海洋石油201水下管匯在線安裝極限能力評估

高　爽，孟祥偉，孫友義，劉巍巍，湯　珂，倪明晨，王　軍，王法承

(1.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029；2.海洋石油工程股份有限公司 安裝公司，天津 300452；3.中海石油(中國)有限公司 北京研究中心，北京 100028)

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專題研究

海洋石油201水下管匯在線安裝極限能力評估

高爽1，孟祥偉2，孫友義3，劉巍巍1，湯珂1，倪明晨1，王軍1，王法承1

(1.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029；2.海洋石油工程股份有限公司 安裝公司，天津 300452；3.中海石油(中國)有限公司 北京研究中心，北京 100028)

水下管匯在線安裝是指將水下管匯、海底管道終端、三通等結(jié)構(gòu)物在鋪管船作業(yè)線上與管道連接，并隨管道通過托管架安裝到海底的過程。結(jié)合海洋石油201船特性，根據(jù)其幾何限制、能力極限條件及管道強度要求等，針對水深、管徑、結(jié)構(gòu)物濕重及長度對海洋石油201船的水下管匯在線安裝的極限能力進(jìn)行評估，并形成極限能力包絡(luò)線。采用OrcaFlex通用有限元軟件，分析過程分為裸管分析、關(guān)鍵位置篩選分析、詳細(xì)靜態(tài)分析以及結(jié)果后處理。已知設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括水深、管道外徑和壁厚、水下管匯長度和濕重，通過查閱海洋石油201船的水下管匯在線安裝能力包絡(luò)線，對水下管匯的安裝方案做出預(yù)判，為工程實踐提供參考。

水下管匯；在線安裝；鋪管船；極限能力評估

海洋石油201船(以下簡稱HYSY201)是一艘深水動力定位雙層甲板鋪管起重船，作業(yè)水深可達(dá)3 000 m，滿足DP2/DP3要求，船艉裝有4 000 t主起重機，可鋪設(shè)?152.4～?1 524 mm(6～60 in)管道，總體技術(shù)水平和作業(yè)能力在國際同類工程船舶中處于領(lǐng)先地位。

水下管匯安裝方法可分為絞車安裝法、月池安裝法、滑輪安裝法、懸垂安裝法以及在線安裝法等5種方法。其中，絞車安裝法和在線安裝法適用于HYSY201。對于尺寸較大以及質(zhì)量較重的結(jié)構(gòu)物適合采用絞車安裝法，即通過吊機與絞車的聯(lián)合作業(yè)對結(jié)構(gòu)物實施安裝；對于尺寸較小、質(zhì)量較輕的結(jié)構(gòu)物通常適合在線安裝方法，即在鋪管船作業(yè)線上將結(jié)構(gòu)物與下放管道連接就位，并連同管道通過托管架鋪設(shè)到海底[1-2]。

水下管匯的在線安裝是一個復(fù)雜的力學(xué)問題，涉及結(jié)構(gòu)物與管道、托管架、浮筒以及吊機等的相互作用。本文擬對HYSY201的水下管匯在線安裝能力進(jìn)行評估，并形成水下管匯在線安裝能力包絡(luò)線，可為工程項目實施提供指導(dǎo)。

1　分析流程與方法

HYSY201水下管匯在線安裝能力的評估流程如圖1所示，可分為4個階段。

圖1　海洋石油201船的水下管匯在線安裝能力評估流程圖

1)階段一。裸管鋪設(shè)能力分析[2-3]。根據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括常用管道參數(shù)集?152.4～?1 524 mm(6～60 in)、水深參數(shù)集(300～3 000 m)與HYSY201相關(guān)技術(shù)參數(shù)。對裸管進(jìn)行壓潰分析及正常鋪設(shè)分析，生成對應(yīng)水深允許鋪設(shè)的最大管徑及相應(yīng)最小壁厚的裸管能力參數(shù)集。

2)階段二。水下管匯與管道關(guān)鍵位置篩選分析。根據(jù)階段一篩選后的裸管能力集合及水下管匯參數(shù)集，建立管道與水下管匯耦合模型，通過準(zhǔn)靜態(tài)分析識別耦合模型在完整鋪設(shè)過程中易發(fā)生破壞的關(guān)鍵位置。

