受限海域海底管道S型起始鋪設(shè)安裝分析

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.002

摘" " 要：為了在狹窄的碼頭邊緣進行海底管道鋪設(shè)，需要借助錨樁和碼頭系纜柱進行起始錨點的布設(shè)。結(jié)合某新建海底管道，研究了錨點位置、張緊器張力對管道響應(yīng)的影響。結(jié)果顯示：錨點位置對管道起始鋪設(shè)響應(yīng)的影響不明顯，張緊器張力對錨點拉力影響顯著。通過計算分析得出：該新建海底管道在起始鋪設(shè)過程中上彎段和垂彎段的最大應(yīng)力滿足要求，使用系數(shù)小于0.87，最大彎曲應(yīng)變小于0.205%；局部屈曲校核系數(shù)小于1，靜態(tài)起始鋪設(shè)分析滿足規(guī)范要求，滿足起始鋪設(shè)施工要求。

關(guān)鍵詞：海底管道；起始鋪設(shè)；受限海域；錨點；系纜柱；張緊器

Abstract：To lay the Marine pipe on the narrow edge of the wharf， it is necessary to lay the initial anchor points with the help of anchor piles and wharf tie posts. Based on a newly-built offshore pipeline， the influence of anchor position and tensioner tension on pipeline response was studied. The results show that the response of the anchor position to the initial laying of the pipeline is not obvious， while the tension of the tensioner has a significant effect on the tensile force of the anchor point. According to calculation and analysis， during the process of initial laying， the maximum stresses of the upper and lower bending sections met the requirement with a use coefficient lower than 0.87 and a maximum bending strain lower than 0.205%. With a local buckling check coefficient lower than 1， static initial laying analysis meets the code requirement and construction requirement of initial laying.

Keywords：subsea pipeline; initial laying; restricted sea area; anchor point; tie up pillar; tensioner

近年來海底管道建設(shè)速度較快，尤其是南海地區(qū)，海底管道密集程度逐年增加[1]。海底管道作為重要輸送設(shè)施，鋪設(shè)里程和復雜程度不斷上升，對鋪設(shè)過程已有大量的研究[2-4]。沿海石化區(qū)較多的已建設(shè)施使得新建海底管道的鋪設(shè)難度增加，海底管道起始鋪設(shè)海域受限。在受限海域鋪設(shè)海底管道，一般先要進行系泊錨樁的布置和起始鋪設(shè)錨點的設(shè)置，然后進行鋪設(shè)作業(yè)。如果鋪設(shè)錨點位置與管道路由存在偏差，還需用纜繩進行角度調(diào)節(jié)。作業(yè)的復雜程度增高，對施工天氣窗口的要求也增高。

本文以某新建海底管道為例，分析并計算管道起始鋪設(shè)過程，研究了起始鋪設(shè)錨點位置、張緊器張力對管道響應(yīng)的影響，形成了受限海域海底管道起始鋪設(shè)安裝技術(shù)，可為后續(xù)類似工程提供一定借鑒。

1" " 起始鋪設(shè)數(shù)值模型

1.1" " 管道模型

在海底管道S型起始鋪設(shè)過程中，管道的起始管頭與起始纜相連接，隨著鋪管船向前移船，管道從作業(yè)線上的張緊器伸出，經(jīng)過托管架向下彎曲到達海床，完成起始鋪設(shè)，此時管道整體為S型[5-7]?；诤Ｑ蠊こ逃嬎丬浖﨩FFPIPE，建立管道有限元模型。

某新建海底管道采用帶混凝土配重層的單層管結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)見表1。

1.2" " 管道與滾輪相互作用

本文采用中油海101船（見圖1）進行管道鋪設(shè)。該船托管架為桁架結(jié)構(gòu)，其上有多個滾輪組，每個滾輪組以一定的距離分布在托管架上。每個滾輪組對管道呈V 字形支撐，建立管道與托管架接觸數(shù)值模型。

在數(shù)值計算時，需要判斷管道是否與托管架滾輪發(fā)生接觸。如果管道與滾輪不發(fā)生接觸，則管道在該時刻不受滾輪支撐作用；如果管道與滾輪發(fā)生接觸，則分別沿著管道和滾輪接觸面垂直方向施加一對作用力，假定該對作用力的合力與管道和滾輪的接觸變形成正比，相應(yīng)的表達式為：

式中：K1和K2分別為管道和滾輪的接觸剛度，d為管道和滾輪中心點之間的距離，r1和r2分別為管道和滾輪的半徑。

1.3" " 受限海域起始錨

根據(jù)起始鋪設(shè)要求，一般需要300 m以上起始錨距離，而某新建管道起始位置距馬鞭洲碼頭較近，處于受限海域，無法滿足常規(guī)起始鋪設(shè)要求。

起始錨布置如圖2所示：在馬鞭洲碼頭附近設(shè)置2個錨點，將系纜樁與錨樁同時作為起始錨點，用鋼絲繩將起始錨分別與錨樁、系纜樁相連接，通過控制鋼絲繩的長度來確保管頭位置位于新建管道路由的KP0點。其中，起始鋪設(shè)中使用的錨纜長度為18 m，與管端拖管頭相連接。

