng)下施工所需要的軟管最小鋪設(shè)拉力，從而得到軟管鋪設(shè)所需要的最小拉力范圍。

圖4 鋪設(shè)分析模型

需要注意的是，軟管在正常鋪設(shè)過程中會有接頭，而不同的接頭形式有不同的重量和剛度。因此，在正常鋪設(shè)工況中需要選取一段合適的長度模擬接頭，并施加相應(yīng)的重量和剛度。尤其應(yīng)在著泥點處進(jìn)行模擬，能有效地得到軟管接頭觸泥時的彎矩和受力，保證軟管鋪設(shè)時的安全。

根據(jù)鋪設(shè)經(jīng)驗，理想狀態(tài)下軟管的觸泥點位置距離船艉應(yīng)該在30 m～40 m之間，這時軟管的姿態(tài)和拉力能保持在一個較好的狀態(tài)，通過模擬得到的軟管受力結(jié)果見表4。

表4 軟管鋪設(shè)分析結(jié)果

軟管在兩種流向(東南流和西北流)下的鋪設(shè)姿態(tài)和張力時程圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 軟管在兩種流向下的鋪設(shè)姿態(tài)

圖6 軟管正常鋪設(shè)中在兩種流向下的張力時程圖

通過分析結(jié)果可以看到，軟管鋪設(shè)彎曲半徑最小為10.5 m，這一數(shù)值大于軟管安裝所允許的最小彎曲半徑(4.43 m)，因此軟管的金屬層應(yīng)力和聚合物層的應(yīng)變均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

為了得到軟管鋪設(shè)所需的拉力范圍，還需要計算出軟管鋪設(shè)所允許的最大拉力。軟管在鋪設(shè)中拉力越大，通過尾部托管架作用在尾部托架上的壓力越大。將尾部托架近似看作一個平板，可以認(rèn)為軟管受到此平板的擠壓力，該擠壓力不能超過軟管所能承受的允許擠壓力。因此，需要計算出軟管在尾部托架上達(dá)到擠壓極限時的拉力，這個拉力在最新版的API規(guī)范中已經(jīng)給出[4]，見式3。

(3)

式中：Fplan為軟管允許的最大平板壓力；Rstring為船舶托管架的彎曲半徑。

通過式(3)得到軟管鋪設(shè)允許的最大拉力為37.8 t，該拉力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了本次施工所用張緊器能提供的最大牽拉力，因此軟管鋪設(shè)是安全的。

4 特殊工況計算

以上計算中，基本包括了軟管鋪設(shè)分析的要點，為了進(jìn)一步完善鋪設(shè)分析，也需要進(jìn)行一些特殊工況下的計算，比如軟管的起鋪造彎，跨越分析，棄拾管以及首末兩端與立管的牽拉等工況。這部分計算主要與海底土壤的參數(shù)有關(guān)，因此在沒有詳細(xì)準(zhǔn)確的土壤參數(shù)，無法判斷軟管與海底泥面之間的摩擦系數(shù)時，可通過API規(guī)范所給的摩擦系數(shù)計算。一般情況下軟管與海底泥面之間的摩擦系數(shù)可按照軸向0.2～0.3、側(cè)向0.4～0.5進(jìn)行估算。如果想得到準(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)果，可通過施工海域準(zhǔn)確的土質(zhì)資料，計算出土壤對軟管的側(cè)向和軸向摩阻力。

需要注意三點：(1) 在計算起鋪造彎時需要得到準(zhǔn)確的軟管水平段殘余拉力，可以通過鋪設(shè)分析結(jié)果得到；(2) 在進(jìn)行軟管跨越分析時，需要提前計算出軟管的VIV結(jié)果，得到軟管在海底所允許的最大懸跨間距，并在做軟管跨越分析時予以考慮；(3) 在做首末端軟管牽拉時，可通過增加浮子來抵消軟管和接頭在水中的重量，同時考慮海流對浮子的作用力，保證軟管的坐底穩(wěn)性，進(jìn)而控制浮子數(shù)量，以免浮子太多起到反作用，增大軟管牽拉力。

5 結(jié)語

通過對海洋復(fù)合軟管的計算分析，得到軟管在鋪設(shè)時所需要的最小和最大牽拉力以及相應(yīng)工況下軟管所能出現(xiàn)的最小彎曲半徑和著泥點水平距離，從而保證軟管在鋪設(shè)時滿足規(guī)范要求。在實際鋪設(shè)時，以鋪設(shè)分析的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對軟管的牽拉力進(jìn)行實時監(jiān)測，水深較深的海域可通過水下ROV來觀測軟管著泥位置的姿態(tài)，以保證軟管的正常鋪設(shè)。

[1] API-RP-17J. Specification for Unbonded Flexible Pipe, Fourth Edition[S]. 2014.

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[3] José R M, Gilberto B E, Edison C P, et al. Local mechanical behaviour of flexible pipes subjected to installation loads[C].20th International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering, Rio de Janeiro, 2001.

[4] API-RP-2SK. Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S]. 2005.

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Researches on Analysis Method of Unbonded Flexible Pipe Laying

DAI Zhi-shuang1,2, MENG De-jun2, YANG Qiang2, CHEN Xing2, YUAN Xiao-yan1

(1. School of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Neptune Offshore Engineering Development Co., Ltd, Tianjin 300384, China)

Compared with steel pipe, flexible pipe has a lot of advantages, especially on the installation case, flexible pipe is more convenient. However, the analysis method of flexible pipe laying is as complex as steel pipe. The paper focuses on a gas hose, explores the main steps and keypoints of flexible pipe laying, adopts equivalent data and creates model simulation to get the extrusion pressure resistance, effective tension, bending radius and touchdown point of flexible pipe. These results are very useful for the installation of flexible pipe laying.

flexible pipe； laying； effective tension； bending radius

2015-02-12

國家科技重大專項課題資助項目(2011ZX05026-005)。

作者簡介： 代志雙(1984-)，女，工程師。

1001-4500(2016)05-0073-07

TE973

A