基于撐桿法的海纜平臺(tái)抽拉設(shè)計(jì)分析

楊 盛 孫 錕 傅文志 郭 飛 楊 昆

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067)

海底電纜主要用于陸地至平臺(tái)以及平臺(tái)與平臺(tái)間的通信和輸電，在海上油氣開發(fā)中應(yīng)用廣泛。平臺(tái)間海纜鋪設(shè)后需要將其第二端從海底經(jīng)海纜護(hù)管抽拉到平臺(tái)，從而接入平臺(tái)海纜箱，實(shí)現(xiàn)電力輸送。目前，工程上將海纜第二端抽拉到平臺(tái)的作業(yè)方法主要有2種：①海底拖拉法，當(dāng)海纜第二端靠近平臺(tái)時(shí)，在海床鋪設(shè)成S型或者Ω型，而后被抽拉到平臺(tái)；②扇形框架結(jié)構(gòu)輔助法，將海纜放置在一個(gè)扇形框架結(jié)構(gòu)中，通過吊機(jī)不斷下放扇形結(jié)構(gòu)與平臺(tái)抽拉海纜共同操作的方式，完成海纜第二端抽拉[1]。

在海纜抽拉的研究方面，Walker等[2]研究了J型護(hù)管內(nèi)立管抽拉技術(shù)，提出了抽拉力和支撐載荷的計(jì)算方法，并在一系列試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。Farid-Afshin等[3]提出了一種新型有限元方法用于J型護(hù)管抽拉的評(píng)估，該方法可以應(yīng)用于多彎段的J型護(hù)管抽拉分析，相較于傳統(tǒng)的管中管接觸模型，其收斂速度更快。林臻裕 等[4]詳細(xì)介紹了海底電纜抽拉過程、二次抽拉方法及平臺(tái)布置方案，并利用SACS 軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了強(qiáng)度校核。岳劍峰 等[5]研究了海纜起始端抽拉上平臺(tái)的工藝方法，并對(duì)抽拉力計(jì)算、路由布置、絞車選型、測(cè)力計(jì)拉力計(jì)算等提供了詳細(xì)的計(jì)算方法。張西偉 等[6]對(duì)導(dǎo)管架海纜抽拉支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和有限元分析，并在實(shí)際施工中獲得了應(yīng)用?？梢?，業(yè)內(nèi)針對(duì)管纜抽拉到平臺(tái)的研究主要集中在管中管接觸、抽拉力計(jì)算、抽拉方案設(shè)計(jì)等方面，但尚無(wú)抽拉過程中對(duì)海纜安裝狀態(tài)的研究，但海纜安裝狀態(tài)的布置對(duì)實(shí)現(xiàn)海纜抽拉也至關(guān)重要。

海纜的彎曲半徑小，且海纜具備一定的抗彎能力，使其在安裝過程中不易因過彎而發(fā)生破壞，所需的安裝環(huán)境容易滿足，但在第二端甩彎時(shí)受安裝工藝的影響，需要重點(diǎn)對(duì)其彎曲半徑做好控制。傳統(tǒng)的安裝方案一般采用扇形框架結(jié)構(gòu)法對(duì)海纜甩彎過程的彎曲半徑進(jìn)行保護(hù)，在其基礎(chǔ)上，本文提出了一種撐桿輔助海纜第二端抽拉上平臺(tái)的方法。該方法使用撐桿輔助海纜抽拉，可有效避開周圍的海底障礙物、減少海纜和海床之間的摩擦力、減小平臺(tái)絞車的抽拉力、改善密封塞進(jìn)入護(hù)管口的角度，便于鋪設(shè)安裝、提高施工作業(yè)效率。本文基于撐桿輔助海纜平臺(tái)抽拉的三維空間模型，建立了海纜路由及抽拉作業(yè)過程的基本數(shù)學(xué)模型，對(duì)U型彎鋪設(shè)、撐桿提拉海纜作業(yè)以及平臺(tái)抽拉作業(yè)關(guān)鍵問題開展研究，形成了一套海纜平臺(tái)抽拉作業(yè)分析的指導(dǎo)方法。

