深水管道铺设中托管架精细建模及滚轮支撑坐标计算

白 宁

（海洋石油工程股份有限公司）

深水管道铺设中托管架精细建模及滚轮支撑坐标计算

白 宁

（海洋石油工程股份有限公司）

针对深水管道铺设中滚轮支撑坐标难以确定的问题，开发了一种能够建立精细的托管架模型及自动获得最优化的托管架形状和滚轮高度的计算程序。应用结果表明，本文方法能够有效弥补传统管道铺设设计方法的缺陷，大大提高设计效率和可靠性。

深水管道铺设 托管架模型 滚轮支撑坐标 计算程序

在海底管道铺设工程中，S型铺设是一种低成本、高效率的铺设方法[1－4]，其中支撑管线的托管架以及滚轮的设置起着非常重要的作用。尽管最佳的参数设置能够使管道的应力应变最小化，并能显著降低工程成本，然而由于各种原因，通常实际工程中要得到最佳应力应变的作业线最佳设置参数是很困难的。

在海底管道铺设分析中，需要在OFFPIPE等铺管分析软件中输入精确的滚轮支撑坐标来计算管线的应力应变。在浅水管道铺设工程中，得到滚轮支撑坐标以及作业线设置参数的传统方法是采用CAD软件来建立铺管船和托管架的模型，然后手动调整参数（如托管架角度和支撑滚轮高度等），如果所有滚轮都能接触到管线，那么这时作业线的配置参数以及相应的滚轮支撑坐标就能够用到实际施工中。但是在深水管道铺设作业中，由于托管架的结构要复杂得多，通常会由3段甚至4段组成，这时传统的手动调节参数的方式就会失效，得到可用参数非常困难。另外，在浅水管道铺设工程中，管道的应力水平一般大大低于管道钢材的屈服应力，而在深水铺管作业中，管道的应力水平较接近屈服应力，这时保证作业线的形态最优化就变得非常重要。

为了克服传统作业线设置参数调整技术的缺点，笔者开发了一套能够建立精细的托管架模型及自动获得最优化的托管架形状和滚轮高度的计算程序。该程序能够根据用户设定的铺管船模型以及管线弯曲半径快速计算得到各支撑滚轮坐标，并能保证该计算结果为最优。

1 托管架精细模型的建立

为了得到准确的支撑滚轮坐标，必须建立精细的托管架模型，这里所指的托管架模型是广义的，包括船上的张紧器及其之后的作业线部分。

1.1 坐标系定义

铺设中管线有限元模型的坐标如图1所示。在这个坐标系中，X轴是水平的，位于静止的水面上，与管线铺设的方向平行，并且位于管线铺设路径的正上方；Y轴是竖直的，在水面处其坐标为零，在水面上其坐标为正，水面下其坐标为负；船尾板与水面的交点被定义为原点。在本文中，整个问题都是在X－Y平面这个二维系统内进行分析的。

图1 深水管道铺设中管线有限元模型坐标

为了精确描述托管架的结构，考虑到计算的方便，需要在每段托管架上建立局部坐标。这里以托管架段的最左端支撑滚轮柱与上悬杆中线的交点为原点，X坐标轴与上悬杆中线平行，Y轴与上悬杆垂直向上，如图2所示。

图2 深水管道铺设中每段托管架局部坐标

1.2 模型构建

一般来说，托管架是由若干段构成的，段与段之间通过铰接相连。铰接点有可能位于托管架上悬杆（图3），也有可能位于下悬杆（图4）。在本文的研究中，铰接点位于上悬杆和下悬杆在算法上没有任何区别，甚至位于上下悬杆中间也可以。

从支撑滚轮柱的根部到管线的距离由2部分构成，即滚轮高度和滚轮附加高度（图5）。滚轮高度是上悬杆中线到滚轮支撑旋转轴的距离，而附加高度则是从旋转轴到管线的距离。1组滚轮支撑有可能由2个滚轮箱构成，也可能仅由1个滚轮箱构成，只要知道滚轮箱的设计尺寸、管道的外径以及管道的半径，即可根据简单的几何公式求出滚轮高度和附加高度。

