氣囊搬管法搬管過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析

張大朋，白 勇，牛天鑫，朱克強(qiáng)

1.浙江大學(xué)建工學(xué)院，浙江杭州 310058

2.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315211

氣囊搬管法搬管過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析

張大朋1，白 勇1，牛天鑫2，朱克強(qiáng)2

1.浙江大學(xué)建工學(xué)院，浙江杭州 310058

2.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315211

在海底管道鋪設(shè)、維修過(guò)程中，通常采用船舶搬管法對(duì)出現(xiàn)管道偏離原設(shè)計(jì)路由的情況進(jìn)行糾偏，但困難大，風(fēng)險(xiǎn)高，為此提出了一種新的利用氣囊進(jìn)行搬管的方法。結(jié)合某海域具體海況，運(yùn)用OrcaFlex建立了氣囊搬管過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析模型并進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，氣囊安裝位置的管道彎矩、張力都會(huì)有一定驟變；離管道牽引端較近位置的管道張力比較大，管道中間位置張力變化不大，離管道固定端較近位置的管道張力比較小。0°波浪方向或180°海流方向管道的彎矩最大；最大彎矩位于沿管道長(zhǎng)度方向300 m處；波浪和海流方向?qū)艿雷畲髲澗氐挠绊懴啾扔跉饽野惭b位置以及氣囊浮力的影響要小。

海底管道；氣囊搬管；動(dòng)力學(xué)分析；OrcaFlex

海底管道是海洋油氣田開(kāi)發(fā)的生命線。在海底管道鋪設(shè)和維修的施工過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)管道偏離原設(shè)計(jì)路由的情況，為了保證管道的后續(xù)安裝施工順利進(jìn)行，需要把偏離的管道搬回原設(shè)計(jì)路由。目前常用的搬管方法是采用分布數(shù)個(gè)臨時(shí)固定式舷吊提升管道，然后通過(guò)船舶移動(dòng)實(shí)現(xiàn)搬管[1-4]。搬管在海底管道安裝項(xiàng)目中，是施工難度較大和風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高的作業(yè)，往往占用著大量的船舶資源，并且往往制約著整個(gè)項(xiàng)目工期和油田投產(chǎn)時(shí)間。特別是較大位移的搬管項(xiàng)目，傳統(tǒng)海上作業(yè)工作難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、耗時(shí)長(zhǎng)、不確定因素多。為了更好、更安全可靠地完成搬管作業(yè)，需要研究一種搬管的新方法。

本文主要參考某管道相關(guān)參數(shù)，提出了一種新的搬管方法，即利用氣囊搬管；并運(yùn)用OrcaFlex建立了計(jì)算模型，得到初步方案；分析計(jì)算結(jié)果，分析時(shí)需要考慮施工作業(yè)載荷、環(huán)境載荷的影響，得到氣囊搬管方法可施行的海況。本研究工作對(duì)于具體工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

在本算例中管道總長(zhǎng)為500 m，外徑為0.4 m，內(nèi)徑為0.36 m，為控制管道的形態(tài)，不同位置的氣囊體積是不同的，氣囊提供的浮力為各個(gè)位置的氣囊體積與水的密度和重力加速度的乘積，在建模過(guò)程中，用Link單元將氣囊按照事先計(jì)算好的位置及坐標(biāo)與管道相連接。

氣囊具體參數(shù)、布放位置及總體模型示意下文將作介紹。

1 理論模型

1.1 波浪流理論

目前JONSWAP譜已廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，本文采用JONSWAP譜作為波浪理論，其公式為[5]：

式中：S（f）為與頻率相關(guān)的譜函數(shù)，m2·s；α為Philips常數(shù)，無(wú)量綱，可由指定海況的有效波高Hs（m）和波浪平均周期TZ（s）計(jì)算；g為重力加速度，取9.8 m/s2；f為波浪頻率，Hz；fm為峰值頻率，Hz；γ為峰值增強(qiáng)因子，無(wú)量綱；σ為頻帶寬度標(biāo)準(zhǔn)差，m。

1.2 水動(dòng)力理論

由于海底管道為細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，僅考慮波浪作用[2]，可采用修正后的Morison方程計(jì)算管道受到的波浪荷載[6]：

式中：Fw為波浪力，kN；W為排開(kāi)水質(zhì)量，t；aw為水相對(duì)海底加速度，m/s2；Cm為質(zhì)量力系數(shù)，無(wú)量綱；ar為水相對(duì)物體加速度，m/s2；ρ水為海水密度，t/m3；CD為物體拖曳力系數(shù)，無(wú)量綱；Vr為水相對(duì)物體速度，m/s；A為拖曳面積，m2。