1 海纜平臺(tái)抽拉作業(yè)步驟、關(guān)鍵設(shè)計(jì)及分析模型

1.1 抽拉作業(yè)關(guān)鍵步驟

基于撐桿法的海纜平臺(tái)抽拉作業(yè)過程(圖1)，其關(guān)鍵步驟包括：①按照設(shè)計(jì)好的U形彎鋪設(shè)海纜，使海纜末端、密封塞、限彎器、拖拉網(wǎng)套位于正確位置，并連接平臺(tái)絞車鋼絲繩到海纜第二端的末端；②作業(yè)船下放撐桿，由ROV連接預(yù)設(shè)的拖拉網(wǎng)套到撐桿提拉索具，將海纜U形彎完全提離海底；③開始海纜抽拉作業(yè)，平臺(tái)絞車抽拉過程中，吊機(jī)下放海纜撐桿，并同步移船，絞車抽拉，三者配合實(shí)現(xiàn)平臺(tái)海纜抽拉作業(yè)；④抽拉完成后，將海纜余量放置路由側(cè)面，ROV完成摘鉤。

圖1 基于撐桿法的海纜平臺(tái)抽拉作業(yè)示意圖Fig.1 Illustration for pulling submarine cable onto platform with spreader bar

1.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

1) 海纜U型彎設(shè)計(jì)。

該U型彎的設(shè)計(jì)(圖1a)是撐桿法輔助海纜平臺(tái)抽拉作業(yè)的核心難點(diǎn)之一。為便于在海床特定位置部署撐桿開展海纜抽拉作業(yè)，U型彎的長(zhǎng)度和走向設(shè)計(jì)須滿足水深、護(hù)管長(zhǎng)度、海纜彎曲半徑、吊機(jī)作業(yè)高度等諸多作業(yè)限制條件[7]。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般在靠近平臺(tái)護(hù)管的直線路由上設(shè)計(jì)海纜U型彎。如圖2所示，U型彎的鋪設(shè)起始點(diǎn)為P，U型彎中點(diǎn)為O，終點(diǎn)為Q。U型彎一般采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，取對(duì)應(yīng)弧段的圓心角θ1=θ2=π/2，θ3=π，弧段之間長(zhǎng)度B=D。

圖2 海纜U型彎設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Design schematic of submarine U-type loop

海纜甩彎鋪設(shè)設(shè)計(jì)半徑R可用下式計(jì)算[8]:

R≥FTDP/(μω)

(1)

式 (1)中:μ為海纜與海床土壤之間的摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；ω為海纜單位長(zhǎng)度濕重，kN/m；FTDP為海纜甩彎鋪設(shè)時(shí)其觸地點(diǎn)處最大水平張力，kN。

U型彎3個(gè)弧線端的長(zhǎng)度為

S1=S2=πR/2

(2)

S3=πR

(3)

為保證海纜路由通過摩擦力作用在海床上保持穩(wěn)定，直線段的長(zhǎng)度B、D、E須大于甩彎鋪設(shè)設(shè)計(jì)半徑R。

從圖1c中可見撐桿兩側(cè)的提拉點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，近似180°的圓弧，設(shè)撐桿有效長(zhǎng)度為d，從拖拉網(wǎng)套的位置到U型彎中點(diǎn)O的長(zhǎng)度S4應(yīng)滿足如下關(guān)系：

S4=πd/4

(4)

海纜第二端鋪設(shè)終止點(diǎn)到護(hù)管口的水平距離H一般為10～15 m，以便于鋪設(shè)和回接。護(hù)管長(zhǎng)度為J，海纜需要抽出護(hù)管的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有

A+S1+C=J+L

(5)

