深水柔性管道鋪設(shè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真

陳金龍+閻軍+盧青針+楊志勛+岳前進(jìn)

摘要：針對(duì)深水柔性管道鋪設(shè)的一般過(guò)程，將鋪設(shè)過(guò)程離散成若干典型工況，并通過(guò)非線(xiàn)性時(shí)域有限元法實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真分析。闡述仿真所涉及的基本方程、模型與基本單元、載荷工況與動(dòng)態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)的具體處理技術(shù)。以水深1000 m柔性管道的鋪設(shè)為例，著重展示動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)在鋪設(shè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。分析實(shí)例表明：通過(guò)非線(xiàn)性時(shí)域動(dòng)態(tài)分析技術(shù)對(duì)深水柔性管道的鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行仿真是可行的，可以有效地為鋪設(shè)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：柔性管道；深水鋪設(shè)；鋪設(shè)設(shè)計(jì)；附屬構(gòu)件；數(shù)值仿真；非線(xiàn)性時(shí)域分析；極值分析；載荷工況

中圖分類(lèi)號(hào)：TE53；TB115.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

海洋柔性管道的鋪設(shè)有其特有的鋪設(shè)裝備和工藝流程，依據(jù)入水方式的不同，又分為水平式鋪設(shè)與豎直式鋪設(shè)2種形式。國(guó)內(nèi)對(duì)柔性管道鋪設(shè)的研究正處于起步階段，在鋪設(shè)裝備、工藝流程等方面也有一定的研究，并且在一些淺水油氣田有過(guò)成功鋪設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)深水（水深大于500 m）柔性管道鋪設(shè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)都比較缺乏。

深水柔性管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一是對(duì)鋪設(shè)過(guò)程的仿真分析，即模擬管道鋪設(shè)過(guò)程，分析其載荷與響應(yīng)，需要應(yīng)用柔性管道整體分析技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)柔性立管在位線(xiàn)形的整體分析技術(shù)已有較多研究，而對(duì)于柔性管道鋪設(shè)過(guò)程的仿真分析技術(shù)卻少有研究。一直以來(lái)，柔性管道鋪設(shè)是基于靜態(tài)分析技術(shù)獲取管道的內(nèi)力與變形，并將結(jié)果乘以動(dòng)力放大倍數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。在柔性管道鋪設(shè)深度不斷加深、口徑不斷增大的背景下，鋪設(shè)設(shè)計(jì)中的各類(lèi)非線(xiàn)性因素的影響也越來(lái)越明顯，靜態(tài)分析技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足深水/超深水鋪設(shè)的設(shè)計(jì)需求。隨著計(jì)算力學(xué)分析技術(shù)的提高，基于動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)柔性管道的鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)已具備可行性，但是面臨著如下難題：（1）柔性管道鋪設(shè)的動(dòng)態(tài)分析需要處理線(xiàn)形的大位移、大轉(zhuǎn)角、接觸等諸多非線(xiàn)性因素，需要使用非線(xiàn)性時(shí)域分析方法；（2）波浪具有隨機(jī)特性，對(duì)每個(gè)工況的模擬時(shí)長(zhǎng)應(yīng)達(dá)到3 h以上；（3）要充分考慮管內(nèi)流體、波浪、流、鋪管船運(yùn)動(dòng)等諸多載荷要素，以形成合理的載荷工況矩陣；（4）需要將連續(xù)的鋪設(shè)過(guò)程離散成若干工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真；（5）柔性管道鋪設(shè)的各過(guò)程還涉及到其特有的附屬構(gòu)件，如限彎器、纜索、浮力附件等。綜上，對(duì)柔性管道的鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真相對(duì)復(fù)雜，且工況繁多。

為具體討論柔性管道鋪設(shè)過(guò)程的仿真分析技術(shù)，本文以應(yīng)用于1000 m水深，內(nèi)徑為8英寸（203.2 mm）的典型海洋柔性管道的鋪設(shè)為例，對(duì)鋪設(shè)的3個(gè)基本過(guò)程，即起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)和終止鋪設(shè)過(guò)程，借助海洋管纜專(zhuān)業(yè)分析軟件Orcaflex進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，探索動(dòng)態(tài)分析技術(shù)在柔性管道鋪設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用，并針對(duì)分析中的難點(diǎn)展開(kāi)討論。

1柔性管道的鋪設(shè)過(guò)程

深水柔性管道一般采用豎直鋪設(shè)方式，見(jiàn)圖1。

柔性管道鋪設(shè)一般至少包含起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)和終止鋪設(shè)3個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖2，具體描述如下。