管道有效張力的表達(dá)式為[3]：

式中：Te為有效張力，kN；VarTw（ε）為關(guān)于應(yīng)變?chǔ)诺谋诤駨埩瘮?shù)，kN；ν為泊松比，無(wú)量綱；P0、Pi分別為管道的內(nèi)、外壓力，kN/m2；A0、Ai分別為管道內(nèi)、外橫截面面積，m2；EAnom為標(biāo)準(zhǔn)軸向剛度，kN；e為管道的阻尼系數(shù)，m2/s；L0為管道未拉伸長(zhǎng)度，m；L為管道單元初始長(zhǎng)度，m；t為時(shí)間，s；dL/dt為長(zhǎng)度增加速率，m/s；ε為總的平均軸向應(yīng)變，無(wú)量綱；λ為膨脹系數(shù)，無(wú)量綱。

管道彎矩表達(dá)式為[7]：

式中：M為管道彎矩，kN·m；EI為彎曲剛度，kN·m2；｜C｜為管道曲率，rad/m；d｜C｜/dt為曲率變化速率，rad/（m·s）；Db為彎曲阻尼，kN·m2；Dc為彎曲臨界阻尼值，kN·m2。

2 有限元模型

2.1 基本參數(shù)

管道基本參數(shù)和環(huán)境基本參數(shù)見(jiàn)表1和表2。最小屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度均采用API 5L PSL2 X65 SMY規(guī)范值。

表1 管道基本參數(shù)

表2 環(huán)境基本參數(shù)

2.2 管道模型

本文基于凝集質(zhì)量法對(duì)管道進(jìn)行建模。OrcaFlex軟件是將管道看作為一系列連續(xù)Line單元，Line單元只具有質(zhì)量，Line單元之間由無(wú)質(zhì)量彈簧連接，通過(guò)Line單元和彈簧的應(yīng)力-應(yīng)變情況來(lái)反映管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如張力、彎矩等[8-11]。

2.3 氣囊模型

為了避免氣囊提升管道過(guò)程中，由于局部管道張力過(guò)大引起較大彎曲變形，從而產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力導(dǎo)致管道斷裂，采用捆綁多個(gè)氣囊的方法來(lái)分擔(dān)管道張力，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力過(guò)大。3D Buoy單元有3個(gè)自由度，可以承受浮力、拖曳力、重力以及附加質(zhì)量力等外部載荷的作用，模型采用11個(gè)3D Buoy單元模擬氣囊的作用。此外，設(shè)置3D Buoy的體積彈性模量為無(wú)限大，從而保證3D Buoy模擬的氣囊不發(fā)生變形。Winch單元為無(wú)質(zhì)量的虛擬單元，3D Buoy可以通過(guò)Winch單元連接到管道的指定位置。3D Buoy單元模擬氣囊的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 3DBuoy單元模擬氣囊相關(guān)參數(shù)

2.4 模型建立

建立的模型是將管道從偏移路由移回到設(shè)計(jì)路由的過(guò)程，即將管道從A點(diǎn)移到C點(diǎn)，見(jiàn)圖1。管道End B固定，End A與錨鏈a端連接，目標(biāo)位置C安裝絞盤，絞盤與錨鏈b端連接，氣囊將管道浮起后，絞盤回收，將管道拖到目標(biāo)位置C。在OrcaFlex中建立的模型見(jiàn)圖2（為整體坐標(biāo)系，與表3不同）。

圖1 搬管路由

3 結(jié)果分析

為了說(shuō)明波浪方向和海流方向?qū)艿缽澗?、張力的影響，分別建立管道在不同波浪方向、不同海流方向條件下的動(dòng)態(tài)仿真模型，并進(jìn)行分析。

圖2 模型示意

3.1 不同浪向管道彎矩、剪力結(jié)果分析

模型中的海流方向保持180°不變，波浪方向取0°～180°，每隔30°取一個(gè)浪向。

圖3為沿管道長(zhǎng)度方向不同波浪方向下管道彎矩的曲線。圖3中出現(xiàn)峰值的位置為氣囊安裝位置，沿管道長(zhǎng)度方向100、200、300、400 m位置的曲線比較尖，其他位置比較圓滑。產(chǎn)生的原因?yàn)闅饽野惭b位置氣囊浮力對(duì)管道的影響占主導(dǎo)地位，波浪的影響相對(duì)較小。峰值較尖的位置即為氣囊浮力最大的位置。說(shuō)明氣囊浮力對(duì)彎矩分布具有較大的影響。觀察圖3可知，氣囊安裝位置的彎矩會(huì)產(chǎn)生較大變化，搬管作業(yè)時(shí)應(yīng)對(duì)此位置予以加強(qiáng)。

圖3 不同浪向下管道彎矩分布

圖4為沿管道長(zhǎng)度方向管道最大張力和最大彎矩曲線分布。從圖4可以看出，張力值均為正值，說(shuō)明管道處于拉伸狀態(tài)。管道的最大張力值，除了管道的首尾端，基本保持一個(gè)特定值（最大張力值約為46 875 kN），變化幅度并不是很大。進(jìn)一步觀察圖4可知，管道長(zhǎng)度在0～50 m位置之間時(shí)，最大張力逐漸降低，因?yàn)檫@段長(zhǎng)度離牽引端較近，錨鏈對(duì)管道起主導(dǎo)作用，氣囊作用較小。End A與錨鏈連接，當(dāng)絞盤回收錨鏈時(shí)，該位置瞬間產(chǎn)生拉力，因此該處張力最大。之后，錨鏈和絞盤對(duì)管道的影響逐漸減小，因此管道的最大張力也逐漸減小。管道長(zhǎng)度位于50～400 m位置，由于錨鏈和絞盤對(duì)管道的影響很小，最大張力基本趨于平緩。管道長(zhǎng)度位于400～500 m位置，由于End B固定，對(duì)管道起到束縛作用，離End B越遠(yuǎn)，束縛作用越小，因此張力逐漸減小。觀察圖4可知，氣囊安裝位置的張力會(huì)產(chǎn)生驟變，且在大氣囊安裝位置的驟變比較顯著。

