深水雙層保溫海底管道終端舷側(cè)安裝研究

孫祥杰，于洪旭，劉極莉，郝雙戶，余志兵，張森

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

隨著海洋油氣勘探逐漸向深水挺進，南海油氣資源開發(fā)對保障我國能源安全的意義愈發(fā)重要。管道終端PLET（pipeline end termination）作為海底連接系統(tǒng)的一個組成部分，在深水開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。依據(jù)安裝方式的不同，PLET安裝主要有在線安裝和舷側(cè)安裝兩種。PLET舷側(cè)安裝是先鋪設海管，再將海管端部由海床提升至施工船舶舷側(cè)固定，將PLET與海管焊接完成后整體下放至海床完成PLET安裝，通常適用于PLET重量和尺寸比較大的情況，在線安裝是將PLET通過海管作業(yè)線安裝，與舷側(cè)安裝PLET相比，在線安裝可以縮短海上連接的時間，但對PLET的設計、安裝有更高的要求[1]。

本文主要對帶有雙層管的PLET進行舷側(cè)下放分析（J-lay），首先對分析流程進行系統(tǒng)介紹，然后給出一個具體計算案列，分析結(jié)果將為后期實際安裝施工提供借鑒及參考。

1 分析流程

1.1 概述

PLET舷側(cè)下放安裝分析計算流程包括：基礎數(shù)據(jù)選擇、計算模型建立、靜態(tài)/動態(tài)分析、校核、編制分析報告。結(jié)果分析主要是對管道強度進行校核，檢驗其是否滿足所要求的標準或規(guī)范，典型分析流程如圖1所示。

1.2 基礎數(shù)據(jù)選擇

對PLET舷側(cè)下放安裝分析計算之前，首先要選擇基礎數(shù)據(jù)，包括環(huán)境參數(shù)、海管參數(shù)、PLET參數(shù)、鋪管船參數(shù)等，具體如下：

環(huán)境參數(shù)：水深、海水密度、海流、波浪、土壤參數(shù)等。

海管參數(shù)：結(jié)構類型（單層管、雙層管等）、材料等級、尺寸（管徑、壁厚）、物理特性（楊氏模量、泊松比、最小屈服強度、密度等。

PLET參數(shù)：長、寬、高、重心、空氣中重量/水中重量、水動力等參數(shù)（拖曳面積、拖曳系數(shù)、附加質(zhì)量系數(shù)、升力系數(shù)等）。

鋪管船參數(shù)：船長、船寬、型深、吃水、RAO（Response Amplitude Operator）、A&R絞車性能等。

圖1 分析流程圖

1.3 建立計算模型

PLET與海底管道端部在舷側(cè)焊接連接完成后，再通過舷側(cè)下放系統(tǒng)PLS（PLET Launching System）下放到海床，如圖2、圖3所示。

圖2 PLET與海管起始端連接

圖3 PLET著泥點處

PLET舷側(cè)下放安裝計算模型是基于海洋工程結(jié)構有限元分析軟件ocraflex建立[5]，應合理選擇單元類型，模擬船體、海底管道、PLET、Yoke臂、A&R纜等。PLET與海底管道的約束設置應符合實際連接情況，模型邊界條件，如與海床連接的海底管道在海床著泥點后保留一定長度處可考慮為固定約束。

根據(jù)實際項目要求及分析類型，PLET舷側(cè)下放建立有限元數(shù)值模型對關鍵位置進行分析。整個分析應完整模擬PLET下放安裝過程，從PLET懸掛在舷側(cè)開始，終止于PLET著泥。關鍵位置篩選是指不考慮環(huán)境荷載，在靜水條件下基于分析模型，根據(jù)管道應力/應變結(jié)果對舷側(cè)下放過程進行準動態(tài)模擬，然后選取若干危險位置，PLET典型位置可在懸掛點、飛濺區(qū)附近、著泥點處等進行選擇，也可根據(jù)經(jīng)驗直接選取關鍵位置[6]。

1.4 靜態(tài)和動態(tài)分析

關鍵位置選取后，在不考慮環(huán)境荷載的情況下，進行靜態(tài)分析，計算帶有海管的PLET在此狀態(tài)下的受力和平衡型態(tài)。

將各關鍵位置處靜態(tài)模型作為基礎分析模型，考慮波、流以及船舶運動等環(huán)境荷載進行動態(tài)分析：

考慮0°～360°，在45°增量下的波浪工況組合矩陣。

船體運動通常依據(jù)RAO計算，對于DP船舶，可以不考慮低頻運動。

波浪可以采用規(guī)則波或不規(guī)則波理論，計算結(jié)果應盡量規(guī)避平衡建立前的瞬態(tài)效應。

輸出的計算結(jié)果包括但不限于：管道頂部張力、最大Von Mises應力、底部張力、最大A&R有效張力、最大管道應變、投影距離、PLET角度等。

1.5 強度校核

基于靜態(tài)和動態(tài)分析模型和結(jié)果，按照規(guī)范DNV-OS-F101 Section5,D600中的組合荷載準則—荷載控制條件對管道進行強度校核。

