基于Orcaflex的海底管道提升出水的動(dòng)態(tài)模擬分析

王偉松

（天津大港油田集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司，天津 300270）

海底管道作為最安全、最便捷、最經(jīng)濟(jì)可靠的海上運(yùn)輸方式，承擔(dān)著輸送石油、天然氣、水或其他液體介質(zhì)的責(zé)任，幾乎不受環(huán)境條件的影響，受到了全球各大石油公司的追捧，自1954年第一條海底管道建成以來(lái)，在當(dāng)今中國(guó)乃至世界范圍內(nèi)，海底管道的鋪設(shè)里程呈現(xiàn)指數(shù)上升的發(fā)展態(tài)勢(shì)，總里程目前已達(dá)十幾萬(wàn)千米。海底管道在正常運(yùn)營(yíng)期間，面臨來(lái)自各個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)，表現(xiàn)在：（1）自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，比如海底土質(zhì)受到水流的侵蝕，導(dǎo)致海底管道下方土壤被掏空而造成的懸跨屈曲，或被硬質(zhì)尖銳物刺穿的風(fēng)險(xiǎn)；（2）人為風(fēng)險(xiǎn)，比如，海面上船舶拋錨或其他墜落物造成對(duì)管線的損傷，或不法分子偷盜石油而故意損壞海底管道；（3）施工風(fēng)險(xiǎn)，如在鋪設(shè)海底管道時(shí)，由于應(yīng)力或應(yīng)變控制不善而導(dǎo)致管線屈曲的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)海底管道遭遇泄漏、屈曲等失效的情況時(shí)，管線修復(fù)工作顯得尤為重要，即將海底管道提升至水面以上，然后，再進(jìn)行管道的修復(fù)工作。本文研究的是如何保證海底管道在提升至水面的過(guò)程中的安全性問(wèn)題。

1 海底管道提升出水的影響因素

1.1 船機(jī)設(shè)備影響

海底管道提升出水時(shí)，一般多采用鋪管船。鋪管船在水中呈現(xiàn)的六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)將直接影響管線的受力狀態(tài)。船體的外觀尺寸、質(zhì)量、慣性矩、重心位置、RAO參數(shù)等均需要考慮在內(nèi)。船體在水流中振蕩時(shí)而受到的力，比如，使船體具備加速度的慣性力、阻尼力，以及使船體恢復(fù)到平衡狀態(tài)的平衡力，都會(huì)直接影響船體不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與幅度。

1.2 自然環(huán)境影響

（1）海水密度。不同的海水密度將對(duì)管線產(chǎn)生不同的浮力，影響管線在水中的姿態(tài)，管線應(yīng)力及應(yīng)變也隨之受到影響，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般只需將海水密度考慮為恒定值，但當(dāng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度要求較高時(shí)，則需考慮不同水深情況下的海水密度變化。

（2）海床土體。海底管道通常是埋置在海床下或裸露放置在海床上，管道與海床土體直接接觸，二者是完全不同的兩種材料，需要注意接觸面的影響。土壤的本構(gòu)關(guān)系是一種非線性彈性關(guān)系，其各個(gè)方向的剛度不盡相同，則管道在土體中的各向位移也不盡相同。另外，海床與管道之間的摩擦力，土體對(duì)管道的黏滯力，都會(huì)影響管線的提升。

（3）作業(yè)水深。作業(yè)水深對(duì)提升的影響是非常大的，當(dāng)作業(yè)水深越深，管道所需提升的高度越高，管道兩端的著泥點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，則管道被提升的總重量和總長(zhǎng)度在不斷增加，管道自身的應(yīng)力和應(yīng)變也在不斷增加。在應(yīng)力及應(yīng)變所允許的范圍內(nèi)，水深較大的區(qū)域采用多點(diǎn)吊裝對(duì)管道進(jìn)行提升出水。

（4）波浪影響。波浪是一個(gè)復(fù)雜的影響因素，在某一海域、某一時(shí)間段內(nèi)，可能存在很多的波浪進(jìn)行疊加、影響。在海底管道被提升出水的過(guò)程中，波浪荷載對(duì)船舶造成六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，管道也隨之不停擺動(dòng)，從而影響管線的受力狀態(tài)和彎曲半徑。與此同時(shí)，提升海底管道的舷吊也隨著船舶發(fā)生升沉，進(jìn)一步影響每個(gè)吊點(diǎn)的負(fù)荷。波浪運(yùn)動(dòng)的劇烈程度直接影響著海底管道提升成功與否的關(guān)鍵。

（5）海流影響。海流是海水在某個(gè)范圍內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)，可應(yīng)用莫里森方程來(lái)計(jì)算某一深度處的海流作用力。當(dāng)縱向來(lái)流時(shí)，管道在提升過(guò)程中基本不會(huì)受到影響，海流影響可以忽略；當(dāng)側(cè)向或橫向來(lái)流時(shí)，管道直接橫在海流中，相當(dāng)于沿著管線長(zhǎng)度方向上施加了一個(gè)均布荷載，對(duì)管道的橫向撓曲變形量影響很大。另外，船舶的橫向位移與管道的橫向變形方向一致，加劇了管道的橫向撓曲變形量，其應(yīng)力值也會(huì)相應(yīng)提高。

（6）風(fēng)荷載的影響。風(fēng)荷載對(duì)管線幾乎無(wú)影響，而對(duì)船舶影響力的大小取決于迎風(fēng)面積和形狀系數(shù)。