3)階段三。水下管匯與管道靜態(tài)分析。采用與階段二相同的裸管能力集合，將水下管匯放置在關(guān)鍵位置，對耦合模型進(jìn)行靜態(tài)分析，確定不同水深工況下允許水下管匯在線安裝的能力參數(shù)集，即當(dāng)水深、管道參數(shù)(外徑和壁厚)已知，評估允許在線安裝的水下管匯參數(shù)(長度和濕重)限值。

4)階段四。結(jié)果后處理和生成能力包絡(luò)線。對水下管匯與管道靜態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行后處理，最終生成海洋石油201船的水下管匯在線安裝能力包絡(luò)線。

2　計算模型

通過OrcaFlex軟件模擬水下管匯在線安裝過程中水下管匯與管道、托管架、浮筒以及吊機等的相互作用，并進(jìn)行相應(yīng)力學(xué)分析。OrcaFlex分析模型如圖2所示。在船體上，采用shape單元模擬支撐存放管道的甲板。通過win單元連接鋪管船模擬張緊器的放管過程。管道和水下管匯通過托管架安裝到海底，忽略托管架幾何結(jié)構(gòu)，采用support類型模擬輥輪，托管架半徑為定值。當(dāng)水下管匯在托管架上時，需要定義外加載荷來模擬吊機力；當(dāng)水下管匯離開托管架時，被釋放的浮筒用來抵消水下管匯重力并抑制管道旋轉(zhuǎn)。浮筒和水下管匯采用6D buoy單元進(jìn)行模擬。

水下管匯形式各異，為使評估過程具有廣泛的指導(dǎo)意義，對數(shù)值模型采用如下的簡化假設(shè)：

1)忽略水下管匯底部到管道底部的垂直偏移。

a　水下管匯處于托管架上(吊機力扶正)

b　水下管匯離開托管架(浮筒扶正)

2)假設(shè)管道接頭與管道同徑，抗彎剛度取為5×106kN·m2。

3)假設(shè)水下管匯中心線與管道軸線同軸。

管道結(jié)構(gòu)采用line單元進(jìn)行模擬，管道材料屬性如表1所示，考慮材料的非線性。

表1　管道材料參數(shù)

水下管匯簡化為長方體結(jié)構(gòu)，僅考慮結(jié)構(gòu)物的幾何尺度及有效濕重。由于HYSY201托管架寬度方向的尺寸限制，結(jié)構(gòu)物寬度取為1.5 m；高度取為3 m。結(jié)構(gòu)物長度是影響在線安裝的重要因素，由于結(jié)構(gòu)物剛度遠(yuǎn)大于相連管道，與托管架半徑作用會產(chǎn)生幾何位移，使管道與結(jié)構(gòu)物連接端產(chǎn)生較大的彎矩。結(jié)構(gòu)物長度為4～12 m，濕重力為100～800 kN。

3　裸管鋪設(shè)能力分析

為評估HYSY201水下管匯在線安裝的極限能力，首先應(yīng)對裸管鋪設(shè)極限能力進(jìn)行評估，即確定在不同水深(300 m～3 000 m)工況下，允許鋪設(shè)管道的最大外徑及對應(yīng)最小壁厚。

1)裸管壓潰分析。

根據(jù)DNV-OS-F101規(guī)范[5]，管道任意點處的外壓應(yīng)滿足式(1)要求：

(1)

式中：pe為外部壓力；pmin為最小內(nèi)壓；γm為材料抗力系數(shù)，取1.5；γsc為安全等級抗力系數(shù)，取1.04；pc(t1)為壓潰壓力特征值，取1.04。

2)裸管正常鋪設(shè)分析。

基于DNV-OS-F101規(guī)范[5]的簡化鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裸管正常鋪設(shè)分析。對于上彎段需滿足表2中X65鋼標(biāo)準(zhǔn)I要求，即應(yīng)變結(jié)果(包含彎曲應(yīng)變、軸向應(yīng)變以及局部輥輪載荷引起的應(yīng)變)小于0.250%。

表2　簡化鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(上彎段)

