基于懸鏈線理論的跨接軟管安裝計(jì)算

邊大勇，閆斌，鄭炳祥

基于懸鏈線理論的跨接軟管安裝計(jì)算

邊大勇，閆斌，鄭炳祥

考慮到海洋石油平臺(tái)之間和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)之間的跨接軟管成本昂貴，并且在安裝過(guò)程中極易受損，為保證軟管在安裝過(guò)程中的完整性，提升安裝作業(yè)效率，降低安裝成本，采用懸鏈線理論對(duì)跨接軟管安裝過(guò)程進(jìn)行分析，建立求解跨接軟管長(zhǎng)度、連接點(diǎn)角度、受力、高差以及彎曲半徑、重心位置等關(guān)鍵控制參數(shù)的懸鏈線方程。在LF13-2油田開發(fā)項(xiàng)目跨接軟管的安裝過(guò)程中的應(yīng)用表明，該方法快捷有效，可作為跨接軟管安裝控制的理論依據(jù)。

跨接軟管；懸鏈線理論；安裝計(jì)算；海洋石油平臺(tái)

海洋油氣輸送軟管由于具有良好的抗腐蝕、耐酸堿能力、高壓承壓能力以及良好的柔韌性已廣泛應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)之間和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)之間原油、天然氣和生產(chǎn)水跨接輸送的關(guān)鍵設(shè)施。該類型海洋油氣輸送軟管由內(nèi)膠層、內(nèi)保護(hù)層、鋼絲編織層、中間膠層、外保護(hù)層和外膠層符合而成，見(jiàn)圖1。

該類型軟管價(jià)格昂貴，多為國(guó)外進(jìn)口，并且在安裝過(guò)程中對(duì)軟管彎曲形狀、軟管受力，以及軟管對(duì)接點(diǎn)位置和角度都有嚴(yán)格要求，不合適的海上安裝方法將造成軟管結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致使用壽命的降低，危及海洋油氣輸送的安全和海洋環(huán)境。為此，針對(duì)海洋石油平臺(tái)之間和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)之間的跨接軟管，結(jié)合安裝過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)，利用懸鏈線方程近似方法進(jìn)行分析計(jì)算，以期為海上跨接軟管安裝工程提供依據(jù)。

1 問(wèn)題的提出

海洋石油平臺(tái)之間和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)之間跨接軟管的安裝過(guò)程中，主要面臨以下問(wèn)題。

1)跨接軟管2端連接點(diǎn)一般不等高，獲得跨接軟管最低點(diǎn)與2端連接點(diǎn)的高度差之后才能確定吊裝索具的配置。

2)跨接軟管2端連接點(diǎn)采用法蘭連接，必須獲得連接點(diǎn)受力大小以及受力角度，才能預(yù)制跨接軟管連接彎頭角度，以及確定跨接軟管吊裝或拖拉設(shè)備的型號(hào)。

3)跨接軟管采用U形吊裝或拖拉，在安裝過(guò)程中，必須控制跨接軟管的彎曲程度大于其彎曲半徑，以免損傷軟管。

在以往的工程實(shí)踐中，作業(yè)者多依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行跨接軟管的安裝，尤其是跨接軟管2端連接點(diǎn)角度、軟管2端高差、吊裝和拖拉過(guò)程中軟管彎曲半徑須多次進(jìn)行摸索和嘗試，才能最終確定軟管安裝和連接狀態(tài)，導(dǎo)致安裝過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)且軟管易遭受損壞， 因此對(duì)跨接軟管安裝過(guò)程受力狀況的分析和計(jì)算成為提高海上施工的作業(yè)效率和保障跨接軟管安裝過(guò)程完整的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 計(jì)算的可行性分析

根據(jù)懸鏈線理論，當(dāng)跨距足夠大時(shí)，所有的懸掛纜索都可看成柔軟而無(wú)剛性的懸鏈?；诖?，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者采用懸鏈線理論對(duì)深水立管[1-2]、錨泊系統(tǒng)[3]、架空索道單跨鋼索[4-5]、軌道車輛間跨接電纜[6]、高壓架空輸電線路[7]、大跨徑懸索橋[8]等進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。海洋石油平臺(tái)之間和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)之間的跨接軟管與架空索道單跨鋼索類似，軟管長(zhǎng)度長(zhǎng)，跨度大，見(jiàn)表1，其懸垂的物理狀態(tài)近似于懸索狀態(tài)。

表1 跨接軟管設(shè)計(jì)參數(shù)