1.3 管線自身參數(shù)影響

管線參數(shù)主要包括直徑、壁厚、密度、配重、剛度、楊氏模量、泊松比等內(nèi)容，提升系統(tǒng)首先需要克服的是管線在水中的重量，即空氣中重量減去水中浮力，由管線直徑、壁厚、密度和配重情況決定；另一個(gè)需要克服的是管線的剛度，剛度越大，則管線的抗變形能力越強(qiáng)，提升時(shí)，著泥點(diǎn)的位置也就越遠(yuǎn)，需要提升的管線也就越長(zhǎng)。

1.4 施工方案的影響

施工方案是確保海底管道能夠安全、可靠地提升的關(guān)鍵內(nèi)容，以上所有因素均是編制施工方案時(shí)需要考慮的因素，在綜合因素的影響下，要保證在整個(gè)提升過(guò)程中，管道的每個(gè)截面的應(yīng)力和應(yīng)變值均不超過(guò)規(guī)范要求，必須慎重選擇吊點(diǎn)的位置，必須嚴(yán)格控制舷吊的提升速度，必須做好各個(gè)舷吊的配合。在同等條件下，提升速度慢的管道等效應(yīng)力要比提升速度快的小；提升高度越高，管道應(yīng)力越大；吊點(diǎn)布置得越多越密集，管道應(yīng)力越小。

2 力學(xué)分析理論基礎(chǔ)

2.1 靜態(tài)分析

海底管道的提升出水本是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，但為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，靜態(tài)分析的第一步則需要簡(jiǎn)化力學(xué)模型，自然環(huán)境影響因素能忽略的就忽略，第二步則建立一個(gè)可以通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)外推法公式解決的管道數(shù)學(xué)模型。

2.2 動(dòng)態(tài)分析

靜態(tài)分析在一定程度上簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，因此，它的分析結(jié)果較實(shí)際狀況的受力狀態(tài)值偏小，對(duì)管道的安全性評(píng)估不到位，需要考慮自然環(huán)境的動(dòng)態(tài)因素，如隨著時(shí)間和地點(diǎn)不斷變化的風(fēng)、浪、流等。進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的最廣泛的理論基礎(chǔ)是有限元理論，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是將管線假想切割成一系列的微分單元，以每個(gè)微分單元作為力學(xué)分析的對(duì)象，然后，把眾多的微分單元組合成一個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。目前，有很多海底管道鋪設(shè)分析軟件可以使用，如OFFPIPE、ABAQUS、ORCAFLEX等。

3 采用Orcaflex的管道提升模擬

Orcaflex軟件主要用于分析海洋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及安裝過(guò)程的仿真模擬，具有靈活的建模方式和強(qiáng)大的處理性能，下面將對(duì)有限元模型的創(chuàng)建做簡(jiǎn)單介紹：

（1）作業(yè)船設(shè)置。作業(yè)船作為一個(gè)浮體結(jié)構(gòu)，在水中的六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)直接影響管線的受力狀態(tài)，因此，必須輸入詳細(xì)的船舶參數(shù)。其參數(shù)包括外觀尺寸、質(zhì)量、慣性矩和重心位置等，另外，還需要輸入船體的相應(yīng)幅值，即RAO數(shù)據(jù)。

（2）管線設(shè)置。管線采用line命令進(jìn)行定義，建模時(shí)，管線的長(zhǎng)度要定義長(zhǎng)一些，這樣可以盡可能真實(shí)地模擬管線的受力狀態(tài)。其參數(shù)匯總?cè)绫?。

表1

（3）舷吊設(shè)置。舷吊，即位于作業(yè)船的舷側(cè)用于提升管道的吊車(chē)，一般布置至少有六臺(tái)。在orcaflex軟件中用winch模型進(jìn)行創(chuàng)建，選用長(zhǎng)度控制模式，隨著時(shí)間的推移，慢慢回收鋼絲繩，從而實(shí)現(xiàn)管線的提升。

環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表2。

表2

當(dāng)建模完成并設(shè)置完所有參數(shù)后，先進(jìn)行模型整體靜力分析，當(dāng)靜態(tài)分析收斂完成后，再進(jìn)行整體動(dòng)態(tài)分析，可以輸出想要的計(jì)算結(jié)果。

4 動(dòng)態(tài)分析結(jié)果輸出及解讀

由圖1曲線可以清晰地得知，管線的最大應(yīng)力值為320MPa，根據(jù)DNV OS F101規(guī)范，其應(yīng)力值320MPa＜0.87×45OMPa，滿足規(guī)范要求；管線的最大應(yīng)變值為0.17%，根據(jù)DNV OS F101規(guī)范，其應(yīng)變值0.17%＜0.25%，滿足規(guī)范要求。

圖1 等效應(yīng)力、應(yīng)變曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)使用orcaflex對(duì)管線修復(fù)時(shí)提升出水的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，計(jì)算了提升力和管線的力學(xué)性能參數(shù)，其能真實(shí)反映管道的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，對(duì)今后類(lèi)似的實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義，結(jié)論如下：

（1）Orcaflex中環(huán)境參數(shù)更加完善，其仿真模擬更趨近于真實(shí)情況。

（2）Orcaflex軟件可以模擬舷吊的動(dòng)態(tài)收繩過(guò)程，分析其張力隨著提升高度的變化而變化，更準(zhǔn)確地計(jì)算張力。

（3）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果以圖表的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，更加形象直觀地展示管道的受力狀態(tài)，確保管道自身的安全。