大口徑無配重海底管道S型鋪設(shè)分析

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(中國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，采用數(shù)值模型計算與現(xiàn)場實驗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彎曲應(yīng)力的影響， 認為可通過嚴格控制管道的屈曲風(fēng)險實現(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)。目前國內(nèi)通常采用浮拖法、“無張力”鋪設(shè)方法進行鋪設(shè)[1]。浮拖法適用于近岸淺水域的施工，鋪設(shè)距離短?！盁o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鋪管船進行鋪設(shè)，對于提升鋪設(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)時的關(guān)鍵參數(shù)和鋪設(shè)風(fēng)險，找出管道鋪設(shè)的主要制約因素，對不同位置的局部屈曲問題采用了數(shù)值分析和現(xiàn)場實

驗的方法進行分析，提出合理的控制措施。

1 關(guān)鍵參數(shù)和風(fēng)險分析

1.1 鋪設(shè)張力

張力是S型管道鋪設(shè)過程中一個重要參數(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]。而管道在水中的負浮力又對鋪設(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)計階段便進行重力調(diào)節(jié)，負浮力控制在50～400 N/m[4]。40 in無配重管道在水中的浮力遠大于自身的重力，需要采用內(nèi)部注水的方式提高負浮力，幾種典型管道的重力及負浮力見表1。

表1 單位長度管道重力及負浮力

由表1可見，16 in的管道在鋪設(shè)時不需要內(nèi)部注水，自身的負浮力即可滿足鋪設(shè)的需求。40、32、24 in的管道需要內(nèi)部注水調(diào)整負浮力為正后才可以進行鋪設(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S型曲線進行求解，常用的方法有鋼懸鏈線法、有限差分法、有限元方法、攝動法等[5]，這里采用有限元法并用OFFPIPE軟件進行計算。為了便于對比分析，計算時將外徑為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水深形成一個拐點，小于16 m水深鋪設(shè)時，隨著水深的增加所需要的張力急劇增大，超過16 m水深時，張力增大的幅度變得稍小一些。

1.2 鋪設(shè)風(fēng)險

由圖1可知，大口徑海底管道在鋪設(shè)時所需的張力非常大，如40 in的管線鋪設(shè)到18 m水深時，所需的最小張力達到了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)時慮到管道張力的動態(tài)波動，為了管線和設(shè)備的安全，張緊器在使用時會留出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。管道鋪設(shè)的張力由張緊器夾持時的壓力轉(zhuǎn)化而來，在大張力時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到63.9，遠超過規(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，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)時易產(chǎn)生屈曲破壞的部位有2個：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

為了評估管道在張緊器夾持過程中的局部屈曲風(fēng)險，分別采用模型計算與現(xiàn)場實驗的方式進行分析。計算和實驗選用的管道參數(shù)見表2。

2.1 張緊器壓力實驗

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

表2 管線尺寸參數(shù)

實驗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個橫截面，每個截面布置1組(每組8個)應(yīng)變片進行應(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。在做壓力實驗時，不斷增大上下氣囊履帶壓力，測得管道的局部應(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，管道在周向8個位置的應(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，張緊器為管道提供的張力可達到1 200 kN，滿足管道鋪設(shè)的需求。

2.2 有限元模型計算

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算模型，壓塊對管道的壓力根據(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，計算結(jié)果見圖3。

表3 壓力實驗數(shù)據(jù) MPa

圖3 管道應(yīng)力云圖

從計算結(jié)果中可以看出，管道的最大應(yīng)力為334.5 MPa，與現(xiàn)場實驗的結(jié)果353.5 MPa基本吻合。通過對比分析，在張緊器上下履帶氣囊壓力為0.48 MPa/0.62 MPa時，管道是安全的。通過合理控制張緊器對管道施加的壓力，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[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)下彎段負浮力的方式比較靈活，可以根據(jù)實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，每2根管道(24 m)綁扎一個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)力和懸空段長度變化不大。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)作業(yè)水深和管材的鋼級，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)的注水液位會將懸空段的管道劃分為2部分，下半段負浮力為正，上半段負浮力為負。采用了OFFPIPE軟件分析了浮力對管道懸空段的應(yīng)力與形態(tài)產(chǎn)生的影響，計算條件為：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，管道在托管架上的脫離點位置與著泥點位置未變，托管架對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，托管架對管道已無支撐力，脫離點位置從托管架末端移動到船艉，管道上彎段漂浮，整個懸空段長度顯著加長。繼續(xù)減少注水量，注水液位不在降低，管道的漂浮段長度繼續(xù)加長。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)時管道的張力非常大，對張緊器的設(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，在管道外部綁扎浮筒調(diào)節(jié)管道水下的負浮力，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)時管道內(nèi)部的液位高度應(yīng)通過管道應(yīng)力計算確定，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[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.

[3] 陳凱.深水海底管線S型鋪設(shè)分析方法與力學(xué)特性研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué),2011.

[4] 楊明華.海洋油氣管道工程[M].天津:天津大學(xué)出版社,1994.

[5] 吳瑞麒.S型鋪管的常用數(shù)值求解法的探討[J].科技信息,2014(7):96-138.

[6] Det Norske Veritas.DNV 1981, Rules For Submarine Pipelines Systems[S]. Norway: Det Norske Veritas,1981.

[7] Det Norske Veritas. DNV OS F101, Submarine Pipelines System[S]. Norway: Det Norske Veritas,2010.

[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.

[9] 王猛.有限元在海底管道設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].天津:天津大學(xué),2004,4(1):32-45.

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