大口徑無配重海底管道S型鋪設(shè)分析

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(中國(guó)石油天然氣管道局海洋工程分公司，天津 300280)

大口徑無配重海底管道S型鋪設(shè)分析

朱言順,唐立志,高睿,張磊,楊仲

(中國(guó)石油天然氣管道局海洋工程分公司，天津 300280)

考慮大口徑管道的自身特性與鋪設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，采用數(shù)值模型計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析管道在張緊器夾持處承受較大徑向壓力，分析管道在懸空段承受較大彎曲應(yīng)力及不同輔助措施對(duì)彎曲應(yīng)力的影響， 認(rèn)為可通過嚴(yán)格控制管道的屈曲風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)大口徑無配重海底管道的S型方式鋪設(shè)。

大口徑；無配重；海底管道；S型鋪設(shè)

大口徑無配重海底管道廣泛的應(yīng)用在輸油管道、輸氣管道、供水管道、污水排海管道工程中。大口徑管道無配重海底管道由于壁薄、徑厚比大，在鋪設(shè)方式上有別于常規(guī)的海底管道鋪設(shè)。目前國(guó)內(nèi)通常采用浮拖法、“無張力”鋪設(shè)方法進(jìn)行鋪設(shè)[1]。浮拖法適用于近岸淺水域的施工，鋪設(shè)距離短。“無張力”鋪設(shè)方法采用小型“無張力”鋪管船施工[2]，作業(yè)效率低，鋪設(shè)水深淺，對(duì)海況適應(yīng)性差。因此，大口徑無配重海底管道(≥40 in)若能采用大型S-lay鋪管船進(jìn)行鋪設(shè)，對(duì)于提升鋪設(shè)速度、作業(yè)水深等意義重大。為此，分析大口徑無配重海底管道采用S-lay鋪設(shè)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)和鋪設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，找出管道鋪設(shè)的主要制約因素，對(duì)不同位置的局部屈曲問題采用了數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)

驗(yàn)的方法進(jìn)行分析，提出合理的控制措施。

1 關(guān)鍵參數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 鋪設(shè)張力

張力是S型管道鋪設(shè)過程中一個(gè)重要參數(shù),其作用就在于控制管道懸垂段“Sagbend”的曲率和托管架管道脫離點(diǎn)處由于懸垂段的浸沒重量及波流影響導(dǎo)致的彎矩大小[3]。而管道在水中的負(fù)浮力又對(duì)鋪設(shè)張力及下彎段的應(yīng)力起到重要的作用。采用鋪管船鋪設(shè)的管道通常在設(shè)計(jì)階段便進(jìn)行重力調(diào)節(jié)，負(fù)浮力控制在50～400 N/m[4]。40 in無配重管道在水中的浮力遠(yuǎn)大于自身的重力，需要采用內(nèi)部注水的方式提高負(fù)浮力，幾種典型管道的重力及負(fù)浮力見表1。

表1 單位長(zhǎng)度管道重力及負(fù)浮力

由表1可見，16 in的管道在鋪設(shè)時(shí)不需要內(nèi)部注水，自身的負(fù)浮力即可滿足鋪設(shè)的需求。40、32、24 in的管道需要內(nèi)部注水調(diào)整負(fù)浮力為正后才可以進(jìn)行鋪設(shè)。為了得到鋪設(shè)水深與最小鋪設(shè)張力的關(guān)系，需要對(duì)S型曲線進(jìn)行求解，常用的方法有鋼懸鏈線法、有限差分法、有限元方法、攝動(dòng)法等[5]，這里采用有限元法并用OFFPIPE軟件進(jìn)行計(jì)算。為了便于對(duì)比分析，計(jì)算時(shí)將外徑為40、32、24 in管道的參數(shù)、模型條件設(shè)為一致，即壁厚15.9 mm、防腐層厚度4.2 mm、托管架角度為0°、彎曲半徑400 m、注水液位取為海平面。計(jì)算結(jié)果判斷的準(zhǔn)則為規(guī)范《DNV 1981》中的規(guī)定：下彎段的最大應(yīng)力不超過材料屈服極限的72%[6]。計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 鋪設(shè)水深與所需最小張力

由圖1可見，相同水深下，管徑越大需要的張力越大，同時(shí)張力遞增的幅度也在增加。以40 in管道為例，在16 m水深形成一個(gè)拐點(diǎn)，小于16 m水深鋪設(shè)時(shí)，隨著水深的增加所需要的張力急劇增大，超過16 m水深時(shí)，張力增大的幅度變得稍小一些。

1.2 鋪設(shè)風(fēng)險(xiǎn)