考慮到吊機(jī)作業(yè)提拉撐桿存在最大吊高限制，設(shè)U型彎最大提升高度距海床距離為hlimit，則應(yīng)滿足2R+B≤hlimit。

最終抽拉完成后需要放在在海床的海纜余量長(zhǎng)度為F，對(duì)應(yīng)的弧形半徑為rw，則

F+|PQ|+H+J+L-2rw=

A+2S1+2B+S3+E

(6)

由于|PQ|=A+4R+E，則有

2B-A-C=F+H-2rw+(4-3π/2)R

(7)

當(dāng)密封塞進(jìn)入護(hù)管口后，為了保證剩余海纜形態(tài)不發(fā)生過彎，一般要求從拖拉網(wǎng)套到密封塞的長(zhǎng)度要不小于15 m，即S3/2-S4+B-C≥15 m。

因此，U型彎設(shè)計(jì)除滿足上述要求外，對(duì)應(yīng)的起始點(diǎn)P坐標(biāo)為 (-(|PQ|+H)cosα,-(|PQ|+H)sinα)，終點(diǎn)Q坐標(biāo)為 (-Hcosα,-Hsinα)。其中，電纜護(hù)管口為坐標(biāo)原點(diǎn)，XY代表局部坐標(biāo)系，其方向可參考平臺(tái)坐標(biāo)系。α為護(hù)管出口段與平臺(tái)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系X軸的夾角。

2) 撐桿設(shè)計(jì)。

用于海纜提拉的撐桿(圖3)，采用一根圓管、左右兩端上下部位設(shè)置吊耳的設(shè)計(jì)，兩端吊耳分別用于連接吊機(jī)鉤頭和海纜拖拉網(wǎng)套提拉點(diǎn)。有效長(zhǎng)度d為兩個(gè)吊耳板之間的距離，d應(yīng)大于2 倍的海纜安裝的最小彎曲半徑，其管徑和壁厚參數(shù)取決于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，應(yīng)能承受提拉海纜的重量。

圖3 撐桿設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Design schematic of spreader bar

1.3 抽拉作業(yè)分析模型

根據(jù)作業(yè)流程，典型海纜第二端平臺(tái)抽拉(以下簡(jiǎn)稱抽拉)的分析模型可簡(jiǎn)化為兩階段模型：①吊機(jī)提拉分析模型，模型包括作業(yè)船、吊機(jī)鋼絲繩、撐桿、索具和海纜(圖4a)，其中海纜按照設(shè)計(jì)的U型彎進(jìn)行預(yù)布，通過移船和回收吊機(jī)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)海纜從海床提拉至豎直平面；②平臺(tái)抽拉分析模型，模型包括作業(yè)船、吊機(jī)鋼絲繩、撐桿、索具、海纜、平臺(tái)絞車鋼絲繩(圖4b)，平臺(tái)抽拉階段海纜已和平臺(tái)絞車完成連接，通過移船、下放吊機(jī)鋼絲繩、回收平臺(tái)絞車鋼絲繩實(shí)現(xiàn)海纜的抽拉作業(yè)。

圖4 典型海纜抽拉分析模型Fig.4 Lifting analysis model of typical submarine cable

其中海床和海纜之間考慮法向支撐力和切向摩擦力，護(hù)管和平臺(tái)絞車鋼絲繩、海纜之間管中管定義不考慮摩擦力。

2 海纜抽拉作業(yè)分析方法

2.1 抽拉設(shè)計(jì)分析思路

海纜第二端抽拉上平臺(tái)作業(yè)設(shè)計(jì)分析整體思路：研究船位移動(dòng)速度、撐桿下放速度和海纜抽拉速度之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過OrcaFlex軟件完成海纜抽拉動(dòng)態(tài)過程分析[9]。分析過程主要包括：①根據(jù)幾何關(guān)系和懸鏈線理論，列出相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算程序編寫，從而獲得船舶位置變化增量、撐桿高度變化增量與海纜抽拉長(zhǎng)度變化增量之間的關(guān)系；②根據(jù)上述三項(xiàng)變量關(guān)系，選擇合適參數(shù)輸入Orcaflex模型中，完成海纜抽拉動(dòng)態(tài)過程靜力分析和動(dòng)力分析，從而獲得吊機(jī)纜繩受力、撐桿應(yīng)力分布、索具受力、海纜抽拉軸向張力、海纜最小彎曲半徑、平臺(tái)絞車?yán)Φ?。根?jù)計(jì)算結(jié)果確定海上抽拉作業(yè)容許海況，為實(shí)際海上施工提供作業(yè)參考。

