管道終端舷側(cè)安裝動(dòng)態(tài)分析

王 猛， 孫國(guó)民

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

在深海油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，管道終端(pipeline end terminal, PLET)是常用的水下設(shè)施。PLET安裝方法包括管道鋪設(shè)時(shí)在作業(yè)線同步安裝和船舶舷側(cè)安裝等。舷側(cè)安裝是將對(duì)預(yù)先鋪設(shè)的管道回收至舷側(cè)懸掛后，在舷側(cè)的管道處理系統(tǒng)(pipeline handling system, PHS)上與PLET焊接，通過(guò)船舶移位和纜繩釋放協(xié)同作業(yè)，將管道和PLET回鋪至海床設(shè)計(jì)位置。相較于管道在線鋪設(shè)安裝，舷側(cè)下放可安裝更大尺寸和重量的PLET。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道結(jié)構(gòu)物安裝進(jìn)行了研究。尹漢軍等[1]對(duì)水下PLET各安裝步驟進(jìn)行了分析，動(dòng)力效應(yīng)通過(guò)動(dòng)力放大系數(shù)(dynamic amplification factor, DAF)計(jì)算；邢廣闊等[2]對(duì)管道在線鋪設(shè)安裝進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)變發(fā)生在PLET與管道連接位置；林秀娟等[3]研究了波流聯(lián)合作用下水下采油樹(shù)下放過(guò)程中的關(guān)鍵因素；龔銘煊等[4]建立了波浪、海流和平臺(tái)位移的共同作用下的水下采油樹(shù)安裝力學(xué)模型。余志兵等[5]采用頻域方法對(duì)PLET在線安裝進(jìn)行了分析；Luis[6]介紹了在委內(nèi)瑞拉灣惡劣海況下采用浮筒進(jìn)行PLET在線安裝的方法。

本文對(duì)PLET舷側(cè)安裝過(guò)程進(jìn)行研究，并建立了耦合系統(tǒng)的時(shí)域計(jì)算模型。對(duì)懸掛狀態(tài)和下放過(guò)程進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，以確定影響管道強(qiáng)度的主要因素。

1 PLET舷側(cè)安裝方法

PLET功能要求決定其結(jié)構(gòu)形式、尺寸和重量等。在一般情況下，PLET由防沉板、主結(jié)構(gòu)、Yoke、吊耳等組成，其中主結(jié)構(gòu)包括閥門(mén)、管道、結(jié)構(gòu)框架等。南海某項(xiàng)目的PLET如圖1所示。

圖1 管道終端Fig.1 Pipeline end terminal

舷側(cè)安裝主要施工設(shè)備為管道處理系統(tǒng)(PHS)，如圖2所示。PHS上設(shè)有固定框架，用于固定PLET。

在下放前，PLET重量由固定框架承受。PLET與管道焊接后下放，重量全部轉(zhuǎn)移至A/R纜。PHS的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移由液壓系統(tǒng)控制，可調(diào)整PLET位置以便保證與管道對(duì)接焊時(shí)的對(duì)口精度。

圖2 管道處理系統(tǒng)Fig.2 Pipeline handling system

舷側(cè)的懸掛平臺(tái)和懸掛管卡用于懸掛回收的管道。PLET和管道的對(duì)接工作在懸掛平臺(tái)上完成。管卡采用管領(lǐng)形式，通過(guò)液壓控制打開(kāi)或關(guān)閉，管卡也可獨(dú)立調(diào)整位置和角度，以調(diào)整管道和PLET對(duì)接焊時(shí)的對(duì)口精度。

通過(guò)PHS和船舶側(cè)推協(xié)同作業(yè)，安裝過(guò)程主要分為三步：管道回收、管道與PLET對(duì)接和系統(tǒng)下放。安裝工序如下：

