水下PLEM的安裝計算分析

尹漢軍， 付劍波， 蘇 鋒， 張 凡， 陳 偉， 白 勇

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.浙江大學， 杭州 310058)

水下PLEM的安裝計算分析

尹漢軍1， 付劍波1， 蘇 鋒1， 張 凡2， 陳 偉2， 白 勇2

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.浙江大學， 杭州 310058)

由于海上油氣處理設(shè)施距水下生產(chǎn)設(shè)施較遠，故需采用管道終端(PLEM)來進行管道的回接，即需要結(jié)合管線終端(PLEM)在管道兩端搭載連接系統(tǒng)。該文通過對安裝過程和關(guān)鍵位置進行的靜態(tài)分析和動態(tài)計算，分析比較了在不同海況和不同計算模型下，計算結(jié)果所受到的影響，同時根據(jù)分析結(jié)果為PLEM的水下安裝提出了優(yōu)化方法，從而為后期工程施工起到指導作用。

管道終端；靜態(tài)分析；動態(tài)計算；實際施工

0 引言

由于海底油氣開采的地理位置離現(xiàn)有的水下結(jié)構(gòu)越來越遠，因此優(yōu)先考慮利用海底接頭與現(xiàn)有深海管道提供備用的輸送能力，這就需要結(jié)合管線終端PLEM在管道兩端搭載連接系統(tǒng)。在管道起始部位的PLEM稱作始端PLEM，而安裝在管道終止位置的PLEM稱作終端PLEM，終端PLEM裝有扼套使其可繞管道中心線PLEM的重心轉(zhuǎn)動。PLEM的目的是將安裝結(jié)構(gòu)與海底組件相連，并將其吊裝在設(shè)計位置，PLEM不僅能在吊裝時承受安裝荷載，并且當失效發(fā)生時能夠保證結(jié)構(gòu)的恢復。

1 PLEM安裝計算分析

PLEM的安裝與管道安裝類似，用于開始鋪管的PLEM稱為始端PLEM安裝，管線鋪設(shè)完畢后連接的PLEM稱為末端PLEM安裝。無論哪種安裝方法，PLEM 安裝都是在管道連接與纜繩的聯(lián)合作用下實現(xiàn)的，對于始端PLEM安裝由于涉及到管道的鋪設(shè)，因此需要根據(jù)不同類型的鋪管船(S型鋪管與J型鋪管)對PLEM安裝分別進行分析，因此計算較為復雜。為便于計算分析，對PLEM安裝做出如下假設(shè)[1]：

(1) 在整個安裝過程中，不考慮纜繩和管道的軸向變形；

(2) 在安裝過程中視PLEM為剛性結(jié)構(gòu)因此不會發(fā)生變形；

(3) 纜繩與PLEM 受到風的作用忽略不計；

(4) 不計算運動補償作用。

對于PLEM安裝的每個相關(guān)階段，一般必須對以下方面進行分析：(1)纜繩最大(小)張力；(2)PLEM所受最大載荷；(3)管道最小彎曲半徑；(4)管道最大(小)張力；(5)管道最大彎矩。如果是末端PLEM安裝，還需要計算絞車纜繩排放(縱向、橫向誤差)。

1.1 終端PLEM安裝計算分析

終端PLEM即為鋪管終點的終端裝置，通常情況下終端PLEM在A&R接頭和鋼繩的作用下完成安裝，一般設(shè)計為防沉板被管道固定，主結(jié)構(gòu)部分可繞防沉板支架進行轉(zhuǎn)動。根據(jù)主要安裝過程可將終端PLEM安裝分為四個階段計算分析:船上倒置與吊運、水面上與管道焊接后下放、下放階段、落地階段。終端PLEM安裝示意圖如圖1所示。

圖1 終端PLEM安裝示意圖

圖2 終端PLEM安裝船上倒置計算分析圖

(1) 船上倒置與吊運

利用起重機將PLEM吊起倒置，并移至懸掛框架。設(shè)起重機吊點距甲板高度Hc，PLEM支點距離甲板高度Hsu，起重機吊點O距PLEM支點Q水平距離為SOP。建立原坐標系XYZ，坐標原點位于起重機吊點O， PLEM軛的端部到防沉板另一端長度為lplem，PLEM端點(非纜繩連接點)與支持點距離為lsu。簡化模型如圖2所示。

模型中的主要荷載為鋼纜自重、PLEM自重以及由船舶運動產(chǎn)生的附加荷載。開始提升時與停止提升時由于受到壓緊力作用，動力效應可以通過動力放大系數(shù)DAF進行計算：