雖然跨接軟管兩端帶有連接法蘭并經(jīng)過(guò)特殊加強(qiáng)處理，但加強(qiáng)處理段及法蘭占軟管總長(zhǎng)和總質(zhì)量比重較??；雖然跨接軟管有一定的剛性，但橫截面面積在自重作用下變化十分微小，并且軟管截面尺寸、彎曲半徑與其長(zhǎng)度、跨度相比十分微小。因此，懸掛在海洋石油平臺(tái)之間和FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)之間的大長(zhǎng)度、大跨距的跨接軟管可認(rèn)為符合懸鏈線形態(tài)，并可利用懸索理論進(jìn)行受力分析。

目前應(yīng)用較多的懸索理論主要有拋物線理論和懸鏈線理論，由于懸鏈線理論關(guān)于懸索豎向載荷沿索弧長(zhǎng)均勻分布的假設(shè)更接近跨接軟管的實(shí)際形態(tài)，且對(duì)存在一定撓度的懸索具有相對(duì)更高的計(jì)算精度[9-10]，因此，采用懸鏈線理論對(duì)跨接軟管安裝過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析更為合適。

為了便于適用于跨接軟管安裝的懸鏈線方程的建立，將以下假定作為分析計(jì)算的基礎(chǔ)。

1)跨接軟管是理想柔性的，因?yàn)檐浌艿慕孛娉叽?、彎曲半徑與軟管長(zhǎng)度、跨度相比十分微小，故截面的抗彎剛度在計(jì)算中可不考慮。

2)跨接軟管自重沿管線均勻分布，符合胡克定律。

3)跨接軟管的橫截面面積在自重作用下變化十分微小，可以忽略。

3 跨接軟管安裝的理論分析

3.1 跨接軟管懸鏈線方程的建立

跨接軟管的跨接方式有等高跨接和不等高跨接2種情況，本文以不等高跨接情況為例進(jìn)行分析。

如圖2所示，跨接軟管懸掛在A、B2點(diǎn)之間，成懸鏈線形，在自重和A、B兩點(diǎn)拉力作用下保持平衡、靜止?fàn)顟B(tài)。取較低連接點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系，取一微段dS，如圖3。設(shè)H0為跨接軟管的水平拉力(N)；q為跨接軟管單位長(zhǎng)度重力(N/m)；A、B2點(diǎn)跨距為D；高差為h，弦傾角為α。

由力的平衡條件可得懸鏈線微分方程為

(1)

由邊界條件：x=0，y=0，x=D，y=Dtanα=h可得以跨接軟管較低連接點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的懸鏈線方程。

(2)

3.2 跨接軟管安裝相關(guān)參數(shù)的推導(dǎo)

3.2.1 跨接軟管2端連接點(diǎn)的角度

由式(2)可得任意點(diǎn)切線斜率為。

(3)

將xA=0、xB=D代入式(7)，求得跨接軟管兩端連接點(diǎn)的斜率及角度。

(4)

(5)

3.2.2 跨接軟管2端連接點(diǎn)的高差

將xA=0、xB=D分別代入式(2)，可得A、B兩點(diǎn)高差h。

(6)

3.2.3 跨接軟管的長(zhǎng)度

設(shè)跨接軟管曲線長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則A、B2點(diǎn)曲線長(zhǎng)度為

將xA=0、xB=D和式(7)代入上式，可得軟管長(zhǎng)度方程。

(7)

利用雙曲函數(shù)的和差公式對(duì)式(6)、(7)進(jìn)行變換，可得軟管2端連接點(diǎn)高差與軟管長(zhǎng)度關(guān)系的方程。

(8)

3.2.4 跨接軟管任意點(diǎn)拉力的計(jì)算

設(shè)T為軟管上任意點(diǎn)的懸鏈拉力，則有：

(9)

3.2.5 跨接軟管重心的計(jì)算

設(shè)跨接軟管在懸鏈型態(tài)下重心坐標(biāo)為xw、yw，由于跨接軟管質(zhì)量沿管線及截面均勻分布，可得跨接軟管在懸鏈型態(tài)下重心坐標(biāo)。

將xA=0、xB=D和式(7)帶入上式可得：

在跨接軟管2端等高的情況下有：

(11)

3.2.6 跨接軟管曲率半徑

曲率半徑ρ為

(12)

將式(2)代入式(12)可得：

(13)

4 跨接軟管安裝施工案例計(jì)算

4.1LF13-2油田開發(fā)項(xiàng)目案例計(jì)算

以LF13-2 油田開發(fā)項(xiàng)目中跨接軟管的安裝為例進(jìn)行計(jì)算。該項(xiàng)目跨接軟管安裝的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

計(jì)算結(jié)果如下。

1)將跨距、高差、軟管長(zhǎng)度、軟管單位質(zhì)量代入方程(8)，通過(guò)迭代法求得無(wú)荷水平拉力系數(shù)λ0=2.752；

表2 跨接軟管安裝的設(shè)計(jì)參數(shù)