由圖1可知，大口徑海底管道在鋪設(shè)時(shí)所需的張力非常大，如40 in的管線鋪設(shè)到18 m水深時(shí)，所需的最小張力達(dá)到了959 kN，這已經(jīng)超過了淺水鋪管船的張緊器能力。淺水鋪管船的張緊器配置一般不超過1 200 kN，如“中油海101”鋪管船張緊器最大張力為750 kN，“中油管道601”鋪管船張緊器最大張力為1 200 kN，“勝利901”鋪管船張緊器最大張力為1 000 kN等。在鋪設(shè)作業(yè)時(shí)慮到管道張力的動(dòng)態(tài)波動(dòng)，為了管線和設(shè)備的安全，張緊器在使用時(shí)會(huì)留出200～300 kN的安全裕量。即使采用配備了1 200 kN張緊器的鋪管船鋪設(shè)40 in管徑的管道，也只能鋪設(shè)到約18 m水深。如果鋪設(shè)張力不足，管道下彎段的彎曲應(yīng)力過大，超過規(guī)范《DNV-1981》中下彎段應(yīng)力不超過管道屈服極限72%的要求，增加了管道屈曲破壞的風(fēng)險(xiǎn)。管道鋪設(shè)的張力由張緊器夾持時(shí)的壓力轉(zhuǎn)化而來，在大張力時(shí)管道在張緊器處承受的徑向壓力也大。由于大口徑管道的徑厚比大，如40 in管徑的管線徑厚比達(dá)到63.9，遠(yuǎn)超過規(guī)范《DNV-OS-F101》中徑厚比不大于45的限定[7]，在承受大的徑向壓力時(shí)，管道在張緊器夾持處易產(chǎn)生局部屈曲破壞。

分析中可知，40 in及以上大口徑管道在采用S型鋪設(shè)時(shí)易產(chǎn)生屈曲破壞的部位有2個(gè)：①管道懸空段；②鋪管船張緊器夾持處。

2 張緊器處的局部屈曲分析

為了評(píng)估管道在張緊器夾持過程中的局部屈曲風(fēng)險(xiǎn)，分別采用模型計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行分析。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)選用的管道參數(shù)見表2。

2.1 張緊器壓力實(shí)驗(yàn)

張緊器夾持管道依靠上下履帶對(duì)管道的壓力，履帶與管道的接觸為4個(gè)橡膠壓塊。根據(jù)不同的管徑，壓塊在底座上的位置可以移動(dòng)，保證4個(gè)壓塊相對(duì)管道周向90°均布，使管道在夾持時(shí)獲得最好的受力狀態(tài)。

表2 管線尺寸參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用的張緊器最大張力為600 kN，上下履帶的氣囊最大可加壓到726.8 kPa(120 psi)。在管線內(nèi)部中間位置和2端選取3個(gè)橫截面，每個(gè)截面布置1組(每組8個(gè))應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。1#，3#，5#，7#應(yīng)變片布置在張緊器壓塊處，2#，4#，6#，8#應(yīng)變片布置在管道的上下左右處，布置位置見圖2。在做壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，不斷增大上下氣囊履帶壓力，測(cè)得管道的局部應(yīng)力數(shù)據(jù)，見表3。

圖2 應(yīng)變片布置示意

從表3可見，管道在4個(gè)壓塊處受壓，在上下左右處受擠，應(yīng)力的方向相反。管道的最大應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)，左右2側(cè)的應(yīng)力并不完全相同，這與管道存在一定的橢圓度有關(guān)。當(dāng)張緊器上下履帶氣囊壓力不超過0.48 MPa/0.62 MPa時(shí)，管道在周向8個(gè)位置的應(yīng)力均小于屈服極限。上下履帶氣囊壓力為0.48 MPa/0.62 MPa時(shí)，張緊器為管道提供的張力可達(dá)到1 200 kN，滿足管道鋪設(shè)的需求。

2.2 有限元模型計(jì)算

根據(jù)管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)和與張緊器的接觸形式建立計(jì)算模型，壓塊對(duì)管道的壓力根據(jù)張緊器上下履帶的氣囊壓力換算[8]。模擬的工況為上下履帶氣囊壓力為0.48 MPa/0.62 MPa，計(jì)算結(jié)果見圖3。

表3 壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) MPa

圖3 管道應(yīng)力云圖

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，管道的最大應(yīng)力為334.5 MPa，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果353.5 MPa基本吻合。通過對(duì)比分析，在張緊器上下履帶氣囊壓力為0.48 MPa/0.62 MPa時(shí)，管道是安全的。通過合理控制張緊器對(duì)管道施加的壓力，將管道的局部變形控制在彈性階段，可以消除管道在張緊器夾持過程中的局部屈曲風(fēng)險(xiǎn)[9]。

3 懸空段屈曲分析

在較深水域鋪設(shè)大口徑管道(≥40 in)時(shí)下彎段的彎曲應(yīng)力過大產(chǎn)生屈曲破壞的原因是由注水后管道負(fù)浮力過大引起的，解決的方式是采用降低管道內(nèi)注水液位的高度或在管道上綁扎浮筒的方法。

3.1 浮筒調(diào)節(jié)