下彎段及托管架尖端處管道應(yīng)力需滿足式(2)的要求，即小于390 MPa。

σeq<0.87·fy

(2)

式中：fy為鋼材的屈服強度。

通過上述兩步分析確定不同水深工況下，允許鋪設(shè)裸管的最大外徑及對應(yīng)最小壁厚的能力集合如表3所示。

表3　裸管篩選能力參數(shù)集

4　水下管匯與管道關(guān)鍵位置篩選分析

通過準(zhǔn)靜態(tài)分析，對水下管匯與管道關(guān)鍵位置進(jìn)行篩選。首先在計算模型中賦予船舶行進(jìn)速度，近似模擬真實鋪管工況，并記錄整個鋪設(shè)過程中管道易發(fā)生破壞的關(guān)鍵位置。其中，上彎段管道主要受托管架彎曲變形的幾何位移控制，對于承受縱向壓應(yīng)變(包括彎矩和軸力引起的應(yīng)變)和外壓的上彎段管道任意橫截面需滿足DNV-OS-F101規(guī)范[5]位移控制工況DCC(Displacement controlled condition)要求，即DCC校核值≤1.0；下彎段管道主要承受彎矩、有效軸向力和外壓荷載屬于荷載控制情況，下彎段管道任意橫截面應(yīng)滿足DNV-OS-F101規(guī)范[5]載荷控制工況LCC(Load controlled condition)要求，即LCC校核值≤1.0。因此，關(guān)鍵位置記錄即為對DCC校核值和LCC校核值出現(xiàn)峰值位置的識別。

1)上彎段關(guān)鍵位置。

不同水深工況下上彎段管道準(zhǔn)靜態(tài)分析DCC校核值結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，水下管匯每經(jīng)過一個輥輪位置，將產(chǎn)生一個峰值；對于每一水深工況，水下管匯經(jīng)過每個輥輪處形成的峰值相近。由于托管架半徑為定值，理想情況下，經(jīng)過托管架半徑的彎曲應(yīng)變?yōu)槎ㄖ怠Ｒ虼松蠌澏翁庩P(guān)鍵位置取在托管架弧度中點輥輪處。

圖3　上彎段DCC校核值-時間曲線

2)下彎段關(guān)鍵位置。

圖4所示為1 000 m水深工況下下彎段管道準(zhǔn)靜態(tài)分析LCC校核值結(jié)果。從圖中可以看出，下彎段關(guān)鍵位置出現(xiàn)在距離泥面約1 m處。其他水深工況均可得到相同的結(jié)論。

圖4　下彎段LCC校核值-水深曲線(1 000 m水深工況)

5　水下管匯與管道靜態(tài)分析

基于準(zhǔn)靜態(tài)分析識別出的兩處關(guān)鍵位置，采用與階段二相同的裸管能力集合，將水下管匯放置在關(guān)鍵位置，對耦合模型進(jìn)行靜態(tài)分析，確定不同水深工況下允許水下管匯在線安裝的能力參數(shù)集。

以水深1 000 m，托管架半徑125 m，管道外徑558.8 mm(22 in)、壁厚24 mm的工況為例。表4為水下管匯長度為4 m時，對應(yīng)水下管匯濕重100～800 kN的敏感性結(jié)果。由于吊機和浮筒的輔助作用，計算結(jié)果對水下管匯的濕重并不敏感，其他水下管匯長度工況可以得到相同結(jié)論。表5為水下管匯濕重為100 kN，對應(yīng)水下管匯長度4～12 m的結(jié)果。由于水下管匯剛度遠(yuǎn)大于相連接管道剛度，當(dāng)水下管匯長度方向與托管架弧度接觸會在水下管匯兩端產(chǎn)生位移差，并導(dǎo)致管道應(yīng)變增大，水下管匯長度越長，管道應(yīng)變增大越顯著，當(dāng)水下管匯長度達(dá)到6 m時，558.8 mm(22 in)管道DCC校核值將達(dá)到1.0。