2 PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)

對于海洋石油201船，PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)將與焊接在A甲板上的基座連接，布置在右舷，包括以下內(nèi)容：

主體框架結(jié)構包括兩條支撐桿和一個橫梁。

一個A&R滑輪位于橫梁中心。

液壓缸系統(tǒng)，可將框架從水平調(diào)整至探出舷外110°（與水平夾角）。

PLET平臺，用于在安裝期間放置鎖緊PLET。

PLET調(diào)整液壓缸，此液壓缸可調(diào)整PLET的精確位置，以便在焊接之前進行管道對中，PLET可以沿軸向和垂直軸向的方向進行調(diào)整。

典型的舷側(cè)下放系統(tǒng)如圖4所示。

PLS系統(tǒng)被設計用來將PLET提升到適當?shù)墓ぷ魑恢?，以便在PLET和管道之間進行對準操作。該系統(tǒng)的主要特點如下：

滿載和空載時角度連續(xù)可變旋轉(zhuǎn)。

PLS兩側(cè)的液壓氣缸將同步模式工作，以避免結(jié)構變形。

當管道偏離角度范圍為60°到100°（與水平夾角），PLET可以安裝在側(cè)面。

圖4 PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)

在無負載或滿載情況下，框架可自適應平衡。

當出現(xiàn)斷電、電氣故障、系統(tǒng)故障等情況時，失效安全模式自啟動。

安裝了軟著陸裝置和緩沖裝置，以保護防護裝置在裝載時不受損壞。

PLS系統(tǒng)允許PLET保持穩(wěn)定的位置，并提供位置調(diào)整，以使連接能在在四個方向（包括角度、水平、高度和間距調(diào)整、縱向）都可調(diào)整進行焊接。

PLS系統(tǒng)懸掛平臺和PLET之間有足夠的間距供PLET升降調(diào)整（離懸掛夾具中心線4m的間距）。

管道端部將采用J-collar（一種用于舷側(cè)海管固定的輔助安裝裝置），用于管道懸掛以與PLET進行焊接。由于是對整體進行動態(tài)分析，J-collar不包括在此分析模型中，但可以提取出J-collar位置的全局響應，用于其詳細的有限元分析。

3 PLET舷側(cè)下放安裝案例分析

3.1 概述

本文以南海某油田開發(fā)項目為例，使用Orcaflex V10.3d進行PLET舷側(cè)下放分析。Orcaflex是由Orcina有限公司開發(fā)的船用分析軟件，用于柔性線路和電纜的靜態(tài)和動態(tài)分析。該程序是基于三維非線性時域有限元公式，計算波流荷載下的系統(tǒng)響應和基于船舶幅值響應（RAOs）或預先計算的船舶運動時間軌跡下外部施加的運動。

將海底管道參數(shù)（外徑、壁厚、鋼質(zhì)等級、保溫涂層厚度、防腐涂層厚度等）輸入到有限元分析模型中，采用PLS下放帶有雙層海管的PLET結(jié)構可以用Orcaflex比較準確的模擬。

本案例主要對帶雙層管PLET下放的可行性開展分析。分析包括PLET從PLS下放到穩(wěn)定在海床上的整個階段，典型6個靜態(tài)過程如下：

步驟1：PLET從PLS下放（空氣中）。

步驟2：PLET在飛濺區(qū)附近。

步驟3：PLET在水面以下約10m處。

步驟4：PLET在整個水深約1/2處。

步驟5：PLET距離海床約20m處。

步驟6：PLET著泥處。

在6個靜態(tài)分析中，將選擇4個關鍵位置（步驟1、2、4、6）進行詳細的動態(tài)分析。

3.2 基礎數(shù)據(jù)

進行PLET舷側(cè)下放分析時，必須考慮波流等環(huán)境作用參數(shù)，這些值的獲取是基于長期的數(shù)值統(tǒng)計。波是通過波高及波周期進行定義，包括有義波高、譜峰周期等，而流則根據(jù)不同水層深度及方向等參數(shù)來定義，海洋中的流相對復雜，除了風誘導流、潮汐流等因素，對于該油田海域需要考慮內(nèi)波流。