(1)

(2)

式中：DAF為動力放大系數(shù)；mplem=myoke+mval+mmat，為PLEM在空氣中重量；myoke,mval,mmat分別為PLEM上軛、管道接口、防沉板在空氣中重量。

當PLEM下放開始瞬間或突然停止下放時，PLEM受到壓緊力作用，特征總力為：

(3)

式中：Fsnap為PLEM受到的壓緊力。

管道上端固定在懸掛框架上，下端鋪設(shè)在海底。設(shè)總水深為，懸掛框架距水面距離FH，管道與懸掛框架連接處設(shè)為A點，在A點建立局部坐標系XAYAZA(如圖3所示)。

圖3 階段一管道靜態(tài)計算分析圖

水面下的管道受到波浪、流的聯(lián)合作用，因此管道軸力的大小會產(chǎn)生相應的變化。由于波浪水流隨水深分布不均勻，因此該文采用有限元劃分的辦法。

在XAYAZA坐標系中，假設(shè)AB段管道長度為LAB，管道固定于懸掛框架方向為θA-O，則A點沿XA軸、YA軸、ZA軸方向力的大小如下：

(4)

將波浪、流作用力的方向沿XA軸與YA軸分解，計算管道各結(jié)點i在局部坐標系中受到XA軸與YA軸的環(huán)境荷載大小(與水深有關(guān))為：

(5)

(6)

式中：FD-i-x、FD-i-y分別為X、Y方向上管道受到的波浪、流的拖曳力[2]；FM-i-x、FM-i-y分別為X、Y方向上管道受到波浪、流的慣性力。

圖4 階段二模型動態(tài)計算示意圖

(2) 水面上與管道焊接后下放

當PLEM與管道焊接完成后將PLEM釋放入水中，以O(shè)為原點建立整體坐標系XYZ，計算模型如圖4所示。水域總水深為Dw，吊點距甲板垂直距離為HC，甲板距水面距離為HD，故吊點距水面距離為HC+HD。

對OB纜繩、PLEM、管道部分在局部坐標系中的坐標以及結(jié)點軸力進行循環(huán)計算：

(7)

(8)

E點受到Y(jié)E軸方向拉力大小為:

(9)

(3) 下放階段

在水中下放PLEM過程中由鋼纜牽拉住PLEM，將PLEM拉入指定位置，同時PLEM保持與管道的連接。整個過程PLEM 以及管道、纜繩會受到波浪、流的環(huán)境荷載作用。

計算時需要考慮到PLEM、纜繩受到荷載作用，計算方法參考水面上與管道焊接后下放計算部分。

(4)落地階段

一般情況下，PLEM設(shè)備連接時下放速度應小于1 m/s，在PLEM安裝期間PLEM與海床之間的撞擊力必須加以考慮。

根據(jù)參考文獻[4]，當PLEM坐放至海底時，PLEM會和海底產(chǎn)生撞擊，最大撞擊力為：

(10)

(11)

式中：νip為撞擊前PLEM下放速度；k為系統(tǒng)等效剛度；kplem為PLEM剛度；kseabed為海床剛度。

此時管道軸力最大點位于管道頂端：

(12)

(13)

1.2 始端 PLEM 安裝計算分析

始端PLEM即為鋪管起始點的終端裝置，由于安裝后需要繼續(xù)進行鋪管作業(yè)，PLEM一般設(shè)計為防沉板被水平牽拉固定，主結(jié)構(gòu)部分可繞防沉板支架進行轉(zhuǎn)動。從而在鋪管過程中隨管道鋪設(shè)主結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)動直至接觸防沉板。根據(jù)主要安裝過程，將始端PLEM安裝分為水面上吊運與下放階段、PLEM淹沒階段、落地階段三個階段計算分析。PLEM 安裝過程如圖5所示。

圖5 始端PLEM安裝示意圖

(1) 水面上吊運與下放階段

將PLEM焊接至管道首端，PLEM另一端連接至鋼纜，開始下放PLEM，簡化模型如圖6所示。

圖6 階段一靜態(tài)計算分析示意圖

若為S型鋪管A點為管道與托管架脫離點，為J型鋪管，則A點即為管道與斜道的脫離點[4]；O點為纜繩與水下錨樁的連接點，在計算中將錨樁簡化為一個點，忽略錨樁對纜繩計算的影響。B點為纜繩與安裝船絞車之間的連接點，C點為管道與PLEM的連接點，D點為纜繩與 PLEM 的連接點。以O(shè)點為原點建立三維直角坐標系，模型中的主要荷載為管道自重、PLEM自重、由船舶運動產(chǎn)生的附加荷載、纜繩對PLEM的拉力。由于PLEM未入水，故PLEM和管道均沒有受到波浪、流環(huán)境荷載的影響[3]，只有纜繩受到環(huán)境荷載影響。動力效應可以通過動力放大系數(shù)DAF進行計算；

