基于配點(diǎn)法的海洋鋪管S段力學(xué)分析與計(jì)算

羅 剛，馬海峰，張富強(qiáng)

(1.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，湖北 荊州 434000；2.西南石油大學(xué)，成都 610500 )

?

基于配點(diǎn)法的海洋鋪管S段力學(xué)分析與計(jì)算

羅 剛1，馬海峰2，張富強(qiáng)1

(1.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，湖北 荊州 434000；2.西南石油大學(xué)，成都 610500 )

海洋管道的工作環(huán)境特殊性，其鋪設(shè)施工質(zhì)量直接影響后期使用性能及維護(hù)保養(yǎng)成本。對海洋管道鋪設(shè)過程中的變形量計(jì)算與分析，尤其是S段變形量的控制是確保其施工質(zhì)量的重要手段。采用三次B樣條函數(shù)對鋪管時(shí)的懸跨曲線進(jìn)行擬合，利用加權(quán)殘數(shù)方法中的配點(diǎn)法對數(shù)學(xué)模型建立求解方程，并在求解非線性方程組時(shí)，利用牛頓法迭代求解，得出管道各節(jié)點(diǎn)的受力情況。開發(fā)出相應(yīng)的海洋管道鋪設(shè)力學(xué)計(jì)算軟件，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，從而為海洋管道的鋪管作業(yè)施工提供了有效的技術(shù)手段，具有應(yīng)用價(jià)值。

海上油氣田；鋪管；力學(xué)分析；數(shù)學(xué)模型

海洋蘊(yùn)藏了全球超過70%的油氣資源，世界石油產(chǎn)量的1/3來自于海洋石油。海洋油氣管道是開發(fā)海洋石油天然氣不可缺少的，被稱為“海洋油氣田生命線”。隨著中國海洋石油勘探開采步伐不斷加快，海洋油氣管道建設(shè)成為新的課題。海洋管道多采用鋪管船法進(jìn)行施工(拖管法僅適用于淺灘海登陸段施工)，由于海洋管道工作環(huán)境的特殊性，海洋管道的鋪設(shè)施工質(zhì)量直接影響其后期使用以及維護(hù)保養(yǎng)成本，故如何有效控制管道鋪設(shè)過程中的變形量，尤其是S段變形量的控制是海洋管道鋪設(shè)中的關(guān)鍵核心問題。海洋管道鋪設(shè)中一端置于海底，另一端置于船體之上(如圖1所示)。由于船體與海底之間的高度差使海底管道出現(xiàn)一段較長的S型懸跨曲線，彎曲變形量大，且受力情況復(fù)雜，如圖2所示。本文針對管道鋪設(shè)時(shí)的狀態(tài)，如何確保S段應(yīng)力不超過其材料允許極限，進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)分析與計(jì)算。

圖1 鋪管船法鋪管示意

圖2 S段受力分析

1 鋪管數(shù)學(xué)模型

目前，對海洋管道的鋪設(shè)應(yīng)用的主要理論包括：線性梁理論(適用于小撓度情況)、非線性梁理論(適用于淺水和深水，也適用于小撓度和大撓度情況)。針對海洋管道鋪設(shè)的實(shí)際情況，將海洋管道鋪設(shè)問題建立一個(gè)非線性、彈性、幾何大變形大撓度梁模型，建立空間曲梁運(yùn)動微分方程[1-4]：

(1)

式中：S為管道弧長(在原點(diǎn)處，其值為0)；φ為管線上任意一點(diǎn)的切線與水平方向夾角；H、V、M分別是管線橫截面的水平力、垂直力及彎矩。

設(shè)懸跨段曲線長度為L，令s=S/L，則s∈[0,1]，式(1)可變?yōu)?/p>

(2)

由管道的本構(gòu)關(guān)系可知[5]：

(3)

式中：EI為管道的抗彎剛度；K為管道的彎曲曲率。

對懸跨段各點(diǎn)進(jìn)行受力分析可知

H=Hx,V=Hy+wwLs

(4)

式中：ww為管線在水中單位長度重力；Hx為管線著地點(diǎn)處水平方向受力；Hy為豎直方向受力。

把式(1)～(3)代入式(4)可得平衡微分方程：

(5)

2 曲線擬合

從式(5)中可以得出，鋪管數(shù)學(xué)模型是關(guān)于角度φ的函數(shù)，故采用三次B樣條函數(shù)擬合管道角度曲線，得擬合方程：

(6)

式中：n為分段數(shù)(即：把懸跨段劃分為n段，n越大結(jié)果越精確)，它對應(yīng)n+3個(gè)待定系數(shù)c-1,c0,c1,…,cn+1；Ω3(x)為三次B樣條函數(shù)[4]；

由式(6)可知，求出待定系數(shù)c-1,c0,c1,…，cn+1，即可確定管道角度曲線，進(jìn)而得出各點(diǎn)的受力情況。

3 加權(quán)殘數(shù)法與配點(diǎn)法求解

根據(jù)分段數(shù)，可在管線上得到n+1個(gè)點(diǎn)。令微分方程在n+1個(gè)點(diǎn)上的殘值為零，則可得到一組方程。

把式(6)代入式(4)可得配點(diǎn)方程

4Ci+Ci-1)/6]+(Hy+wwLsi)cos[Ci+1-

4Ci+Ci-1)/6]=0i=0,1,2,…，n

(7)

邊界條件：

φo=a

(8)

M0=0

(9)

MA=EI/R

(10)

式中：a為管線與海床夾角；R為托管架半徑。

把式(6)代入式(8)可得

c-1+4c0+c1=a

(11)

