深水臍帶纜浮力塊配置優(yōu)化設(shè)計(jì)

，，， ，

(1.中國船級社，北京100007；2.海洋水下設(shè)備試驗(yàn)與檢測技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100007；3.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京102617；4.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617；5.海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津300451)

臍帶纜是水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于連接水上系統(tǒng)和水下系統(tǒng)。為水下生產(chǎn)系統(tǒng)輸送電力和液壓動(dòng)力、提供化學(xué)藥劑注入通道以及傳輸控制信號和反饋水下生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)[1]。臍帶纜在國外海洋工程應(yīng)用已經(jīng)有50 a歷史，應(yīng)用范圍從淺水已經(jīng)發(fā)展到超深水領(lǐng)域。我國在臍帶纜的設(shè)計(jì)制造方面與國外先進(jìn)技術(shù)還存在較大差距，開展臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究對我國深水油氣田開發(fā)具有重要意義[2]。線型設(shè)計(jì)是臍帶纜整體分析的關(guān)鍵問題，典型線型有懸鏈線型、緩波型、陡波型、緩S型、陡S型[3]。懸鏈線型布局簡單，施工方便，是一種經(jīng)濟(jì)的方式。隨著水深的增加，懸鏈線型懸掛點(diǎn)的張力增加，通過在臍帶纜局部安裝浮力裝置，可以減小頂端張力以及減小浮體運(yùn)動(dòng)及環(huán)境載荷對觸地區(qū)附近結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[4]。由于臍帶纜和鋼懸鏈線立管在深水中的形態(tài)相似，臍帶纜的線型計(jì)算分析可以借鑒鋼懸鏈線立管[5-7]。本文以緩波型為例，采用有限元法對比分析懸鏈線型與緩波型的頂部張力和曲率，以單位長度浮力、浮力塊位置、浮力塊長度為因子，研究深水臍帶纜浮力塊配置方案。

1 深水緩波型臍帶纜有限元分析

1.1 深水緩波型臍帶纜有限元模型

本文采用有限元軟件ABAQUS建立深水臍帶纜的二維有限元模型，臍帶纜采用梁單元B21來模擬，假設(shè)海床為剛性面，定義為解析剛體。臍帶纜初始狀態(tài)平鋪在海床之上，定義臍帶纜與海床為有限滑動(dòng)接觸，忽略二者之間的摩擦力。臍帶纜一端固定，另一端施加水平位移和垂直位移邊界條件，將臍帶纜提升至在位狀態(tài)(水深1 000 m)，滿足初始頂端懸掛角20°，此刻臍帶纜呈現(xiàn)懸鏈線形態(tài)。為保證計(jì)算的收斂性，整個(gè)提升過程共分為5步。最后施加浮力塊提供的浮力。

臍帶纜是由多個(gè)功能構(gòu)件螺旋纏繞中心鋼管形成，其橫截面如圖1所示[8]，在計(jì)算過程中需要進(jìn)行剛度的等效。本文采用文獻(xiàn)[9]的臍帶纜參數(shù)，濕重22 kg·m-1，彎曲剛度14.4 kN·m2，軸向剛度509 MN。浮力塊單位長度提供的浮力為臍帶纜單位長度濕重的2倍，長度為250 m，距頂端距離為700 m。

圖1 臍帶纜橫截面

1.2 深水緩波型臍帶纜有限元結(jié)果分析

圖2～3分別為2種不同線型(懸鏈線型和緩波型)的曲率和張力對比圖，臍帶纜長度0點(diǎn)為懸掛點(diǎn)。從圖2可以看出，懸鏈線型臍帶纜曲率最大的地方發(fā)生在觸地點(diǎn)附近，緩波型臍帶纜出現(xiàn)相對兩個(gè)曲率較大的地方，最大值出現(xiàn)在觸地點(diǎn)附近，另一峰值則出現(xiàn)在浮力塊的上端，并且緩波型臍帶纜的曲率整體大于懸鏈線型臍帶纜的曲率。從圖3可以看出，懸鏈線型臍帶纜的張力隨著長度的增加逐漸減小，緩波型臍帶纜的張力從懸掛點(diǎn)開始逐漸減小，當(dāng)經(jīng)過浮力塊時(shí)導(dǎo)致張力局部增加，但比懸掛點(diǎn)處張力小。并且發(fā)現(xiàn)增加浮力塊可以明顯減小臍帶纜的整體張力水平。