（1）起始鋪設(shè)過(guò)程。包含鋪設(shè)準(zhǔn)備、入水下放、端部連接固定、移船形成自然懸鏈線(xiàn)的過(guò)程，見(jiàn)圖2a）。

（2）正常鋪設(shè)過(guò)程。鋪管船以預(yù)定的鋪設(shè)速度進(jìn)行，同時(shí)卷盤(pán)與張緊器協(xié)調(diào)放管，可使管道線(xiàn)形保持為預(yù)定的懸鏈線(xiàn)狀態(tài)，見(jiàn)圖2b）。

（3）終止鋪設(shè)過(guò)程。將柔性管道的另一端完全下放到海床，以備進(jìn)行后續(xù)的連接安裝，見(jiàn)圖2c）。

不難看出，柔性管道在鋪設(shè)過(guò)程中鋪設(shè)線(xiàn)形與管道所受載荷是不斷變化的，因此各階段的控制失效模式也有所不同。通過(guò)仿真分析獲得上述各過(guò)程中管道的受力與變形信息是鋪設(shè)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文將基于上述3個(gè)基本過(guò)程，介紹動(dòng)態(tài)仿真分析技術(shù)及其應(yīng)用。

2動(dòng)態(tài)仿真基本理論

對(duì)深水柔性管道動(dòng)態(tài)仿真所涉及的基本理論進(jìn)行介紹，包含基本方程單元、模型與單元、載荷與極值響應(yīng)統(tǒng)計(jì)。

2.1基本方程

對(duì)鋪設(shè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，應(yīng)首先進(jìn)行靜態(tài)分析，獲取柔性管道鋪設(shè)的平衡狀態(tài)，然后使用動(dòng)態(tài)仿真分析動(dòng)態(tài)載荷，含波浪、鋪管船運(yùn)動(dòng)作用下的管道響應(yīng)。

使用數(shù)值方法對(duì)管道鋪設(shè)進(jìn)行分析，一般基于靜力平衡方程求解單元的內(nèi)外與變形，即

2.2模型與基本單元

首先需要建立模擬鋪設(shè)過(guò)程的力學(xué)模型?；谑剑?）和（2）進(jìn)行數(shù)值分析。建模至少涉及以下5種基本單元。

（1）鋪管船。一般處理為空間的剛體運(yùn)動(dòng)，作為管道上端的運(yùn)動(dòng)邊界，包含6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，能夠反映船體在波浪作用下的波頻與低頻運(yùn)動(dòng)，可以借助浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬。

（2）柔性管道。模擬管道的力學(xué)行為，需包含質(zhì)量、拉伸剛度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、結(jié)構(gòu)阻尼等參數(shù)。一般采用集中質(zhì)量單元或大變形梁?jiǎn)卧鏞rcaflex中的線(xiàn)單元，見(jiàn)圖3。

（3）管道接頭。需包含質(zhì)量、剛度、體積信息，也可以簡(jiǎn)化處理為集中質(zhì)量賦予管道末端。

（4）限彎器。其原理為當(dāng)管道產(chǎn)生的曲率半徑達(dá)到某個(gè)設(shè)計(jì)值R時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械互鎖阻止進(jìn)一步彎曲。因此，數(shù)值軟件中的單元需要模擬互鎖前后的彎曲剛度，見(jiàn)圖4。

2.3載荷與極值響應(yīng)統(tǒng)計(jì)

在柔性管道的整體分析中，將管道及其附屬構(gòu)件自身的重力、浮力、內(nèi)外壓等載荷稱(chēng)為功能載荷，將波浪載荷、流載荷以及浮體運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為環(huán)境載荷。波浪載荷與流載荷都可以通過(guò)Morison公式計(jì)算。

現(xiàn)行的海洋管纜分析軟件，如Orcaflex，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道連續(xù)鋪設(shè)動(dòng)作的仿真，如模擬同步的行船與管道下放。然而，設(shè)計(jì)過(guò)程中的鋪設(shè)載荷是不確定的，所以對(duì)連續(xù)的鋪設(shè)動(dòng)作進(jìn)行仿真分析對(duì)鋪設(shè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義不大。因此，需要將連續(xù)過(guò)程離散成若干瞬間狀態(tài)，然后考慮各載荷工況進(jìn)行全面的分析。鋪設(shè)載荷的不確定性主要體現(xiàn)在如下2個(gè)方面：

（1）載荷工況的不確定性。由于實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中的環(huán)境載荷是無(wú)法預(yù)知的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮各種可能的載荷要素，如波高、周期、波向、流向等，形成包絡(luò)性的載荷工況矩陣。endprint