(1) 回收預(yù)先鋪設(shè)在海床上的管道至舷側(cè)，懸掛于PHS的卡子上。

(2) 吊裝PLET并將其固定在PHS上。

(3) 管道與PLET焊接，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)防腐涂敷。

(4) 如需要，在Yoke上連接浮力塊。打開(kāi)懸掛管卡和PLET固定機(jī)構(gòu)，管道和PLET重量全部轉(zhuǎn)移至A/R纜。

(5) 外推PHS并釋放A/R纜，船舶側(cè)推進(jìn)，開(kāi)始下放。PLET和管道的下水過(guò)程由ROV進(jìn)行監(jiān)控。

(6) 系統(tǒng)繼續(xù)下放直到PLET到達(dá)預(yù)定位置上方，控制下放速度并緩慢將PLET放置于海床。

回收預(yù)鋪設(shè)管道時(shí)，管頂無(wú)結(jié)構(gòu)物。通過(guò)分析確定合理的懸鏈線形態(tài)，管道應(yīng)力可滿足規(guī)范要求，該工序不是安裝的關(guān)鍵工序。由于PLET重量比管道單位重量重(如南海某項(xiàng)目PLET水下重是管道單位水下重的489倍)，對(duì)接后管道的管頂彎曲剛度、邊界條件以及動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生變化。此外，從施工的時(shí)間考慮，與PLET對(duì)接的管道一般為冶金復(fù)合管。管道和PLET焊接采用自動(dòng)焊機(jī)，焊接工藝要求高，焊接時(shí)間相對(duì)于普通碳鋼管較長(zhǎng)，南海某項(xiàng)目管徑為219.1 mm，管道與PLET焊接用時(shí)近6個(gè)小時(shí)；加上焊縫檢驗(yàn)和涂敷時(shí)間接近24個(gè)小時(shí)。管道與PLET對(duì)接后，管頂彎曲剛度發(fā)生變化(可認(rèn)為是剛性固定)。開(kāi)始下放后，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷不同水深，波流載荷隨水深變化。因此對(duì)接后系統(tǒng)的懸掛狀態(tài)和下放過(guò)程是兩個(gè)主要工序。本文考慮管道與PLET焊接后的工序過(guò)程，研究管道系統(tǒng)懸掛狀態(tài)和下放過(guò)程的管道強(qiáng)度問(wèn)題。

2 計(jì)算模型

2.1 動(dòng)力方程

系統(tǒng)動(dòng)力方程如下：

M(p，a)+C(p，v)+K(p)=F(p，v，t)

(1)

式中：M(p，a)為系統(tǒng)慣性力；C(p，v)為系統(tǒng)阻尼力；K(p)為系統(tǒng)剛度；F(p，v，t)為外部載荷；p，v和a分別為位移、速度和加速度；t為時(shí)間。

根據(jù)PLET的結(jié)構(gòu)形式，可將其近似為塊體；對(duì)于帶防沉板的PLET，可考慮為兩個(gè)塊體，以提高計(jì)算精度。其受到的水動(dòng)力按Morison方程計(jì)算。

(2)

式中：Cm為慣性力系數(shù)；Ca為附加質(zhì)量系數(shù)，Ca=Cm-1,按DNV-RP-C205[7]表6.2計(jì)算，計(jì)算時(shí)需將垂直流速方向的截面近似為正方形；Δ為流體置換PLET體積質(zhì)量；af為流場(chǎng)加速度；ab為PLET加速度；ρ為流體密度；Cd為拖曳力系數(shù)；A為拖曳力面積；vr為PLET與流場(chǎng)相對(duì)速度。

2.2 邊界條件

PLET與管道對(duì)接后，管頂彎曲剛度、邊界條件以及動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生變化。PLET重量、剛度與管道相差較大。南海某項(xiàng)目中PLET重約60 t，彎曲剛度可將管頂彎曲剛度近似為無(wú)限大。

施工船舶的運(yùn)動(dòng)應(yīng)在動(dòng)態(tài)分析中予以考慮。本文使用幅值響應(yīng)算子(response amplitude operator， RAO)來(lái)計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)。

海床考慮為彈性土壤模型，法向和剪切剛度均取100 kN/m/m2進(jìn)行計(jì)算。

3 PLET安裝分析

3.1 模型參數(shù)