本文基于規(guī)則波理論進行時域動態(tài)分析，波浪模型至少考慮一個循環(huán)的起始階段和后續(xù)的五個循環(huán)階段。在計算穩(wěn)定后，給出最后一個波浪周期的動態(tài)分析結(jié)果。

該油田最大水深約333.2m，本案例對其中一側(cè)水深約284.2m處的PLET舷側(cè)下放安裝進行分析，分析中采用最大波高Hmax，Hmax與Hs的關系為Hmax=1.86×Hs?？紤]波高1.5m、2.0m、2.5m。對應的波周期范圍為7s～11s，荷載工況矩陣如表1所示。

表1 波浪工況組合矩陣

內(nèi)波流分布見表2。

表1 波浪工況組合矩陣

分析中使用的艏向定義如圖5所示，定義自船艏的波浪為180°，定義來自船尾的波浪為0°，定義沿船艏逆時針方向為正。

圖5 艏向示意圖

雙層海底管道參數(shù)見表3。

表3 管道參數(shù)

楊氏模量 MPa 207000保溫層 mm 45保溫層密度 kg/m3 40～60外防腐涂層厚度 mm 3.5防腐涂層密度 kg/m3 900～940

海洋石油201船主要參數(shù)見表4，以保守考慮，分析時船舶RAOs的選取為空載（約10%剩余燃料）時的曲線。

表4 船體參數(shù)

PLET特性參數(shù)見表5。

表5 PLET特性參數(shù)

帶防沉板的PLET配置示意圖如圖6。

圖6 PLET配置示意圖

A&R纜參數(shù)見表6。

表6 A&R纜參數(shù)

3.3 接受標準

PLET下放過程的接受標準需要滿足DNVOS-F101 Section5,D600組合控制準則。

表7 管道極限準則—局部屈曲校核（UC）

表8 A&R纜極限準則

3.4 分析結(jié)果

PLET舷側(cè)下放安裝分析數(shù)值模型包括：船體、A&R纜、絞車、雙層海管（18in+12in）、PLET、Yoke臂、掛鉤等。對于雙層海管，在模型中新建兩條管道，輸入相對應參數(shù)，采用line contact單元模擬；采用line模擬A&R纜；基于PLET實際的幾何結(jié)構以及流體動力學特性，其模型用6D Buoy模擬，掛鉤用3D Buoy模擬。具體參數(shù)計算模型單元類型及邊界條件選擇見表9。

表9 模型單元及邊界條件

PLET下放過程如圖7所示，其靜態(tài)分析結(jié)果見表10。

圖7 PLET下放過程

表10 PLET下放靜態(tài)分析結(jié)果

3 277.06 212.55 176.061 257.419 730.21 280.99 -67.64 0.14 0.34 4 159.29 220.60 150.114 220.882 663.29 237.39 -52.24 0.10 0.26 5 23.76 257.22 125.329 189.607 557.09 104.43 -18.89 0.07 0.21 6 13.60 257.26 94.607 145.687 509.25 55.32 -7.72 0.04 0.14

對于動態(tài)分析，環(huán)境組合工況下的詳細計算結(jié)果這里不再列出，最終的校核結(jié)果如表11。

表11 PLET下放動態(tài)分析結(jié)果

（4）采用規(guī)則波理論進行分析是相對保守的，對于PLET舷側(cè)下放，根據(jù)DNV-OS-F101的許用極限準則，在給定的波浪工況組合矩陣條件下，校核結(jié)果滿足規(guī)范要求。

本文對帶雙層管的PLET舷側(cè)下放安裝分析開展可行性研究，將對后期實際海上施工起到指導作用，為今后與之相關的工程應用提供一定理論基礎。實際工程安裝設計階段還需要進行海管回收和海管疲勞分析，以及鋪管船位置、PLET角度等因素的敏感性研究，以此來確定對安裝施工的影響程度。

4 結(jié)論

（1）從分析結(jié)果可以看到，帶雙層海管的PLET總重量小于A&R纜許用張力值，因此可以直接采用A&R纜下放PLET的方案。

（2）對于PLET舷側(cè)安裝，最大張力和彎矩發(fā)生在起始階段，即PLET剛從舷側(cè)下放系統(tǒng)釋放以及飛濺區(qū)附近位置。

（3）PLET接近著泥點處時，為避免出現(xiàn)局部屈曲問題，建議此處安裝持續(xù)時間不要太長。