深水動態(tài)臍帶纜干涉分析方法研究

張英、李旭、楊偉、劉剛、陳思

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

水下臍帶纜主要是由流體導(dǎo)管、電纜和光纖組合成的具有柔性的管組，可為水下生產(chǎn)設(shè)施和ROV等海底組件提供電力、液壓動力和控制信號等，在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用[1]。深水動態(tài)臍帶纜主要指由浮式平臺到水下分配單元間的動態(tài)部分，此部分受來自海洋環(huán)境的動態(tài)載荷。由于動態(tài)臍帶纜立管具備較高的“柔性”，在海流引起的拖曳力作用下容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的偏移，如果依托的浮體布置的立管結(jié)構(gòu)、錨鏈密集，那么動態(tài)臍帶纜有與其他結(jié)構(gòu)物發(fā)生干涉碰撞的風(fēng)險。本文以實際項目為例，研究簡化Lazywave型深水動態(tài)臍帶纜干涉設(shè)計的分析流程、分析方法及校核標準的選取等?？蔀樵谏钏吞镩_發(fā)中動態(tài)臍帶纜自主整體設(shè)計提供一定的參考。

1 動態(tài)臍帶纜干涉接受準則

動態(tài)臍帶纜立管干涉分析主要對動態(tài)臍帶纜分析對（pair）之間在海流和波浪作用下是否發(fā)生碰撞進行分析評估。動態(tài)臍帶纜分析對一般指動態(tài)臍帶纜與相鄰的立管、動態(tài)臍帶纜與相鄰的錨纜、與相鄰的船體結(jié)構(gòu)。干涉分析可分為靜態(tài)分析和動態(tài)分析，靜態(tài)分析主要考慮極端海流作用下分析對的碰撞，動態(tài)分析主要考慮波浪及船體運動作用下分析對的碰撞。

動態(tài)臍帶纜干涉分析的校核標準一般依據(jù)DNV-RP-F203，其接受準則為干涉分析對的間距△滿足條件△≥D1+D2，見圖1-1解釋。

圖1-1 接受準則

由于動態(tài)臍帶纜彎曲剛度較小柔性較大，在環(huán)境載荷下運動較大，所以一般選取動態(tài)臍帶纜為干涉分析對的上游管件，其他剛度較大管纜或相對靜止的船體結(jié)構(gòu)件作為下游管件。

2 尾流模型

在考慮海流作用下的靜態(tài)分析時，對于下游管纜應(yīng)考慮由于上游管纜引起的海流變化的尾流效應(yīng)（wake）。目前針對尾流模型主要是依據(jù)模型試驗和試驗數(shù)據(jù)擬合，一般有兩種表述尾流場的方式，一種是直接表述出尾流場中的流速分布的HUSE模型，一種是模擬尾流中的水動力場的BLEVIN模型。Huse模型直接給出了尾流場中的流速分布，BLEVIN利用莫爾森公式將流速場模型轉(zhuǎn)化為了相對于穩(wěn)態(tài)來流的水動力系數(shù)場。

圖2-1 HUSE尾流模型

圖2-2 BLEVIN尾流模型

3 化Lazy-wave構(gòu)型設(shè)計v

標準的動態(tài)臍帶纜Lazy-wave構(gòu)型如圖3-1（a）所示，簡化構(gòu)型如圖3-1（b），簡化構(gòu)型多用于深水浮式平臺，此構(gòu)型將圖3-1（a）中所示五部分懸鏈線段（S1、S2、S3、S4、S5）簡化為A、B、C三段，即y2=y3=0，簡化的構(gòu)型圖。其中各個構(gòu)型參數(shù)按以下公式計算：

ai=y1/（cosh[arcsinh（cotθ） ]-1）

xa=aiarcsinh（cotθ）,xb=aiarccosh（yb/ai+1）,xc=aiarccosh（yc/ai+1）

SA=aisinh（xa/ai），SB=aisinh（xb/ai），SC=aisinh（xc/ai）

圖3-1深水動態(tài)臍帶纜構(gòu)型

4 干涉分析流程

1、建立根據(jù)動態(tài)臍帶纜構(gòu)型建立干涉分析對有限元模型；

2、考慮保守因素對關(guān)鍵工況進行篩選，主要考慮下游管纜靜止不動，上游動態(tài)臍帶纜在極端海流方向承受拖曳載荷，在保守分析下滿足校核條件的工況作是非關(guān)鍵工況，后續(xù)只對關(guān)鍵工況進行下一步分析；

3、對不同流速方向的關(guān)鍵工況進行靜態(tài)和動態(tài)分析；

4、在只考慮海流作用的靜態(tài)分析中，下游管纜考慮尾流效應(yīng)，上游管纜考慮VIV拖曳力放大系數(shù)；

5、計算沿管纜弧長方向上各個位置的最小間距，校核最小間距是否滿足標準要求；

6、使用極端海況下波浪、海流、船體運動數(shù)據(jù)下開展動態(tài)時域分析，分析時程為3小時；

7、計算沿管纜弧長方向上各個位置的所有時刻中的最小間距，校核最小間距是否滿足標準要求；

5 設(shè)計算例

5.1 設(shè)計參數(shù)

以實際深水半潛平臺動態(tài)臍帶纜為例，對動態(tài)臍帶纜進行干涉分析設(shè)計，主要參數(shù)如下：

表5-1 算例臍帶纜參數(shù)