采用浮筒調(diào)節(jié)下彎段負(fù)浮力的方式比較靈活，可以根據(jù)實(shí)際需要在懸空段的任意位置布置浮筒，浮筒的規(guī)格可以根據(jù)需要設(shè)定。在27 m水深時(shí)，每2根管道(24 m)綁扎一個(gè)3 t的浮筒，管道的形態(tài)與應(yīng)力見圖4。

圖4 管線形態(tài)與應(yīng)力

由圖4可見，添加浮筒后下彎段管線的形態(tài)明顯上浮變的較為平緩，管線下彎段的應(yīng)力從287.0 MPa降低到215.5 MPa，減少了71.5 MPa，而上彎段應(yīng)力和懸空段長(zhǎng)度變化不大。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)作業(yè)水深和管材的鋼級(jí)，合理選取浮筒的規(guī)格和布置數(shù)量，可以有效控制管線下彎段的應(yīng)力與形態(tài)。

3.2 注水調(diào)節(jié)

降低管道內(nèi)的注水液位會(huì)將懸空段的管道劃分為2部分，下半段負(fù)浮力為正，上半段負(fù)浮力為負(fù)。采用了OFFPIPE軟件分析了浮力對(duì)管道懸空段的應(yīng)力與形態(tài)產(chǎn)生的影響，計(jì)算條件為：水深27 m、張力900 kN、注水液位高度從海平面處逐步降低，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 注水液位與管道應(yīng)力、形態(tài)關(guān)系

將管道內(nèi)的注水液位從海平面處逐步降低到海平面以下8 m時(shí)，管道在托管架上的脫離點(diǎn)位置與著泥點(diǎn)位置未變，托管架對(duì)管道的支撐力與管道下彎段的應(yīng)力在逐步降低。當(dāng)注水液位從-8 m降低到-14 m時(shí)，托管架對(duì)管道已無支撐力，脫離點(diǎn)位置從托管架末端移動(dòng)到船艉，管道上彎段漂浮，整個(gè)懸空段長(zhǎng)度顯著加長(zhǎng)。繼續(xù)減少注水量，注水液位不在降低，管道的漂浮段長(zhǎng)度繼續(xù)加長(zhǎng)。管道內(nèi)的注水液位從海平面處降低到海平面下14 m，管道下彎段的最大應(yīng)力減少24 MPa。由此可知，確定合理的液位高度可以適度降低管道的應(yīng)力，并避免管道形成漂浮。

4 結(jié)論

1)大口徑無配重海底管道采用S-lay方式鋪設(shè)的關(guān)鍵在于對(duì)管道局部屈曲的控制，屈曲產(chǎn)生的主要位置在張緊器夾持處與管道的懸空段處，張緊器夾持處的屈曲是由張緊器對(duì)管道的徑向壓力過大引起的，懸空段處的屈曲是由內(nèi)部注水后管道在水下的負(fù)浮力過大引起的。

2)大口徑無配重海底管道在采用S-lay方式鋪設(shè)時(shí)管道的張力非常大，對(duì)張緊器的設(shè)置要特別注意，通過控制張緊器上下氣囊壓力，將管道在張緊器處的局部應(yīng)力控制在安全范圍內(nèi)。

3)在較深水域鋪設(shè)大口徑無配重海底管道，根據(jù)作業(yè)水深和管材的鋼級(jí)，在管道外部綁扎浮筒調(diào)節(jié)管道水下的負(fù)浮力，可以有效控制下彎段的應(yīng)力與形態(tài)，防止屈曲產(chǎn)生。

4)大口徑無配重海底管道鋪設(shè)時(shí)管道內(nèi)部的液位高度應(yīng)通過管道應(yīng)力計(jì)算確定，合理的液位高度可以適度降低管道應(yīng)力，并避免管道漂浮。

[1] 王銳.海洋石油管道浮式施工分析及其程序設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江大學(xué),2000.

[2] 鄧德衡.大直徑薄壁海底管道鋪設(shè)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2001.

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[8] 王勖成.有限單元法基本原理與數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

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S-Lay Analysis of the Large Diameter Non-counterweight Subsea Pipeline

ZHUYan-shun,TANGLi-zhi,GAORui,ZHANGLei,YANGZhong

(China Petroleum Pipeline Bureau Offshore Engineering Company, Tianjin 300280, China)

Considered the own characteristic and laying risk of large diameter pipeline, the numerical model calculation and field experiments were carried out to analyze the pipeline in the tensioner clamping radial under great pressure. The pipeline problem in suspend with different auxiliary measures under bending stress and the influence on the bending stress was also studied. Through strict controlling the pipeline risk of buckling, it can achieve S mode of laying for the large diameter pipeline without counterweight.

Large Diameter; Non-counterweight; Subsea Pipeline; S-Lay

P756.2

A

1671-7953(2017)05-0119-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.031

2016-10-13

修回日期：2016-10-29

朱言順(1987—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋管道工程及鋪管船設(shè)計(jì)