把式(3)、(6)代入式(9)可得

c-1=c

(12)

把式(3)代入式(10) 可得

(13)

由A點(diǎn)的幾何關(guān)系可以得到：

d=h1+y1;

h1=R(cosβ0-cosφ1)-h0

所以

(14)

(15)

式中：γ為管道在O1AB平面內(nèi)的彎曲角度；F1為管道在A點(diǎn)的軸向力。

對懸跨段整體分析可得

F1=HxcosφA+(Hy+wwL)sinφA

(16)

把式(16)代入式(15)[9]可得

F=HxcosφA+(Hy+wwL)sinφA+

Rww(cosφB-cosφA)+ho(wa-ww)

(17)

由式(7)(代入i=0)及式(10) 可求得由著地點(diǎn)x,y坐標(biāo)方向上的受力Hx，Hy。

(18)

(19)

式中：

X2=F-wwLsinφA-Rww(cosφB-

cosφA)-h0(wa-ww)

最終建立求解方程組，式(7)、(11)、(12)、(13)聯(lián)立得到

根據(jù)此方程組可確定出n+3個(gè)待定系數(shù)[10-14]，進(jìn)而確定管道角度曲線，求出其受力情況。

4 計(jì)算實(shí)例

針對上述數(shù)學(xué)模型，利用VB編制軟件開發(fā)了海洋管道鋪設(shè)力學(xué)計(jì)算軟件，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。鋪設(shè)管道參數(shù)：直徑0.325 m，壁厚0.012 m，空氣中管重力127.5 N/m，抗彎剛度303 900 4 N·m2，水深20 m，與海床夾角，干舷高3 m，張緊器拉力50 000 N，托管架半徑95 m 。運(yùn)行海洋管道鋪設(shè)力學(xué)計(jì)算軟件，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 管道鋪設(shè)力學(xué)分析結(jié)果

表1(續(xù))

5 結(jié)論

1) 本文利用非線性梁理論，建立了海洋管道鋪設(shè)的數(shù)學(xué)模型(非線性、彈性、幾何大變形大撓度梁模型)。

2) 采用三次B樣條函數(shù)對海洋管道鋪管時(shí)的懸跨曲線進(jìn)行擬合，利用加權(quán)殘數(shù)方法中的配點(diǎn)法對數(shù)學(xué)模型建立了求解方程。在求解非線性方程組時(shí)，采用擬牛頓法迭代的方式得出管道各節(jié)點(diǎn)的受力情況

3) 利用VB 程序開發(fā)了海洋管道鋪設(shè)力學(xué)計(jì)算軟件，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，可以有效地指導(dǎo)海洋管道的鋪管作業(yè)施工，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳再玉，趙曉磊，肖德明，等.深海S型管線鋪設(shè)中的靜態(tài)形態(tài)影響因素分析[J].石油礦場機(jī)械，2015，44(1)：5-8.

[2] 李志剛，徐祥娟，喻開安，等.深水鋪管船儲纜絞車排纜器受力和運(yùn)動分析[J].石油礦場機(jī)械，2011，40(4)：29-32.

[3] 詹侃，陸仁華.海底管道在鋪設(shè)過程中的二維靜態(tài)分析[J].海洋工程，1991(9)：14-20.

[4] Yan Junqi，PEDERSEN P T.3-D analysis of pipelines during laying[R].OTC 5297，1986.

[5] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，1991.

[6] 李慶揚(yáng)，王能超，易大義.數(shù)值分析[M].北京：清華大學(xué)出版社.1982.

[7] 梁翕章，唐智圓.世界著名工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1992.

[8] 梁政.海洋管道“J”型鋪設(shè)研究[J].中國海上油氣(工程)，1993(5)：22-28.

[9] 馬良.海底油氣管道工程[M].北京：海洋出版社，1987.[10] 美國石油學(xué)會，挪威船級社.海洋管道規(guī)程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1987.

[11] 徐士良.C常用算法程序集[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[12] 施妙根，顧麗珍.科學(xué)和工程計(jì)算基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[13] 徐萃薇.計(jì)算方法引論[M].北京：高等教育出版，1985.

[14] 黃象鼎.非線性數(shù)值分析[M].武漢：武漢大學(xué)出版社.2000.

Mechanical Analysis and Calculation of the S Section of Offshore Laying Pipe Based on the Collocation Method

LUO Gang1，MA Haifeng2，ZHANG Fuqiang1

(1.JianghanMachineryResearchInstitute，DR，CNPC，Jingzhou434000，China；2.SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China)

The working environment of marine pipeline is special，and the quality of laying construction directly affects the later use and maintenance costs.The calculation and analysis of the deformation in the course of laying marine pipeline，especially，the control of the deformation of the S section are important ways to ensure the construction quality.In this paper，the three B spline function was used to fit the curve of the cross section of the pipe laying.The mathematical model was established with the collocation method of weighted residual method.When solving the nonlinear equations，the Newton method was used to solve the problem.The stress situation of each node of the pipeline was obtained.At the same time，the corresponding calculation software for the laying of marine pipeline was developed，and an example calculation was given.The software provided an effective technical way for the pipe laying operation of the marine pipeline.The software will have a practical application value.

marine oil and gas fields；pipe laying；force analysis；mathematical simulation

2016-05-04

羅 剛(1983-)，男，四川綿陽人，工程師，碩士，主要從事石油天然氣礦場機(jī)械設(shè)備研究，E-mail：luogang1@cnpc.com.cn。

1001-3482(2016)11-0020-04

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.004