本文使用OrcaFlex軟件對(duì)南海某項(xiàng)目的PLET安裝過(guò)程進(jìn)行時(shí)域分析。在該項(xiàng)目中，管道外徑為219.1 mm， PLET總重為60 t，作業(yè)水深為745 m，其他模型參數(shù)如表1所示，波散布圖和90%超越概率流速如圖3和圖4所示。

表1 模型參數(shù)

(續(xù)表)

圖3 波散布圖

Fig.3 Wave scatter diagram

圖4 流速曲線Fig.4 Current velocity profile

3.2 懸掛分析

3.2.1 靜態(tài)分析

靜態(tài)模型不考慮波流載荷和船舶運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。靜態(tài)分析的目的是確定PHS的傾斜角度、A/R纜張力、管頂張力和彎矩等以及影響管道強(qiáng)度的主要因素。靜態(tài)計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算表明當(dāng)PHS傾斜角度為20°時(shí)，管頂彎矩最小。管道彎矩和管道有效軸力分別如圖6和圖7所示，管道的最大彎矩出現(xiàn)在觸地區(qū)。

圖5 靜態(tài)模型Fig.5 Static model

表2 懸掛靜態(tài)分析結(jié)果

圖6 管道彎矩Fig.6 Bend moment along pipeline

圖7 管道軸力Fig.7 Effective force along pipeline

影響管道靜態(tài)強(qiáng)度的主要因素包括PHS的傾斜角度、PLET重心位置以及PLET與A/R纜連接形式(吊耳或Yoke)等；由于假設(shè)管頂彎曲剛度無(wú)限大，應(yīng)找到適宜的PHS傾斜角，使管頂彎矩達(dá)到最??；在一般情況下，PLET重心不在其幾何中心，這是由于PLET主結(jié)構(gòu)上閥門(mén)、管道、結(jié)構(gòu)鋼等無(wú)法完全對(duì)稱布置，而PLET重心與管道重心不共面，會(huì)在管頂產(chǎn)生附加彎矩；如PLET采用吊耳連接A/R纜，由于吊耳和管道共軸，對(duì)管頂附加彎矩較小。如采用Yoke吊裝，通常Yoke旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與管道不同軸，管頂附加彎矩較大。

對(duì)PHS傾角、Yoke旋轉(zhuǎn)點(diǎn)和PLET偏心等影響管道強(qiáng)度的因素進(jìn)行敏感性分析，以確定各因素對(duì)管道強(qiáng)度的影響程度。以靜態(tài)分析中的模型為基本工況，PHS傾角變化±2°和±1°，Yoke旋轉(zhuǎn)點(diǎn)相對(duì)于管軸線偏移±0.2 m， PLET偏心±0.2 m，計(jì)算結(jié)果如表3所示。可以看出，PHS傾角和Yoke旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置對(duì)管頂彎矩影響相對(duì)較大，PLET偏心對(duì)管頂彎矩影響相對(duì)較小。管道彎矩分布發(fā)生變化，最大值出現(xiàn)在管頂。在靜態(tài)工況下，管頂軸力主要由管重決定，對(duì)PHS傾角和PLET結(jié)構(gòu)形式的變化不敏感。

表3 靜態(tài)敏感性分析結(jié)果

3.2.2 動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析的目的是確定可施工的環(huán)境條件窗口期。將波的離散角取30°,保守考慮波流共向。計(jì)算結(jié)果如表4所示，從結(jié)果可以看出，在波向/流向?yàn)?20°時(shí)，管道應(yīng)力已超過(guò)許用強(qiáng)度。對(duì)應(yīng)的有義波高為2.5，譜峰周期為9 s。分析船舶RAO在120°方向，船舶橫搖(見(jiàn)圖8)峰值周期為9.186 s，與波周期很接近，船舶橫搖幅值幾乎達(dá)到峰值，使管道受力顯著地增加。

表4 懸掛狀態(tài)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果

圖8 船舶橫搖幅值-120°方向Fig.8 Roll Amplitude of vessel at 120° direction

3.2.3 下放分析

下放過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，A/R纜釋放和船舶側(cè)移協(xié)同作業(yè)，以保證管道懸鏈線狀態(tài)可控。對(duì)下放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，需把整個(gè)過(guò)程離散為若干個(gè)安裝步，對(duì)每個(gè)離散步進(jìn)行靜態(tài)分析。篩選靜態(tài)分析結(jié)果，選擇控制工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。本文將下放過(guò)程離散為15個(gè)安裝步，如圖9所示。