2.2 抽拉作業(yè)基本數(shù)學(xué)關(guān)系

為表示海纜抽拉各變量關(guān)系，定義t1時(shí)刻，船舶位置為V1，撐桿距離海床的高度為H1bar，拖拉網(wǎng)套2的高度為H1，拖拉網(wǎng)套2到觸地點(diǎn)的懸鏈線長(zhǎng)度為S1cat，海纜躺地長(zhǎng)度為S1seabed，進(jìn)入護(hù)管中的海纜長(zhǎng)度為S1tube，拖拉網(wǎng)套2到海纜觸地點(diǎn)的水平投影距離為L(zhǎng)ayback1；在t2時(shí)刻，船舶位置為V2，撐桿距離海床的高度為H2bar，拖拉網(wǎng)套2的高度為H2，拖拉網(wǎng)套2到觸地點(diǎn)的懸鏈線長(zhǎng)度為S2cat，海纜躺地長(zhǎng)度為S2seabed，進(jìn)入護(hù)管中的海纜長(zhǎng)度為S2tube，拖拉網(wǎng)套2到觸地點(diǎn)的水平投影距離為L(zhǎng)ayback2(圖5)。

圖5 海纜抽拉各變量關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic of variables relationship for submarine

cable pulling

船位變化增量Δvessel=V2-V1，海纜躺地長(zhǎng)度變化增量Δseabed=S2seabed-S1seabed，拖拉網(wǎng)套2到觸地點(diǎn)的水平投影距離變化增量為Δlayback=Layback2-Layback1，則有

Δvessel=Δseabed+Δlayback

(8)

設(shè)f為自然懸鏈線方程函數(shù)，則可計(jì)算出懸鏈線長(zhǎng)度如下：

S1cat=f(H1,Layback1,ω)

(9)

S2cat=f(H2,Layback2,ω)

(10)

拖拉網(wǎng)套2到觸地點(diǎn)的懸鏈線長(zhǎng)度變化增量為Δcat=S2cat-S1cat=f(H2,Layback2,ω)-f(H1,Layback1,ω)，設(shè)函數(shù)F=f(H2，Layback2，ω)-f(H1，Layback1，ω)，撐桿距離海床的高度變化增量為Δbar=H2bar-H1bar=H2-H1，則有

Δcat=F(H1,Layback1,ω,Δbar,Δlayback)

(11)

進(jìn)入護(hù)管中的海纜長(zhǎng)度變化增量為Δpull=S2tube-S1tube，則有

Δpull+Δcat+Δseabed=0

(12)

根據(jù)以上關(guān)系可以得到抽拉長(zhǎng)度的變化增量關(guān)系表達(dá)式為

Δpull=-F(H1,Layback1,ω,Δbar,

Δlayback)-Δvessel+Δlayback

(13)

2.3 抽拉過程靜、動(dòng)力分析流程及作業(yè)接受標(biāo)準(zhǔn)

在吊機(jī)提拉分析階段，可設(shè)定船舶移位距離和吊機(jī)提拉撐桿高度變化比值約為1∶1，逐步細(xì)化從海床提拉U型彎到指定高度的步驟，開展靜力分析，制定施工靜態(tài)分析步驟。在平臺(tái)抽拉分析階段，根據(jù)抽拉關(guān)系表達(dá)式，編制小程序得到移船、撐桿下放、抽拉速度三者的關(guān)系，制定合適的收放參數(shù)，輸入OrcaFlex模型中。不考慮風(fēng)、浪、流的作用，在時(shí)域中開展抽拉作業(yè)的仿真分析，得到每一步的靜力分析結(jié)果，從而制定抽拉分析階段的靜態(tài)分析步驟。

