深水J-lay鋪管關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

(1.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

目前，國(guó)內(nèi)海洋油氣開發(fā)的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了深海，勘探工作已取得豐碩成果，主要區(qū)域在南海深水海域。南海流花、陵水等區(qū)塊正在穩(wěn)步開發(fā)。此外，東海也有多個(gè)油田需要開發(fā)。深水半潛式起重鋪管船能夠在惡劣的深水條件下進(jìn)行J-lay海管鋪設(shè)、大型結(jié)構(gòu)物吊裝等多種海洋作業(yè)[1-2]，還能方便PLET等結(jié)構(gòu)物安裝，有利于提高深水項(xiàng)目安裝效率。但是，目前國(guó)內(nèi)還沒有J-lay鋪管船和安裝工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有必要對(duì)J-lay鋪設(shè)技術(shù)進(jìn)行研究，為未來深水J-lay鋪管設(shè)計(jì)工作提供參考。在相關(guān)文章的參數(shù)研究基礎(chǔ)上[3-7]，本文從工程設(shè)計(jì)角度建模，研究設(shè)計(jì)參數(shù)并提出措施。

1 典型深水管道J-lay鋪設(shè)分析模型

典型的J型鋪管流程包括前期準(zhǔn)備、起始鋪設(shè)、正常鋪設(shè)和終止鋪設(shè)及正常鋪設(shè)過程中出現(xiàn)意外情況的棄管回收作業(yè)[8-9]。本文主要研究鋪設(shè)過程中主要部分，即正常鋪設(shè)中的管道響應(yīng)。正常鋪設(shè)管道形態(tài)如圖1所示。上管端通過張緊器固定在船上，管端軸線與水平面的夾角為入水角。入水角需根據(jù)計(jì)算確定合理值，并且隨水深變化可能需要調(diào)整。確定了入水角，還需要安裝船設(shè)定相對(duì)于管道觸地點(diǎn)的水平距離，即船位。但是，因安裝船定位誤差及南海內(nèi)波流可能造成船舶失位[10]。對(duì)于特定水深和管道規(guī)格，使用確定的安裝船進(jìn)行J-lay鋪設(shè)，設(shè)計(jì)參數(shù)主要有管道入水角、船位偏差、海況環(huán)境條件。

圖1 海底管道J-lay正常鋪設(shè)狀態(tài)示意

以在1 000 m的深水使用某作業(yè)船安裝?152.4 mm(6 英寸)單層管為例，使用海洋工程設(shè)計(jì)常用的OrcaFlex軟件進(jìn)行計(jì)算分析。管道材料參數(shù)如表1所示，管道模型為L(zhǎng)ine單元。考慮材料非線性，流體拖曳力基于雷諾數(shù)計(jì)算。上端固定約束是在船上張緊器位置并且為剛性連接，下端錨固于海床。

表1 管道材料參數(shù)

2 管道靜態(tài)應(yīng)力響應(yīng)分析

2.1 入水角對(duì)管道應(yīng)力影響

對(duì)不同入水角的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，得到管道的應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比，如圖2所示?？梢钥闯?，整體應(yīng)力水平不高，較小的入水角有利于顯著降低管線下彎段的受力。但是，較小的入水角度需要增加頂部張力，如圖3所示。

圖2 不同入水角下管道應(yīng)力響應(yīng)

圖3 不同入水角下管道張力

船位偏差對(duì)靜態(tài)結(jié)果的影響主要在沿鋪設(shè)方向上，而橫向偏移影響相對(duì)小一些。設(shè)計(jì)上需重點(diǎn)給出沿鋪設(shè)方向上的許用船位偏差[11]。

2.2 海流對(duì)管道應(yīng)力影響

海流通常作為定常流考慮[12]，依據(jù)南海某海域的一年一遇海流數(shù)據(jù)計(jì)算海流對(duì)管道靜態(tài)應(yīng)力響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯龊Ａ鲗?duì)管道懸掛點(diǎn)附近的管道受力影響非常大。其中，90°方向，即，管道路由的橫向流對(duì)懸掛點(diǎn)附近的管道影響最大，如圖5所示。因此，安裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際作業(yè)海域的海流影響。

圖4 海流對(duì)管道的應(yīng)力響應(yīng)影響對(duì)比

圖5 海流方向?qū)艿赖膽?yīng)力響應(yīng)影響對(duì)比

在懸掛點(diǎn)以下增加了一段12 m長(zhǎng)的支撐結(jié)構(gòu)后，橫向海流作用下的管道應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如圖6所示，應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到支撐結(jié)構(gòu)末端并且受力情況有所改善。因此，在J-lay鋪管船張緊器的位置增加一段管道支撐結(jié)構(gòu)，有助于保護(hù)該危險(xiǎn)區(qū)域的管道。