(14)

(15)

式中：DAF為動力放大系數(shù)；mplem為PLEM在空氣中的重量。 之后勻速下放PLEM，此時：

(16)

當PLEM下放開始瞬間或突然停止下放時PLEM受到壓緊力作用，特征總力為：

(17)

式中：Fsnap為PLEM受到的壓緊力。

由于OB、OC段纜繩有部分浸入水中，故需要對結(jié)構(gòu)進行動態(tài)分析，每段的具體計算如圖7所示。

圖7 動態(tài)計算分析示意圖

將波浪、流作用力沿X軸與Y軸分解，計算纜繩各結(jié)點i在整體坐標系中受到X軸與Y軸方向上的環(huán)境荷載大小(與水深有關(guān))為：

(18)

(19)

式中：FD-i-x、FD-i-y分別為X、Y方向上纜繩受到的波浪、流的拖曳力；FM-i-x、FM-i-y分別為X、Y方向上纜繩受到波浪、流的慣性力。

需要注意的是AC段最后一個單元，需要將其簡化為AE段，θA為已知，通過式(20)～式(21)即可計算出TAX-s和TA：

(20)

(21)

(2) PLEM淹沒階段

在水中下放PLEM，安裝過程中由鋼纜牽拉PLEM，將PLEM拉入指定位置，同時連接管道保證PLEM與海床的距離。整個過程PLEM以及管道會受到波浪、流的環(huán)境荷載作用。

計算時需要考慮到PLEM、管道受到荷載作用，計算方法參考水面上吊運與下放階段動態(tài)計算部分，需要計算PLEM 與管道受到的環(huán)境荷載作用。

(3) 落地階段

一般情況下，PLEM設(shè)備連接時下放速應小于1 m/s，在PLEM安裝期間，PLEM與海床之間的撞擊力必須加以考慮。根據(jù)參考文獻[4]，當PLEM坐放至海底時，PLEM會和海底產(chǎn)生撞擊，最大撞擊力與終端PLEM安裝時一致。

此時管道軸力最大點位于管道頂端：

(22)

(23)

2 結(jié)束語

通過對PLEM在所述各工況條件下的計算分析，使PLEM能很好地完成下放、安裝任務(wù)，并且能將管線應變和應力控制在較小范圍之內(nèi)。分析了不同海況、不同計算模型對計算結(jié)果的影響，對后期實際工程施工起到很好的參考作用。

[1] DNV. Environmental conditions and environmental loads[S]. 2007.

[2] Tawancy H M, Luai M. AI-Hadhrami. Failure analysis of a welded outlet manifold pipe in a primary steam reformer by improper selection of materials[J]. Engineer Failure Analysis， 2009，16(3): 816-824

[3] 龔明煊，劉再生，段夢蘭等. 深海水下采油樹下放安裝過程分析與研究[J]. 石油機械，2013,41(4): 50-54.

[4] Bai Yong. Subsea engineering handbook[J]. Elsevier Science, 2010.

Calculation and Analysis of Subsea PLEM Installation

YIN Han-jun1， FU Jian-bo1， SU Feng1， ZHANG Fan2， CHEN Wei2， BAI Yong2

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd. Tianjin 300451, China; 2.Zhjiang University, Hangzhou 310058, China)

Far from underwater structure due to the seabed oil and gas engineering, pipeline terminals (PLEM) is adopted to improve the pipeline tieback, this would require the combination of line terminal PLET carry on both ends of the pipe connection system. Installation process and the key position for the static analysis and dynamic calculation, analysis and comparison for different sea condition, the influence of different calculation model on the calculation results, and gives some guidance to the conclusion that the late have very good reference effect of actual engineering.

Pipe line End Manifold; Static analysis; Dynamic calculation; Actual construction

2013-11-25; 修改稿收到日期： 2014-03-19

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05027-004)。

尹漢軍(1973-)，男，高級工程師。

1001-4500(2014)04-0041-05

TE93

A