在上述施工靜態(tài)分析步驟基礎(chǔ)上，判定關(guān)鍵參數(shù)如海纜抽拉軸向張力(此處所述張力指從拖拉網(wǎng)套兩側(cè)的海纜觸底點(diǎn)到平臺(tái)絞車之間的海纜所受軸向張力，該值與平臺(tái)絞車提供的抽拉力相等，后文簡(jiǎn)稱海纜張力)、吊機(jī)鋼絲繩張力、海纜最小彎曲半徑、海纜軸向壓力(海纜在觸底點(diǎn)處所受的壓力)等相關(guān)結(jié)果是否滿足接受標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足則細(xì)化和修改模型，重新開展步驟設(shè)計(jì)和靜力分析。根據(jù)所獲取關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)，識(shí)別確定這兩個(gè)階段的臨界步驟，針對(duì)臨界步驟施加不同海況條件開展動(dòng)力分析，從而獲得提拉和抽拉兩個(gè)階段的最大容許海況。海纜抽拉作業(yè)的接受標(biāo)準(zhǔn)主要包括：①?gòu)埩ο拗茥l件，即海纜張力不得超過海纜最大容許張力，吊機(jī)鋼絲繩提拉張力不得超過吊機(jī)能力，平臺(tái)鋼絲繩抽拉力應(yīng)小于平臺(tái)絞車能力；②彎曲半徑限制條件，即鋪設(shè)時(shí)海纜的彎曲半徑不得小于某限值；③軸向壓力限制條件，即鋪設(shè)時(shí)海纜軸向壓力不得超過某限值[10]。

3 海纜抽拉作業(yè)參數(shù)敏感性分析

3.1 海纜參數(shù)及海況條件

以國(guó)內(nèi)某電纜鋪設(shè)項(xiàng)目中的某一海底電纜為例，其相關(guān)參數(shù)見表1，海纜第二端的J型護(hù)管參數(shù)見表2。動(dòng)態(tài)分析采用規(guī)則波，有義波高為1.5～3.5 m，譜峰周期為4～13s，浪向?yàn)?～180°，海流選擇一年一遇海流數(shù)據(jù)。第二端U型彎設(shè)計(jì)路由見圖6。U型彎中點(diǎn)起始高度為100～105 m，起始點(diǎn)到終點(diǎn)的距離為130 m。海纜甩彎鋪設(shè)設(shè)計(jì)半徑為20 m，撐桿長(zhǎng)6 m，相關(guān)限制條件為：海纜軸向所受最大張力不超過103.9 kN，最小彎曲半徑不超過2.35 m；最大軸向壓力不得超過5 kN。

表1 海底電纜參數(shù)Table 1 Submarine cable parameters

表2 J型護(hù)管參數(shù)Table 2 J-Tube parameters

圖6 U型彎設(shè)計(jì)路由圖Fig.6 U-type loop design

3.2 作業(yè)參數(shù)敏感性分析

平臺(tái)抽拉海纜作業(yè)主要關(guān)注船舶位置變化增量、撐桿高度變化增量與海纜抽拉長(zhǎng)度變化增量間的關(guān)系，使三者滿足相關(guān)操作要求。針對(duì)某工程實(shí)例，開展了參數(shù)敏感性分析，獲取三者的變化關(guān)系，為海纜實(shí)際抽拉作業(yè)提供指導(dǎo)。