圖6 支撐結(jié)構(gòu)對(duì)管道的應(yīng)力響應(yīng)影響對(duì)比

3 管道動(dòng)態(tài)和疲勞響應(yīng)分析

3.1 管道動(dòng)態(tài)應(yīng)力與靜態(tài)應(yīng)力對(duì)比

管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)受波浪的直接影響很小[13]，主要影響因素是船體的運(yùn)動(dòng)。管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)需根據(jù)各種可能工況條件進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)許用值給出相應(yīng)天氣窗口。通常，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度問題不是主要約束。本例中82.9°入水角時(shí)波高3 m條件下的動(dòng)態(tài)結(jié)果最大值與靜態(tài)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯鰟?dòng)態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)相比增幅明顯，因此深水安裝過程中的管道疲勞損傷將是一個(gè)關(guān)鍵控制因素。管道疲勞損傷的計(jì)算依據(jù)Palmgmn-Miner線性累積疲勞損傷理論[14]，結(jié)構(gòu)在k個(gè)交變應(yīng)力作用下，第i個(gè)交變應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)疲勞壽命和循環(huán)次數(shù)分別為Ni和ni，則共同造成的累積疲勞損傷D定義為：

圖7 82.9°入水角和波高3 m工況下管道動(dòng)態(tài)和靜態(tài)應(yīng)力

3.2 管道的疲勞損傷因素

3.2.1 入水角的影響

為研究安裝過程的管道疲勞損傷，使用規(guī)則波和船體運(yùn)動(dòng)RAO的方法輸入船體運(yùn)動(dòng)，計(jì)算了不同海況、管道入水角和船位偏移的組合下的管道疲勞損傷[15]。某海況下計(jì)算不同入水角時(shí)懸掛點(diǎn)附近管道每小時(shí)的疲勞損傷如圖8所示，可以看出，入水角越大越有利于減少懸掛點(diǎn)區(qū)域管道疲勞損傷。不同入水角時(shí)觸地點(diǎn)附近的管道每小時(shí)的疲勞損傷如圖9所示，可以看出，入水角越小越有利于減少觸地點(diǎn)區(qū)域疲勞損傷。結(jié)合各種海況比較兩個(gè)區(qū)域每小時(shí)的損傷來看，管道的疲勞危險(xiǎn)區(qū)域在懸掛點(diǎn)附近，因此應(yīng)使用較大的入水角進(jìn)行安裝。

圖8 不同入水角下管道每小時(shí) 的疲勞損傷(上端附近)

圖9 不同入水角下管道每小時(shí)的疲勞損傷(觸地點(diǎn)附近)

3.2.2 海流的影響

為進(jìn)一步研究海流對(duì)管道疲勞的影響，考慮了相同波浪條件下無海流及與波浪不同夾角的海流情況，其中考慮的海流相對(duì)于波浪方向夾角有0、30、45和90°，經(jīng)計(jì)算每小時(shí)的疲勞損傷如10圖所示?？梢钥闯龊Ａ鞯拇嬖跁?huì)加劇疲勞，應(yīng)充分考慮海流對(duì)疲勞的影響。同時(shí)為了保守計(jì)算，應(yīng)假設(shè)波流夾角為0°，即波流同向。

3.2.3 船位偏差的影響

對(duì)基礎(chǔ)模型僅修改船位，計(jì)算沿鋪設(shè)方向的船位偏差和橫向船位偏差下管道上端的每小時(shí)的疲勞損傷，得到如圖11的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，沿鋪設(shè)方向的船位誤差對(duì)管道疲勞損傷影響比較明顯，船位遠(yuǎn)離管道的偏移將加劇管道疲勞損傷，靠近管道的偏移可以緩解管道上端疲勞損傷；相同船位橫向偏移則對(duì)管道疲勞損傷影響很小。

圖10 波浪和海流不同組合下管道每小時(shí)的疲勞損傷

圖11 船位不同方向偏移時(shí)管道每小時(shí)的疲勞損傷

4 結(jié)論

1) 計(jì)算了J-lay深水鋪管在不同入水角、船位偏差、海況環(huán)境條件下管道靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和疲勞響應(yīng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，正常鋪設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)管道的關(guān)鍵位置在上端和觸地點(diǎn)附近，危險(xiǎn)位置在上端且動(dòng)態(tài)疲勞為關(guān)鍵控制因素。

2) 管道入水角對(duì)管道觸地點(diǎn)附近的管道影響更大，但危險(xiǎn)位置在管道上端，可以通過在許用范圍內(nèi)增大入水角，降低上端的受力和疲勞損傷。

3) 沿鋪設(shè)方向的船位偏差對(duì)管道上端的受力和疲勞損傷影響較大，需避免該方向船位超出許用值。

4) 海流會(huì)顯著加劇管道上端的受力和疲勞損傷，計(jì)算中應(yīng)充分考慮實(shí)際海流的影響。保守計(jì)算可按照波流同向，分析波浪通過船體運(yùn)動(dòng)影響管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。良好的船舶運(yùn)動(dòng)特性對(duì)于深水管道鋪設(shè)有利，例如半潛船式J-lay船。