圖9 下放過(guò)程安裝步Fig.9 Lowering step

A/R纜釋放速度和船舶側(cè)移需要進(jìn)行初步計(jì)算，以確定每個(gè)安裝步中船舶的側(cè)推位移。在南海某項(xiàng)目中，A/R纜釋放速度約為0.1～0.15 m/s。通過(guò)靜態(tài)分析找到適宜的船舶側(cè)推速度。本文取A/R纜下方速度為0.12 m/s，當(dāng)船舶側(cè)推速度為0.11 m/s時(shí)，A/R纜張力曲線如圖10所示?？梢钥闯?，纜繩張力逐漸減小，整體平滑，存在兩次突變，分別為第3個(gè)離散步t=187 s時(shí)，由于PLET受到浮力作用，張力發(fā)生突變；第15個(gè)離散步t=7 136 s時(shí)，PLET放置在海床后，纜繩張力完全釋放。

圖10 A/R纜張力Fig.10 A/R wire tension

下放過(guò)程的靜態(tài)分析結(jié)果如表5所示。A/R纜累計(jì)釋放長(zhǎng)度為883 m，船舶累計(jì)側(cè)移為800 m。安裝步中的第1、第4和第14安裝步分別為開(kāi)始下放、PLET入水后和PLET近海床。這三個(gè)安裝步是下放階段中的關(guān)鍵工況。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算結(jié)果如表6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在第4個(gè)安裝步中，管道強(qiáng)度接近許用強(qiáng)度值。這是由于PLET完全入水后，波流和船體運(yùn)動(dòng)對(duì)PLET施加載荷最大，PLET運(yùn)動(dòng)傳遞至管道導(dǎo)致的。在第14個(gè)安裝步中，觸底區(qū)管道的最小軸力最小。這是由于隨著PLET接近海床，懸掛段管道長(zhǎng)度較短，PLET運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致管道出現(xiàn)軸向壓力。過(guò)大的管道軸向壓力，可能會(huì)引起管道屈曲。因此，可通過(guò)優(yōu)化PLET重量、減小其水動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)幅值并適當(dāng)增大A/R纜的張力等方法，避免管道出現(xiàn)軸向壓力。如表6所示，在第14步，船舶單步位移修改為120 m后，管道觸地區(qū)最小軸力為正。

表5 下放過(guò)程靜態(tài)分析

表6 下放過(guò)程動(dòng)態(tài)分析

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)PLET舷側(cè)安裝過(guò)程的研究，建立了耦合系統(tǒng)時(shí)域分析模型。對(duì)管道懸掛狀態(tài)和下放過(guò)程的計(jì)算表明：

(1) PHS的傾斜角度、PLET重心位置以及PLET與A/R纜連接形式(吊耳或Yoke)是影響管頂彎矩的主要因素。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)找到適宜的PHS傾斜角、降低PLET偏心程度以及Yoke旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與管軸的偏移距離，以減少靜態(tài)下管頂附加彎矩，使管道能承受更高的環(huán)境載荷。

(2) PLET舷側(cè)下放對(duì)船舶的橫搖敏感。在波流斜向作用下，當(dāng)波浪周期與船舶橫搖周期接近時(shí)，管道受力顯著增加。因此，安裝過(guò)程中應(yīng)避免在該海況下施工。

(3) 系統(tǒng)剛?cè)胨畢^(qū)，由于波流載荷和船體運(yùn)動(dòng)作用顯著，是整個(gè)下放過(guò)程的關(guān)鍵區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，管道受力明顯高于深水區(qū)。

(4) PLET接近海床時(shí)，管道懸掛段長(zhǎng)度較短，PLET運(yùn)動(dòng)對(duì)管道強(qiáng)度影響顯著。應(yīng)確保A/R纜張力足夠，避免由于PLET運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致管道出現(xiàn)軸向壓力。