對(duì)于海纜抽拉進(jìn)入護(hù)管，根據(jù)抽拉表達(dá)式編制小程序開展模擬研究，得到不同初始狀態(tài)(不同U型彎中點(diǎn)起始高度)下，抽拉過程中海纜抽拉長(zhǎng)度與船舶位置變化及撐桿高度變化的關(guān)系(圖7b)以及不同初始狀態(tài)對(duì)海纜張力安全系數(shù)(最大容許張力/模擬最大張力)和海纜彎曲半徑安全系數(shù)(模擬彎曲半徑/ 最小彎曲半徑)的影響(圖7c)。可以看出，船舶位置變化增量、撐桿高度變化增量、海纜抽拉長(zhǎng)度變化增量三者比值在-1.000∶-1.024∶1.849至-1.000∶-2.985∶3.626之間，不同提拉形態(tài)下三者比值隨之變化，但海纜抽拉長(zhǎng)度變化增量維持在船舶位置變化增量和撐桿高度變化增量之和的-91%左右。可采用該關(guān)系對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行指導(dǎo)，如船舶移動(dòng)5 m，撐桿下放6 m，海纜抽拉長(zhǎng)度變化為-9.9 m。所設(shè)計(jì)的抽拉步驟，海纜彎曲半徑安全系數(shù)維持為2.0～2.3倍，海纜張力安全系數(shù)為7～10，足以滿足作業(yè)要求。

圖7 不同初始狀態(tài)下海纜抽拉作業(yè)關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves of key parameters for submarine cable pulling operation under different initial states

在此基礎(chǔ)上開展了靜力分析，將所得結(jié)果與限制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比(表3)，表明海纜抽拉作業(yè)靜力分析結(jié)果滿足要求。

表3 海纜抽拉作業(yè)靜力分析結(jié)果Table 3 Static analysis results for submarine cable pulling operation

3.3 海況敏感性分析

在靜力分析的基礎(chǔ)上，添加海況條件(波浪采用規(guī)則波，有義波高1.5～3.5 m、間隔0.5 m，波浪周期5～15 s，浪向角0～180°、間隔15°；海水表面流速取0.64 m/s)，并選擇各個(gè)階段的開始和結(jié)束步驟作為臨界步驟，開展海纜抽拉作業(yè)動(dòng)力分析，得到海纜觸底點(diǎn)張力安全系數(shù)、彎曲半徑安全系數(shù)、最大軸向壓力隨海況的變化關(guān)系(圖8)?？梢钥闯?，在抽拉過程中，海纜張力限制條件是恒滿足的，而海纜的彎曲半徑和軸向壓力在30～130°浪向條件下是不滿足的；海纜張力安全系數(shù)和彎曲半徑安全系數(shù)隨著波高增大而降低，而海纜最大軸向壓力則隨著波高增大而增大。因此，為了保證作業(yè)安全，合適的作業(yè)天氣窗口取2.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。

圖8 海纜張力安全系數(shù)、彎曲半徑安全系數(shù)及最大軸向壓力隨海況變化關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves of submarine tension safety factor，bending radius safety factor and maximum axial compression force varies with different sea conditions

4 結(jié)論

針對(duì)撐桿輔助海纜第二端抽拉作業(yè)開展研究，建立了海纜抽拉作業(yè)各變量的基本數(shù)學(xué)關(guān)系式，提出了一套基于撐桿法進(jìn)行海纜平臺(tái)抽拉作業(yè)的分析方法；海纜平臺(tái)抽拉過程關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析表明，海纜張力和彎曲半徑安全系數(shù)隨著波高增大而降低、最大軸向壓力隨著波高增大而增大，進(jìn)而給出了海纜平臺(tái)抽拉作業(yè)的合適天氣作業(yè)窗口建議，即2.5 m有義波高、30°浪向內(nèi)。目前，撐桿輔助海纜第二端抽拉上平臺(tái)的方法已在南海及東海的多個(gè)油氣田得到成功應(yīng)用，該方法還將對(duì)海上浮式風(fēng)電風(fēng)機(jī)平臺(tái)側(cè)大阻力風(fēng)纜的抽拉設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。