2)將跨距、高差、無(wú)荷水平拉力系數(shù)代入跨接軟管最低點(diǎn)橫坐標(biāo)，可得xC=5.953 m；

3)將跨距、軟管最低點(diǎn)橫坐標(biāo)、無(wú)荷水平拉力系數(shù)代入方程(4)、(5)，可得跨接軟管較低連接點(diǎn)處垂直方向與軟管夾角角度θA=-58.0°，θB=64.9°；

4)將跨接軟管2端A(0,0)、B(D，h)及軟管單位質(zhì)量、跨距、無(wú)荷水平拉力系數(shù)、軟管最低點(diǎn)橫坐標(biāo)代入式(9)，可得2端連接點(diǎn)所受拉力分別為：TA=18 705.56 N，TB=23 364.87 N；任意點(diǎn)水平受力H0=9 909.71 N；

5)將上述數(shù)據(jù)代入方程(10)，可得跨接軟管連接后重心坐標(biāo)為：xw=6.99 m，yw=-0.35 m；

6)跨接軟管連接后其曲率半徑最小位置位于軟管最低點(diǎn)即xC=5.953 m處，此時(shí)曲率半徑為ρ=4.76 m。

4.2 對(duì)跨接軟管安裝施工控制的建議

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果對(duì)軟管安裝過(guò)程提出以下建議。

1)在平臺(tái)側(cè)預(yù)制跨接軟管連接彎頭時(shí)，較低連接點(diǎn)彎頭角度應(yīng)為-58.0°，較高連接點(diǎn)彎頭角度應(yīng)為64.9°。

2)在平臺(tái)側(cè)拖拉軟管末端與連接彎頭適配時(shí)，所需最大拉力為23 364.87 N，取2倍安全系數(shù)，拉力大于4.77 kN以上的絞車即可滿足需求，可選50 kN的絞車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

3)跨接軟管連接狀態(tài)下中心位置偏向較低連接點(diǎn)，因此配備索具時(shí)較低連接點(diǎn)側(cè)索具應(yīng)短于較高連接點(diǎn)，所配備索具長(zhǎng)度可通過(guò)重心位置計(jì)算獲得，保證起重機(jī)械勾頭處于重心的垂線上。

4)跨接軟管安裝操作最小曲率半徑4.76 m遠(yuǎn)大于軟管設(shè)計(jì)曲率半徑2.54 m，因此，軟管安裝作業(yè)不會(huì)對(duì)軟管自身造成損壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)使用懸鏈線方程在跨接軟管安裝施工過(guò)程中對(duì)軟管彎曲形狀、軟管受力以及軟管對(duì)接點(diǎn)位置和角度進(jìn)行分析和計(jì)算，且在計(jì)算過(guò)程中忽略跨接軟管直徑及剛度等參數(shù)，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程是可行的。

2)對(duì)于跨接軟管，只要跨距D、單位長(zhǎng)度重力q、高差h或弦傾角α和軟管長(zhǎng)度L或任意一端連接點(diǎn)拉力等4參數(shù)確定，跨接軟管的幾何形狀和受力狀態(tài)就可完全確定。

3)通過(guò)計(jì)算可求得跨接軟管安裝施工過(guò)程中對(duì)軟管彎曲形狀、軟管受力以及軟管對(duì)接點(diǎn)位置和角度等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。在LF13-2油田開發(fā)項(xiàng)目中跨接軟管安裝的實(shí)踐表明，該計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)合良好，為方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提供了可靠的依據(jù)和指導(dǎo)。

4)計(jì)算過(guò)程中忽略跨接軟管直徑及剛度等參數(shù)，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況略有偏差，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，可對(duì)安裝過(guò)程中軟管彎曲半徑和軟管2端連接點(diǎn)角度進(jìn)行適當(dāng)修正。

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

Calculation of the Jumper Hose Installation Based on Catenary Theory

BIAN Da-yong, YAN Bin, ZHENG Bing-xiang

(China Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

The jumper hose between offshore oil platforms or floating production storage and offloading units (FPSO) and single point mooring system is very expensive and easily damaged during the installation process. In order to ensure the integrity of hose and improve installation efficiency and reduce the installation cost, the catenary theory was used to analyze the installation process, and a series of equations were deduced to solve the key control parameters such as jumper hose length, angle and force on hose end, height difference between hose control points, bending radius and the center of gravity. The method was proved to be very efficient and quick during the jumper hose installation in LF13-2 oilfield development project, so it can provide theoretical basis for jumper hose installation.

jumper hose; catenary theory; installation calculation; offshore oil platforms

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.031

2016-05-17

海洋石油工程股份有限公司陸豐13-2Ⅱ期油田開發(fā)項(xiàng)目

邊大勇(1967—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師研究方向:海洋石油工程

P752

A

1671-7953(2017)01-0126-05

修回日期：2016-06-24