1.4" " 軟件介紹

采用OFFPIPE 軟件進行分析，計算鋪設(shè)靜態(tài)條件下海底管道上各節(jié)點的應(yīng)力分布情況。OFFPIPE是目前應(yīng)用廣泛的海底管道安裝操作模擬及結(jié)構(gòu)分析軟件，可對海管安裝操作過程中的非線性問題進行求解。

OFFPIPE主要功能包括：支持眾多鋪管船及鋪管架構(gòu)型，可對鋪管進行2-D和3-D靜態(tài)和動態(tài)分析，包括常規(guī)鋪管、J型鋪管等；支持起始鋪設(shè)、終止鋪設(shè)、管道回收等場景的分析；可計算不規(guī)則海底情況下管道應(yīng)力、變形和跨越；可進行針對常規(guī)立管安裝和海底管口等的舷吊分析。

2" " 起始鋪設(shè)計算分析

2.1" " S型起始鋪設(shè)

鋪管船起始鋪設(shè)見圖3。S型起始鋪設(shè)的應(yīng)力主要集中在兩個區(qū)域，即上彎段和垂彎段。一般來講，上彎段起于張緊器沿鋪管船坡道、托管架掛鉤和托管架滾輪直到管道剖面拐點，越過拐點，管道倒轉(zhuǎn)彎曲直到其接近海床，形成垂彎段。

上彎段的管道應(yīng)力主要由鋪管船上的滾輪和托管架托輥控制，將鋪管船滾輪和托管架滾輪調(diào)至合適高度從而降低上彎段管道應(yīng)力。垂彎段應(yīng)力受分離高度、分離點管道張力、上彎段管道曲率和管道參數(shù)控制，調(diào)節(jié)鋪設(shè)過程中的張力，使垂彎段趨平，彎曲應(yīng)力減小。

2.2" " 受限海域工況

根據(jù)該新建海底管道所在南海某海域的海底管道路由調(diào)查勘測報告，起始鋪設(shè)處最大水深為10 m，故危險情況按10 m水深選?。豢紤]管道起始鋪設(shè)階段管體內(nèi)部空間未進水，故其狀態(tài)按照空管狀態(tài)進行計算。

采用正常鋪設(shè)分析確定的托管架角度、管道各支撐滾輪高度和中油海101鋪管船參數(shù)，對管道起始鋪設(shè)進行計算分析。選擇合適的張緊器張力、托管架角度，以保證起始鋪設(shè)過程中管道的應(yīng)力滿足要求。

3" " 分析與討論

3.1" " 計算結(jié)果

為了直觀地理解受限海域S型起始鋪設(shè)過程中鋪設(shè)長度及張緊器張力對管道整體響應(yīng)的影響，每根海管長度按12 m考慮，從出托管架0根到9根，共108 m；張緊器張力選取見表2，最初為140 kN，按每增加一根海管增加20 kN，最終穩(wěn)定在260 kN。通過改變鋪設(shè)管道的長度，計算管道在起始鋪設(shè)10個工況下的管道形態(tài)、滾輪支撐力、彎矩、張緊器張力、米賽斯綜合應(yīng)力、應(yīng)變等響應(yīng)，以確定管道在鋪設(shè)過程中的狀態(tài)。

利用OFFPIPE軟件對上述工況下管道的響應(yīng)進行模擬，結(jié)果如圖4所示。高程視圖下的管道形態(tài)在上彎段幾乎沒有變化，但在穿過托管架后隨著管道鋪設(shè)長度的增加，管道開始產(chǎn)生縱向位移。管道觸泥點位置從棄管頭觸泥開始，隨著鋪設(shè)長度的增加從船尾-105.4 m增加到-128.3 m，增幅達21.7%。起始鋪設(shè)過程中，管道與滾輪發(fā)生相互作用，滾輪給管道提供支撐力，可以看出在張緊器位置，支撐力隨著鋪設(shè)過程先減小后增大，從453.2 kN減小到378.2 kN，后緩慢增加到380.5 kN。管道的彎矩在上彎段基本保持不變，而垂彎段到觸泥區(qū)變化較大，從64.5 kN?m增至3 751.2 kN?m，增幅高達58倍，可見觸泥區(qū)是管道發(fā)生彎曲變形的重要區(qū)域。張緊力的變化導致管道軸向拉力變化較大，張緊器張力從140 kN增加到260 kN，錨點拉力從90.2 kN增加到170.6 kN，增幅為89.1%，由此可以得出：張緊器張力對管道軸向拉力影響較大，最終影響到錨點拉力。