算例主要對兩組干涉分析對進行分析，一組為動態(tài)臍帶纜和立管，另一組為動態(tài)臍帶纜和系泊錨纜。分析對布置及相關(guān)位置見表5-2及圖5-1

表5-2 算例分析對位置

圖5-1 分析對位置

使用100年重現(xiàn)期和1000年重現(xiàn)期極值波浪海流數(shù)據(jù)開展干涉分析，干涉分析中考慮船體偏移，偏移量對應(yīng)極值海流數(shù)據(jù)?？紤]極值海流及其相關(guān)的波浪/風(fēng)下的方向偏移，并船體偏移方向與極值海流方向同向考慮。在篩選分析后，選擇臨界工況，進行極值海流組合船舶偏移量的靜態(tài)尾流干涉分析。

5.2 分析結(jié)果

5.2.1 臍帶纜與立管干涉分析結(jié)果

動態(tài)臍帶纜與鄰近立管干涉分析有限元模型如下圖：

干涉分析對中，動態(tài)臍帶纜為上游，立管為下游，在篩選分析中，下游立管考慮最大介質(zhì)密度同時不考慮拖曳力系數(shù)。篩選分析結(jié)果見表5-3。其中對于篩選分析中最差間隙結(jié)果見圖5-2所示。

圖5-2 臍帶纜-立管干涉分析模型

表5-3 臍帶纜-立管干涉篩選分析結(jié)果

179 20.231 17.762-86 19.604 11.007-176 18.384 15.637-81 29.489 26.188-171 16.458 13.44-76 32.562 32.562-166 14.538 11.188-71 32.562 32.562-161 12.549 8.894

圖5-3 篩選分析中關(guān)鍵工況結(jié)果

5.2.2 臍帶纜與錨纜干涉分析結(jié)果

動態(tài)臍帶纜與鄰近錨纜干涉分析有限元模型如下圖：

根據(jù)篩選分析結(jié)果，海流流向-1 4 1 d e g,-136deg, -131deg, -126deg, -121deg, -116deg,-111deg, -106deg, -101deg, -96deg 及 -91deg為關(guān)鍵干涉方向。對于所有關(guān)鍵分析方向開展進一步靜態(tài)和動態(tài)干涉分析。靜態(tài)分析中對于下游立管考慮HUSE尾流模型和拖曳力系數(shù)。靜態(tài)分析結(jié)果在100年重現(xiàn)期海流下最小間隙為33.586ft，在1000年重現(xiàn)期海流下最小間隙為33.899ft，發(fā)生在流向-91度工況下，最小間隙滿足接受標準要求。結(jié)果見表5-4所示。

表5-4 臍帶纜-立管干涉尾流模型靜態(tài)分析結(jié)果

基于靜態(tài)分析結(jié)果中最關(guān)鍵工況（流向-91度），開展動態(tài)分析，考慮100年重現(xiàn)期和1000年重現(xiàn)期極值波浪海況條件，進行3小時動態(tài)時域分析，對于100年重現(xiàn)期最小間隙為33.15ft，1000年重現(xiàn)期最小間隙為32.73ft，也均滿足接受標準要求。結(jié)果見圖5-4所示。

圖5-4 動態(tài)分析中關(guān)鍵工況結(jié)果

干涉分析對中，臍帶纜為上游，錨纜為下游，在篩選分析中，下游錨纜不考慮拖曳力系數(shù)。篩選分析結(jié)果見表5-5。其中對于篩選分析中最差間隙結(jié)果見圖5-5所示。

圖5-5 篩選分析中關(guān)鍵工況結(jié)果

表5-5 臍帶纜-錨纜干涉篩選分析結(jié)果

64 13.739 13.739-31 13.739 13.739 59 13.739 13.739-36 13.739 13.739 54 13.739 13.739-41 13.739 13.739 49 13.739 13.739-46 13.739 13.739 44 13.739 13.739-51 13.739 13.739 39 13.739 13.739-56 13.739 13.739 34 13.739 13.739-61 13.739 13.739 29 13.739 13.739

6 結(jié)論

本文著重介紹了深水動態(tài)臍帶纜干涉分析方法與校核標準。以深水半潛平臺為例，對動態(tài)臍帶纜與立管和錨纜進行干涉分析，并得到如下結(jié)論：

（1） 動態(tài)臍帶纜彎曲剛度較小柔性較大，在環(huán)境載荷下運動較大，一般選取動態(tài)臍帶纜為干涉分析對的上游管件，其他剛度較大管纜或相對靜止的船體結(jié)構(gòu)件作為下游管件；

（2） 工程設(shè)計中對于動態(tài)臍帶纜干涉分析對中下游管件的尾流模型主要選用HUSE模型；

（3） 在干涉分析中一般需要考慮進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，靜態(tài)分析中考慮尾流模型，動態(tài)分析中由于流場的擾動可以不考慮下游管件的尾流效應(yīng)；

（4） 干涉分析結(jié)果中上下游管件的間距，應(yīng)大于上下游管件的外徑之和；

根據(jù)篩選分析結(jié)果，對于所有流向工況，最小間隙均為13.74ft，最小間隙滿足接受標準要求。由于錨纜始終處與張緊狀態(tài)，剛度較大，偏移較小；此外臍帶纜與錨纜懸掛角差別較大，所有動態(tài)臍帶纜與錨纜在空間上始終保持一定的距離。由于使用較保守的篩選分析后，最小間隙滿足標準要求，所以可以不進行進一步的靜態(tài)分析。

基于篩選結(jié)果，開展動態(tài)分析，考慮100年重現(xiàn)期和1000年重現(xiàn)期極值波浪海況條件，進行3小時動態(tài)時域分析，對于100年重現(xiàn)期和100年重現(xiàn)期最小間隙均為13.739ft，滿足接受標準要求。