深水J型鋪管管線動力響應(yīng)分析

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(1.上海交通大學(xué) a.海洋工程國家重點實驗室, b.船舶海洋與建筑工程學(xué)院，c.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240;2.上海交通大學(xué) 水下工程科學(xué)研究院有限公司， 上海 200231)

0 引 言

圖1 J型鋪管法示意圖

隨著陸地油氣資源的日益減少，油氣資源的開采向海洋進軍已成為必然趨勢。海上油氣的運輸越來越顯現(xiàn)出極大的重要性，海底管線運輸作為海上油氣運輸較經(jīng)濟的方式，在海洋油氣資源開采中的作用日益突顯[1-2]。

目前，用于海底管線鋪設(shè)的方式主要有S型、J型和卷筒式鋪管法。卷筒式鋪管法主要適用于小直徑管線的鋪設(shè)。S型和J型鋪管法因鋪設(shè)過程中管線的形狀而得名：S型鋪管法中管線沿著托管架離開鋪管船，管線在托管架支撐作用下自然地彎成S型曲線，主要適用于淺水和中等水域；J型鋪管法中管線以近乎垂直的角度從船上的鋪設(shè)塔進入海里，其整體的形狀呈J型，如圖1所示。隨著水深的增加，J型鋪管法的應(yīng)用優(yōu)勢凸顯，被認為是最適合深水和超深水海底管道的鋪設(shè)方式。

國內(nèi)外很多學(xué)者對J型鋪管法管線力學(xué)特性進行了相關(guān)研究。LENCI等[3]基于懸鏈線方程建立不同的分析模型，研究J型鋪管法管線力學(xué)問題。王立忠等[4]在LENCI的基礎(chǔ)上將管線視為柔性管，分析了不同參數(shù)對管線靜力學(xué)性能的影響。SZCZOTKA[5]提出運用剛性有限元模型分析J型鋪管過程中的管線力學(xué)問題，研究觸底點到船舶不同的水平距離和管線頂部運動對豎直和水平張力的影響?？登f等[6]將懸鏈線理論與大撓度梁理論有機結(jié)合起來，利用奇異攝動法進行管線的靜態(tài)分析。陳景浩等[7]運用有限元方法對管線靜態(tài)力學(xué)性能進行計算，討論不同鋪設(shè)參數(shù)對其的影響。SENTHIL等[8]利用OrcaFlex軟件建立船管模型，對管線進行動態(tài)分析。焦曉楠等[9]利用ABAQUS軟件研究J型鋪設(shè)升沉運動下不同參數(shù)對管道頂部和觸底點應(yīng)力的影響。目前，J型鋪管法管線力學(xué)特性的研究大多只考慮管線自身的靜動力分析，考慮船的運動和海洋環(huán)境載荷對管線力學(xué)特性影響的研究還相對較少。在實際鋪管過程中，管線將不可避免地受到波浪、海流等環(huán)境載荷的影響。而波浪、海流對管線的作用力會影響管線的形態(tài)和內(nèi)力分布。同時，鋪管船會受到風、浪、流等載荷作用而產(chǎn)生反復(fù)運動，也會對管線形態(tài)和內(nèi)力分布產(chǎn)生較大影響。

本文充分考慮波浪、海流及鋪管船運動的共同作用，采用ANSYS AQWA軟件分析某J型起重鋪管船在波浪中的運動，建立更加真實全面的有限元模型，研究深水J型鋪管過程中管線的力學(xué)特性，為實際的海底管線鋪設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 鋪管船運動理論

在J型鋪管過程中，由于風、浪、流環(huán)境載荷的共同作用，鋪管船會產(chǎn)生多自由度的低頻反復(fù)性運動和偏移，進而對管線造成較大影響。假設(shè)船體是一個線性變化系統(tǒng)，即在單一頻率規(guī)則波的作用下，一階波浪力幅值與入射波幅值成正比。因此，一階波浪力常以頻率響應(yīng)函數(shù)的形式給出，頻率響應(yīng)函數(shù)表示單位波浪作用下系統(tǒng)的響應(yīng)，既包含幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator, RAO)，也包含相位響應(yīng)算子。鋪管船的運動通常由6個自由度的RAOs確定，分別為沿著坐標軸方向運動的縱蕩、橫蕩和垂蕩，繞著坐標軸轉(zhuǎn)動的縱搖、橫搖和艏搖。

1.2 管道結(jié)構(gòu)計算理論

采用集中質(zhì)量法建立管線的有限元模型，將管線離散成無數(shù)的有限單元，每個單元由2個節(jié)點和1段無質(zhì)量的彈簧單元組成，如圖2所示。管道的彎曲、軸向和扭轉(zhuǎn)特性由彈簧單元及相應(yīng)的阻尼器模擬，而其他的特性(管線的質(zhì)量、受到的力和力矩等)都作用于節(jié)點上。

圖2 管線有限元模型示意圖

1.3 水動力載荷

水中鋪設(shè)的管道屬于細長柱體構(gòu)件，由于流體存在黏性，流場情況較為復(fù)雜，很難得到實用的水動力載荷理論結(jié)果。目前普遍采取的方法是忽略管道對水質(zhì)點速度和加速度的影響，采用修正的Morison方程計算水動力載荷：

(1)

圖3 OrcaFlex有限元模型

式中：uw為波浪的速度矢量；uc為海流的速度矢量；Cd為拖曳力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；ρ為海水密度。