通過調(diào)節(jié)滾輪及托管架角度，使得管道上彎段的應(yīng)力及應(yīng)變略大于垂彎段和觸泥區(qū)，可看出，起始鋪設(shè)管道上彎段最大米塞斯應(yīng)力從230.5 MPa增加到269.1 MPa，增加了16.7%。觸泥區(qū)最大米塞斯應(yīng)力隨著鋪設(shè)長度的增大而顯著增大，從5.4 MPa增加到191.7 MPa，增幅顯著，達35.5倍。同理，上彎段最大應(yīng)變從0.131%增加到0.153%，增加了16.8%，觸泥區(qū)應(yīng)變則從0.003%增加到0.109%，增幅高達36.3倍。觸泥區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變隨著起始鋪設(shè)長度的增加而顯著變化，需要在安裝分析過程中重點分析。

根據(jù)管道及纜繩起始鋪設(shè)有效拉力可以得出，在起始鋪設(shè)過程中，隨著鋪管長度增加，張緊器張力從140 kN增加到260 kN，纜繩連接錨點位置的有效拉力增大到最大值，為170.6 kN。本文認為后續(xù)繼續(xù)鋪管過程管道整體狀態(tài)穩(wěn)定，錨點有效拉力小于170.6 kN。

已知系纜樁與管道路由角度偏差為10?，錨點拉力變化范圍90.2～170.6 kN。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮將錨鏈及錨點簡化為平面，利用平面三角函數(shù)可求得與系纜樁相連鋼絲繩的拉力（最小為60.6 kN，最大為114.6 kN）。

3.2" " 管道校核

3.2.1" " 管道強度校核

管道起始鋪設(shè)過程中，受彎矩、有效軸力和外壓作用影響，強度應(yīng)滿足規(guī)范要求，一般采用《 Rules for Submarine Pipeline Systems》（DNV-1981）、《Submarine Pipeline Systems》（DNV-OS-F101：2017）規(guī)范，鋪設(shè)時管道強度校核公式為：

式中：N為軸向力，A為管道截面積，M為彎距，W為管道截面模量，σy為環(huán)向應(yīng)力，σF為最小屈服強度，η為使用系數(shù)。

校核驗收準則為：上彎段，最大應(yīng)變?yōu)?.205%；垂彎段，最大等效應(yīng)力（Von-Mises）為0.87倍的最小屈服應(yīng)力。根據(jù)管道強度校核公式，得到管道強度校核結(jié)果（見表3），上彎段最大應(yīng)變均小于0.205%，垂彎段使用系數(shù)均小于0.87，故管道強度滿足起始鋪設(shè)施工要求。

3.2.2" " 管道局部屈曲校核

在起始鋪設(shè)過程中，特別是由彎曲應(yīng)力引起的管道徑向局部屈曲尤為顯著，故除了管道強度校核，應(yīng)對管道起始鋪設(shè)過程中重點區(qū)域進行局部屈曲校核。根據(jù)DNV-1981規(guī)范進行校核，公式為：

式中：σx為軸向應(yīng)力（壓應(yīng)力為正），σxcr為僅有軸向應(yīng)力時管道產(chǎn)生徑向屈曲的臨界值，ηxp為軸向應(yīng)力產(chǎn)生徑向屈曲的臨界值，σy為由管道內(nèi)外壓差產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，σycr為僅有環(huán)向應(yīng)力時管道產(chǎn)生徑向屈曲的臨界值，ηyp為環(huán)向應(yīng)力產(chǎn)生徑向屈曲的臨界值。

本文分析的管道局部屈曲應(yīng)滿足校核公式要求，局部屈曲校核驗收準則為：校核系數(shù)μ＜1。

根據(jù)局部屈曲校核公式，得到管道局部校核結(jié)果（見表4），校核系數(shù)均小于1，故管道局部不會發(fā)生屈曲，滿足起始鋪設(shè)施工要求。

4" " 結(jié)論

1）新建海底管道在起始鋪設(shè)過程中上彎段和垂彎段的最大應(yīng)力滿足要求，使用系數(shù)η小于0.87，最大彎曲應(yīng)變小于0.205%；局部屈曲校核系數(shù)小于1，靜態(tài)起始鋪設(shè)分析滿足規(guī)范要求；海底管道在起始鋪設(shè)過程中張緊器張力需要緩慢增大，初始為140 kN，此后每增加一根海管增加20 kN，最終穩(wěn)定在260 kN。

2）隨著張緊器張力增加，管道軸向拉力增幅顯著，張緊器張力對管道軸向拉力影響較大，進而影響錨點拉力。觸泥區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變隨著起始鋪設(shè)長度增加而顯著變化，需要在安裝分析過程中重點分析。

3）起始鋪設(shè)過程中，系纜樁錨點所受最大拉力為114.6 kN，而系纜樁設(shè)計拉力為550 kN，校核系數(shù)小于0.5，安全余量充足，可滿足起始鋪設(shè)使用。

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作者簡介：程培亮（1996—），男，山東壽光人，2024年畢業(yè)于中國石油大學（華東）石油與天然氣工程專業(yè)，碩士，主要從事海底石油管道施工與技術(shù)工作。Email：chengpl.cpoe@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-09-05；修回日期：2024-11-13