圖4 管道最大張力和最大彎矩曲線分布

最大張力取47 100 kN，計(jì)算可得最大抗拉強(qiáng)度為374.8 MPa，小于極限抗拉強(qiáng)度531 MPa，滿足管道強(qiáng)度要求。

由圖4可以看出，最大彎矩產(chǎn)生在沿管道長(zhǎng)度方向300 m處。分析圖4可知，不同方向波浪作用下，當(dāng)波浪方向?yàn)?°時(shí)，管道的彎矩最大，說(shuō)明順浪對(duì)管道的彎矩影響較大，并且此時(shí)管道受到的內(nèi)力、外力以及管道的變形都很大，因此應(yīng)避免在此浪向下進(jìn)行搬管作業(yè)。此外，對(duì)沿管道長(zhǎng)度方向300 m處的管道應(yīng)予以加強(qiáng)。

3.2 不同流向管道張力、彎矩結(jié)果分析

模型中的波浪方向保持180°不變，海流方向取0°～180°，每30°取一個(gè)流向。

圖5為不同海流方向下沿管道長(zhǎng)度方向管道彎矩分布。圖6為沿管道長(zhǎng)度方向管道最大彎矩和最大張力圖。圖5、6與圖3、4曲線趨勢(shì)分別基本相同，說(shuō)明海流方向的變化對(duì)管道的影響相對(duì)較小，波浪方向的改變對(duì)管道牽拉過(guò)程中的影響占主導(dǎo)地位。

圖5 不同流向管道彎矩

圖6 管道最大張力和最大彎矩

4 結(jié)論

（1）氣囊安裝位置的管道彎矩、張力都會(huì)有一定驟變，因此管道作業(yè)過(guò)程應(yīng)予以特殊考慮，以便保證作業(yè)安全；離管道牽引端較近時(shí)管道的張力比較大，管道中間位置張力變化不大，離管道固定端較近時(shí)管道的張力比較小。

（2）波浪方向不同時(shí)，0°方向管道的彎矩最大；海流方向不同時(shí)，180°方向管道的彎矩最大；最大彎矩發(fā)生在沿管道長(zhǎng)度方向300 m處，對(duì)此位置的管道，在進(jìn)行設(shè)計(jì)以及作業(yè)時(shí)應(yīng)著重考慮。

（3）波浪和海流方向?qū)艿雷畲髲澗氐挠绊懴啾扔跉饽野惭b位置以及氣囊浮力的影響要小。

[1]邊大勇，杜穎，劉建峰，等.海底埋設(shè)管線平管起吊運(yùn)動(dòng)分析[J].船舶工程，2015，37（12）：92-95.

[2]李盼，王曉飛，甘惠良，等.起管和搬管工藝的改進(jìn)與應(yīng)用[C]//第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（上）.北京：海洋出版社，2011：617-620.

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[11]張大朋，朱克強(qiáng).不同浪向下大型回轉(zhuǎn)式起重船回轉(zhuǎn)起吊作業(yè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，47（5）：128-134.

Dynamic analysis of submarine pipeline moving with airbags

ZHANG Dapeng1，BAIYong1，NIU Tianxin2，ZHU Keqiang2
1.College of CivilEngineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China
2.Faculty of Maritime and Transportation，Ningbo University，Ningbo 315211，China

In submarine pipeline laying and maintenance，the method utilizing ships to move the pipeline deviating from its design route is often applied.But this method has big difficulty and risk.Combined with the specific sea conditions of a certain sea area，a new method of moving submarine pipeline with airbag is put forward and the dynamic analysis model is established by the nonlinear finite element software OrcaFlex.According to the calculation results，the bending moment and tension at the pipeline positions of installing airbags have rapid changes；the tension near the pipeline towing end is bigger，the tension at the pipeline middle position has less variation，the tension near the pipeline fixing eng is smaller.The pipeline maximum bending moment occurs along 0°or 180°wave direction and at the pipeline distance of 300 m.The influence of wave and current directions on pipeline maximum bending moment is less than the influence of airbag installation position and buoyancy.

submarine pipeline；pipeline moving with airbag；dynamic analysis；OrcaFlex

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.003

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（IRT0734）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11272160）。

張大朋（1987-），男，山東聊城人，助理研究員，2017年春季浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程專業(yè)博士在讀，主要研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)物動(dòng)態(tài)響應(yīng)。Email：1214265737@qq.com

2017-06-10