（2）波浪載荷的不確定性。由于波浪是隨機(jī)的，一般使用波浪譜對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行分析，如PM和Johnswap譜等，分別適用于不同的海域或條件。使用波浪譜進(jìn)行柔性管道的非線(xiàn)性時(shí)域分析，需要模擬足夠的時(shí)長(zhǎng)（3～6 h）以減少不確定性。同時(shí)，極值響應(yīng)也需依據(jù)響應(yīng)時(shí)程借助統(tǒng)計(jì)方法來(lái)獲取。例如，基于Rayleigh分布法，持續(xù)時(shí)間T內(nèi)可能出現(xiàn)的最大值為

3動(dòng)態(tài)仿真實(shí)例

本文選用1000 m水深，8英寸（203.2 mm）柔性管道，以3個(gè)基本過(guò)程進(jìn)行鋪設(shè)，并基于動(dòng)態(tài)仿真分析技術(shù)對(duì)柔性管道入水后的形態(tài)與內(nèi)力進(jìn)行分析，為鋪設(shè)設(shè)計(jì)提供參考。

3.1仿真模型

本文建模所使用的主要管道參數(shù)來(lái)源于國(guó)家“八六三”計(jì)劃“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目中設(shè)計(jì)并試制的樣管，模型的關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1，鋪管船的幅頻響應(yīng)算子參數(shù)略。

采用第2.2節(jié)所描述的單元進(jìn)行建模。假設(shè)海床平坦，與柔性管道彈性接觸；管道上端與鋪管船鉸接于月池處。最終，在Orcaflex中獲得的三維模型見(jiàn)圖6。

3.2分析工況

若考慮完備的環(huán)境載荷工況，再結(jié)合參數(shù)靈敏度分析完成對(duì)鋪設(shè)過(guò)程的線(xiàn)形設(shè)計(jì)，需要分析的工況數(shù)往往是成千上萬(wàn)的。為減少分析工作量，僅采用一種環(huán)境載荷的組合工況：鋪管船迎浪角為0，波浪譜為Johnswap譜，有義波高H_s=2.5 m，譜峰周期T_p=7 s，表面流速為1.0 m/s，波流同向。

通過(guò)一定的預(yù)試算，將第2節(jié)所述的3個(gè)鋪設(shè)過(guò)程離散成19個(gè)工況，見(jiàn)表2。

3.3分析結(jié)果與討論

基于已建立的數(shù)值仿真模型，對(duì)上述工況分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，然后提取設(shè)計(jì)關(guān)心的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行鋪設(shè)設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)。依據(jù)API 17B規(guī)范可知，表1中的管道在鋪設(shè)中受到的最大張力不應(yīng)超過(guò)1500 kN，最小張力應(yīng)大于0，最小彎曲半徑應(yīng)大于3.15 m。

3.3.1起始鋪設(shè)過(guò)程

對(duì)表2所示起始鋪設(shè)過(guò)程的10個(gè)工況分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。每個(gè)工況中隨機(jī)選取一個(gè)線(xiàn)形，結(jié)果見(jiàn)圖7，其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示在該處置處管道下放的最小和最大量。使用非線(xiàn)性時(shí)域動(dòng)態(tài)分析方法可以獲得鋪設(shè)過(guò)程中管道各類(lèi)響應(yīng)的變化情況。其中，頂張力的時(shí)程變化，可以作為在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中使用張緊器監(jiān)控鋪設(shè)張力的重要參考。起始鋪設(shè)過(guò)程中包含有最大頂張力的一段時(shí)程曲線(xiàn)示例見(jiàn)圖8。

基于上述響應(yīng)時(shí)程，采用式（3）統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)極值結(jié)果，用于評(píng)估管道是否會(huì)發(fā)生失效。初始下放過(guò)程中的10個(gè)工況的關(guān)鍵極值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，在設(shè)計(jì)的移船距離和管道下放長(zhǎng)度情況下，該管道均滿(mǎn)足張力與彎曲半徑準(zhǔn)則。此外，在柔性管道下端部與海底錨固裝置連接后，船體運(yùn)動(dòng)容易對(duì)管道造成較大拉力，可能導(dǎo)致管道受拉破壞或造成錨固失效（這里假設(shè)管道對(duì)海底錨固裝置的作用力須小于100 kN）。

3.3.2正常鋪設(shè)過(guò)程

在正常鋪設(shè)過(guò)程中，一般通過(guò)張緊器控制鋪設(shè)張力實(shí)現(xiàn)對(duì)管道鋪設(shè)線(xiàn)形的控制，能夠有效避免管道出現(xiàn)拉伸破壞、過(guò)度彎曲和屈曲失效。此外，對(duì)管道入水角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制也可以達(dá)到同樣目的。