表4　水下管匯濕重敏感性分析結(jié)果

表5　水下管匯長度敏感性分析結(jié)果

6　結(jié)果后處理和生成能力包絡(luò)線

水深-管徑-水下管匯長度極限能力參照表6，其中“×”表示此參數(shù)組合工況不適合在線安裝；“√”表示此參數(shù)組合工況適合在線安裝。理論上，水下管匯濕重在100～800 kN，已知水深、管道外徑，水下管匯長度滿足表6要求，水下管匯均可以安全的在線安裝。

表6　水深-管徑-水下管匯長度極限能力參考值

海洋石油201船水下管匯在線安裝能力包絡(luò)線如圖5所示。粗實線為裸管能力包絡(luò)曲線，粗實包絡(luò)線上以及以下各點(水深，管道外徑)，表示該工況下裸管可以安全鋪設(shè)；細(xì)標(biāo)記線為不同水深，管徑-水下管匯長度能力包絡(luò)曲線，細(xì)標(biāo)記包絡(luò)線上及以下各點(管道外徑，水下管匯長度)，表示該工況下水下管匯可以安全在線安裝。

圖5　海洋石油201船的水下管匯在線安裝能力包絡(luò)線

以500 m水深，558.8 mm(22英寸)管徑，水下管匯長度8 m為案例說明能力包絡(luò)線的使用方法。首先，根據(jù)水深、管徑參考圖6判斷裸管的安裝能力，數(shù)據(jù)點(500 m，558.8 mm)在粗包絡(luò)線下部陰影區(qū)域，判定500 m水深，558.8 mm(22英寸)管徑裸管可以鋪設(shè)；第2步，根據(jù)水深、管徑、水下管匯長度參考圖7判斷水下管匯在線安裝能力，數(shù)據(jù)點(558.8 mm，8 m)在500 m水深包絡(luò)線以下陰影部分，判定500 m水深、558.8 mm(22英寸)管徑、水下管匯長度8 m的情況下，水下管匯可以在線安裝。

圖6　裸管能力判斷

圖7　水下管匯與管道在線安裝能力判斷

7　結(jié)論

結(jié)合海洋石油201船特性，通過多參數(shù)敏感性分析對海洋石油201船的水下管匯在線安裝能力進(jìn)行了評估，形成了多參數(shù)能力參照表及包絡(luò)線。對于已知設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括水深、管道外徑和壁厚、水下管匯長度和濕重的情況下，可以查閱海洋石油201船水下管匯在線安裝能力包絡(luò)線，對水下管匯的安裝方案做出預(yù)判，從而在工程項目初始階段起到指導(dǎo)作用。

[1]葉茂，段夢蘭，徐鳳瓊，等.S-lay型和J-Lay型鋪管船的功能擴(kuò)展研究[J].石油礦場機械，2014，43(2)：7-14.

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[5]Offshore Standard DNV-OS-F101[S].Norway：Det Norske Veritas，2010.

HYSY 201 Work Capacity Assessments on In-Line Manifold Installation

GAO Shuang1，MENG Xiangwei2，SUN Youyi3，LIU Weiwei1，TANG Ke1，NI Mingchen1，WANG Jun1，WANG Facheng1

(1.COTEC，Beijing 100029，China；2.Install Company，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China；3.CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China)

In-line manifold installation means that manifold，PLET or in-line Tee is connected to pipeline on the fireline and then installed by stinger to seabed.Combined with characteristics of HYSY 201，within its geometry limitation，capacity limitation and strength capacity of pipeline，capacity assessment on in-line manifold installation is carried out，and then capacity envelope curve is generated about water depth，diameter of pipeline，wet weight and length of in-line manifold，provided reference for engineering practice.OrcaFlex software is adopted.Analysis procedure includes pure pipeline analysis，critical position screening analysis，detailed static analysis and results post process.Based on given design basic data including water depth，diameter and wall thickness of pipeline，wet weight and length of in-line manifold，by referring to capacity envelope curve，the installation schemes of subsea manifold can be estimated.

subsea manifold；in-line installation；pipe-laying barge；capacity assessment

1001-3482(2016)05-0001-07

2015-11-03

工業(yè)信息化部海洋工程裝備科研項目“水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)”(E-0813C003)

高爽(1984-)，女，吉林長春人，碩士研究生，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，主要從事海洋工程海管結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計工作，E-mail：sgao@cotecinc.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.001