2 對比驗證

圖4 管線動力分析張力情況對比

圖5 管線動力分析彎矩情況對比

圖6 管線動力分析應(yīng)力情況對比

本文采用有限元軟件OrcaFlex建立J型鋪管的三維有限元模型，如圖3所示。為了驗證計算結(jié)果的可靠性，參數(shù)參照文獻[8]進行設(shè)置，并將計算結(jié)果與文獻[8]進行比較，如圖4～圖6所示，可以看出：本文的結(jié)果與文獻的結(jié)果吻合良好。

3 實例分析

本文結(jié)合某J型鋪管船的設(shè)計進行研究，鋪管船的主尺度見表1。船的水動力分析采用基于三維勢流理論的ANSYS AQWA軟件，水動力模型如圖7所示。計算得到各種海況下船體的RAOs。在OrcaFlex軟件中建立該船型管線的有限元模型，水深為1 500 m，鋪設(shè)角為85°。管線及海水參數(shù)見表2所示。波浪選用JONSWAP譜，詳細參數(shù)見表3。海流為表面流速1 m/s，海底流速為0，為非線性流。流速與水深的關(guān)系如圖8所示。

表1 鋪管船主尺度 m

表2 管線及海水參數(shù)

表3 波浪詳細參數(shù)

圖7 鋪管船水動力模型 圖8 流速與水深關(guān)系示意圖

3.1 靜動力結(jié)果比較

本文進行靜動力結(jié)果比較時以浪流方向都是0°為例。靜力與動力分析管線受力情況對比如圖9和表4所示，可以看出：在船的運動和海洋環(huán)境的共同作用下，動力和靜力相比結(jié)果都有增加。管線的張力整體上都有增加，最大張力增幅為19.8%；管線的彎矩和應(yīng)力變化主要在觸底區(qū)附近，增幅分別為38.2%和28.8%，所以在鋪管過程中要特別關(guān)注管線在觸底區(qū)附近的受力情況。

圖9 管線靜動力受力情況對比

表4 靜動力計算結(jié)果對比

3.2 張力時程

圖10 頂部張力時程曲線

管線頂部張力的時程曲線如圖10所示，可以看出：在鋪管船和浪流的共同作用下，頂部張力在一定的范圍內(nèi)隨機波動，從1 501 kN到2 166 kN，變化幅度為665 kN。頂部的張力關(guān)系到張緊器的選擇，一般頂部張力器的選擇既要考慮頂部的最大張力，也要考慮張力的變化范圍。如果頂部張力超過張緊器的允許范圍，則可能發(fā)生管線軸向竄動，甚至脫落滑至海底，引發(fā)工程事故。

3.3 浪流方向的影響分析

為研究浪流方向?qū)芫€受力情況的影響，將波高、周期和流速固定不變，考慮到鋪管船的對稱性，浪流方向分別選取0°、45°、90°、135°、180°這5個角度，將浪流方向組合，計算管線的動力響應(yīng)。不同浪流方向工況下的張力、彎矩、應(yīng)力分別見表5～表7，曲線圖如圖11所示。

表5 不同浪流方向條件下的頂部張力結(jié)果 kN

表6 不同浪流方向條件下的觸底區(qū)彎矩結(jié)果 kN·m

表7 不同浪流方向條件下的觸底區(qū)應(yīng)力結(jié)果 MPa

圖11 不同浪流方向管線受力情況

由表5～表7和圖11可以看出：(1)隨著流向角度的增加，張力逐漸減小而彎矩和應(yīng)力逐漸增加。(2)在流向為180°時張力最小而彎矩和應(yīng)力最大；浪向角為45°時，管線的張力、彎矩和應(yīng)力都最大，而在浪向角為0°時三者均最??；根據(jù)對稱性可知，浪向角315°時有類似結(jié)論。(3)浪向45°(315°)，流向0°時張力最大，最大值為3 549 kN，浪向45°(315°)、流向180°時彎矩和應(yīng)力最大，最大值分別為758.1 kN·m和468 MPa，在鋪管施工過程中需盡量避免在這些浪流條件下施工。(4)最大應(yīng)力和彎矩變化趨勢基本一致，這主要是因為應(yīng)力和彎矩的最大值都出現(xiàn)在觸底區(qū)附近，在觸底區(qū)附近彎矩對應(yīng)力的影響較大。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合某J型起重鋪管船，應(yīng)用ANSYS AQWA和OrcaFlex軟件分別建立船與管線的動力相互作用模型，研究鋪管船運動及不同浪流方向?qū)芫€受力的影響，進行J型鋪設(shè)過程中海底管線的動力響應(yīng)分析，主要結(jié)論如下：

(1) 在鋪管船運動及波流載荷的共同作用下，管線張力增加19.8%，張緊器所需的張緊力明顯增加；彎矩和應(yīng)力分別增加38.2%和28.8%，主要在觸底區(qū)附近。所以，在鋪管過程中要特別關(guān)注管線在觸底區(qū)附近的受力情況。

(2) 管線張力在頂部最大且頂部張力在1501 kN～2 166 kN間隨機變化，變化幅度為665 kN，需要合理設(shè)計張緊器的張緊力大小，避免頂部張力超出張緊器的張緊力范圍。

(3) 浪向45°(315°)、流向0°時管線張力最大，最大值為3 549 kN；浪向45°(315°)、流向180°時彎矩和應(yīng)力最大，最大值分別為758.1 kN·m和468 MPa，在施工過程中應(yīng)盡量避免在這些海況下作業(yè)。

(4) 不同浪流方向工況下應(yīng)力最大值與彎矩最大值的變化趨勢基本一致，這主要是因為應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在觸底區(qū)附近，受彎矩的影響較大。

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