依據(jù)懸鏈線(xiàn)的特性，最大和最小張力工況分別對(duì)應(yīng)最大鋪設(shè)距離和最小鋪設(shè)距離（船到管道觸底點(diǎn)的水平距離），這2種工況通常與發(fā)生不同失效的臨界工況對(duì)應(yīng)。在最大鋪設(shè)張力和最小鋪設(shè)張力之間，選擇一個(gè)設(shè)計(jì)鋪設(shè)張力，作為鋪設(shè)過(guò)程中的設(shè)計(jì)值，見(jiàn)圖9。動(dòng)態(tài)分析的關(guān)鍵結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

在最小鋪設(shè)張力工況時(shí)，管道觸底點(diǎn)處最小張力、最小彎曲半徑接近許用極限。該鋪設(shè)實(shí)例中的管道承拉能力有較大余量，故不必以管道的最大臨界鋪設(shè)張力作為最大張力工況。管道的鋪設(shè)張力越小，鋪設(shè)成本越低。

3.3.3終止鋪設(shè)過(guò)程

到達(dá)預(yù)定位置后，管道終止鋪設(shè)?？墒构艿老路帕颗c移船量保持相同，以保持同樣的鋪設(shè)線(xiàn)形進(jìn)行，直至管道末端接頭全部下放完成。終止鋪設(shè)過(guò)程，見(jiàn)圖10。

終止過(guò)程需要注意的是觸底區(qū)域的過(guò)度彎曲問(wèn)題，尤其是當(dāng)管道末端接近觸底時(shí)，由于管道接頭的剛度遠(yuǎn)大于柔性管道本身，容易在與海床的接觸過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)度彎曲或屈曲失效。因此該過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注觸底點(diǎn)處的彎曲半徑與最小張力，關(guān)鍵的分析結(jié)果見(jiàn)表5。

在波浪共線(xiàn)、海床平坦的假設(shè)下，管道沒(méi)有受到扭轉(zhuǎn)作用，因此，表3～5中給出的管道響應(yīng)信息以張力和彎曲半徑為主。

表3～5是基于動(dòng)態(tài)仿真獲得的極值響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以直接與管道的許用載荷或變形進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，在本文分析的19個(gè)工況下，管道按照給定方式鋪設(shè)不會(huì)發(fā)生失效。若想全面驗(yàn)證鋪設(shè)設(shè)計(jì)的安全性，則需設(shè)計(jì)完備的載荷工況矩陣，進(jìn)行大規(guī)模的動(dòng)態(tài)分析，出于節(jié)約篇幅考慮，本文不一一列舉。

4結(jié)論

深水柔性管道鋪設(shè)過(guò)程的仿真分析采用柔性管道的整體分析技術(shù)，包含靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析。由于載荷與結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性，基于靜態(tài)分析的傳統(tǒng)鋪設(shè)設(shè)計(jì)方法，正逐步被非線(xiàn)性時(shí)域動(dòng)態(tài)分析技術(shù)所取代。動(dòng)態(tài)仿真分析是實(shí)現(xiàn)管道鋪設(shè)先進(jìn)性設(shè)計(jì)所必需的技術(shù)。

本文研究表明，使用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)柔性管道鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行模擬分析具備可行性。鋪設(shè)過(guò)程中的裝備可以采用不同的力學(xué)模型（單元）進(jìn)行模擬，能夠獲得管道在波浪、流、鋪管船運(yùn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)載荷下的時(shí)程響應(yīng)與極值響應(yīng)，可應(yīng)用于鋪設(shè)設(shè)計(jì)。

使用動(dòng)態(tài)分析技術(shù)，由于載荷的不確定性，需要將連續(xù)的鋪設(shè)過(guò)程離散成若干工況，再與各可能出現(xiàn)的載荷工況組合，例如考慮波流共線(xiàn)、波流成夾角、不同載荷方向等，這樣形成的工況數(shù)量將數(shù)十倍乃至上百倍于本文所分析的工況數(shù)量。大量的分析工況與長(zhǎng)時(shí)間的非線(xiàn)性時(shí)域模擬是一般的工程設(shè)計(jì)難以承受的。因此，在未來(lái)的研究中需要采用一些合理措施來(lái)大幅縮減工況和計(jì)算時(shí)間，比如發(fā)展快速篩選關(guān)鍵工況的技術(shù)手段或計(jì)算機(jī)程序，才能推動(dòng)動(dòng)態(tài)仿真分析技術(shù)最終在工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。endprint