圖2 懸鏈線型與緩波型曲率對比

圖3 懸鏈線型與緩波型張力對比

2 深水緩波型臍帶纜浮力塊配置方案設(shè)計(jì)

2.1 深水緩波型臍帶纜浮力塊配置參數(shù)設(shè)置

本文以浮力塊單位長度提供的浮力(因子A，單位為臍帶纜單位長度濕重的倍數(shù))、浮力塊長度(因子B，單位為m)、浮力塊距頂端距離(因子C，單位為m)為基本參數(shù)，設(shè)計(jì)不同的深水緩波型臍帶纜浮力塊配置方案。3種因子各對應(yīng)4個(gè)水平，因子與水平分布如表1所示。

表1 因子與水平

對于表1列出的3因子4水平數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行計(jì)算的次數(shù)43=64，計(jì)算量相對較大，可通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)減小計(jì)算次數(shù)，只需要計(jì)算16組，正交試驗(yàn)表見表2[10]。對表2中的每組數(shù)據(jù)建立有限元模型，進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 深水緩波型臍帶纜浮力塊配置結(jié)果分析

將表2列出的每個(gè)試驗(yàn)方案對應(yīng)的最大張力和最大曲率列于表3中，并繪制如圖4所示的曲線。

表3 浮力塊配置結(jié)果分析

表3(續(xù))

圖4 不同試驗(yàn)方案對應(yīng)的臍帶纜最大張力和最大曲率

從表3和圖4可以看出，12號方案對應(yīng)的臍帶纜張力最小，16號方案對應(yīng)的臍帶纜曲率最大。從圖4可以看出，當(dāng)臍帶纜張力較大時(shí)，其曲率相對較小；而張力較小時(shí)，曲率較大。因此，在進(jìn)行深水臍帶纜線型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮到張力和曲率的變化，選擇最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

1) 建立了懸鏈線型與緩波型臍帶纜的有限元模型，主要研究線型變化對臍帶纜受力的影響。

2) 懸鏈線型臍帶纜曲率最大出現(xiàn)在觸底點(diǎn)附近，緩波型臍帶纜曲率有2個(gè)峰值，分別是觸地點(diǎn)附近和浮力塊上端，且均大于懸鏈線型臍帶纜曲率。緩波型臍帶纜整體張力水平均小于懸鏈線型臍帶纜，但浮力塊會(huì)增大臍帶纜的局部張力。

3) 以單位長度浮力、浮力塊位置、浮力塊長度為因子，通過正交試驗(yàn)對配置方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，求得了深水臍帶纜不同最大張力和最大曲率的浮力塊配置方案，為深水臍帶纜浮力塊配置設(shè)計(jì)提供參考。

4) 在浮力塊配置設(shè)計(jì)時(shí)，除綜合考慮不同配置方案對臍帶纜張力和曲率的影響外，還要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

[1] 易吉梅.臍帶纜在海洋深水石油平臺的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析[J].中國修船，2014，27(4)：55-57.

[2] 郭宏，屈衍，李博，等.國內(nèi)外臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國的應(yīng)用展望[J].中國海上油氣，2012，24(1)：74-78.

[3] 朱艷杰，夏峰，朱克強(qiáng)，等.三種典型動(dòng)態(tài)臍帶纜線型仿真研究[J].電線電纜，2017(1)：13-18.

[4] 宋磊建，付世曉，陳希恰，等.深海臍帶纜總體響應(yīng)特性比較研究[J].振動(dòng)與沖擊，2014，33(1)：119-124.

[5] Duan M，Chen J，Tian K，et al.A mechanical model for deepwater steel catenary riser transfer process during installation[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part M Journal of Engineering for the Maritime Environment，2013，227(1)：3-11.

[6] 陳景皓，侯廣成，田凱，等.深水立管柔性接頭疲勞特性研究[J].石油機(jī)械，2016，44(6)：67-70.

[7] Wang J，Duan M，He T，et al.Numerical solutions for nonlinear large deformation behaviour of deepwater steel lazy-wave riser[J].Ships & Offshore Structures，2014，9(6)：655-668.

[8] 張大朋，朱克強(qiáng)，牛天鑫，等.不同浪向下臍帶纜與主平臺回接過程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[J].海洋學(xué)研究，2016，34(1)：67-75.

[9] 楊然哲，朱克強(qiáng)，荊彪，等.靜態(tài)臍帶纜安裝工況參數(shù)分析[J].水道港口，2016，37(1)：96-103.

[10] 劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(9)：52-55.