图5 深水管道铺设中滚轮箱滚轮高度和附加高度

2 滚轮支撑坐标的计算

2.1 计算流程

在S型铺管施工中，托管架上管道的理想形态是标准圆弧，因此本文计算中把圆弧半径作为输入参数，其目的就是要让滚轮支撑都能贴合这个理想圆弧。计算滚轮支撑坐标的主要思路是：首先根据各个滚轮支撑的滚轮高度范围计算出允许的管线圆弧所处的位置范围，然后选择一个最佳的圆弧位置以及最佳的托管架形态，最后根据此圆弧并通过几何方法计算出滚轮支撑坐标。

在计算过程中，最后需要确定托管架与管线圆弧的相对位置，而只要托管架段之间的铰接点与圆弧的距离确定了，托管架与管线圆弧的相对位置也就确定了。于是，托管架段之间的铰接点（包括托管架与船之间的铰接点）与圆弧的距离是最核心的求解对象。

计算中定义了2个主要的子程序，第一个子程序的功能是根据船上每个支撑滚轮的高度范围计算出一组允许的管线圆弧的水平切点的位置范围，将所有的位置范围叠加后得到最终切点位置范围，进而计算出托管架和船的铰接点与管线的允许距离范围，为下一步计算做准备，其具体计算流程见图6。第二个子程序的功能是根据每个托管架上的滚轮高度范围，计算出每段托管架的两端铰接点与管线圆弧的允许距离范围，为最终选择最优化参数做准备，其具体计算流程见图7。

图6 深水管道铺设中滚轮支撑坐标计算第一子程序流程图

图7 深水管道铺设中滚轮支撑坐标计算第二子程序流程图

这2个子程序定义完成后，就可以通过引用这2个子程序完成所有滚轮支撑坐标的计算。经过2个子程序的计算，就可以在其中选择管线水平切点最偏右的位置作为最佳的管线圆弧位置，因为这可以使托管架末端处的管线角度尽可能大，有利于改善管线的应力分布情况；然后，可以在每个铰接点的允许活动范围内按一定密度截取数个试算点，按照托管架复杂程度不同，很可能试算解会高达数百万个，最后在这些试算解中选择出可以使末端滚轮与管线的接触点尽可能偏下的最佳解，这样有利于降低管线的应力水平；最后，就可以根据几何公式计算出所有滚轮支撑的坐标，同时计算出托管架的形态，包括决定托管架之间角度的连接杆的长度以及每个滚轮的高度。整个计算程序的流程见图8。

图8 深水管道铺设中滚轮支撑坐标整个计算程序的流程

2.2 应用案例

图9 “海洋石油201”的作业线

以海洋石油工程股份有限公司深水铺管船“海洋石油201”铺管为例，如图9所示。选用直径为558.8 mm管线，管线弯曲半径为179 m的情况进行设计，计算作业线的滚轮坐标以及铺管船和托管架最佳设置。应用本文方法计算出的支撑滚轮坐标在表1中列出，铺管船和托管架最佳设置在表2中列出，包括了管线弧与水平线的切点X坐标、三段托管架之间的连接杆长度、三段托管架的上悬杆角度，以及各个滚轮的设置高度。按照表1～2中给出的数据设置铺管船和托管架即可使所有滚轮均接触到管线，并保证末端滚轮Y坐标为最小。

表1 “海洋石油201”作业线支撑滚轮坐标计算结果

表2 “海洋石油201”作业线铺管船和托管架最佳设置

为了验证计算结果的正确性，将计算出的托管架最佳形态、各个支撑滚轮高度以及管线弯曲弧绘制成图10，可以看出，各个滚轮均与管线紧密接触，这充分证明了上述方法的正确性。

图10 计算出的“海洋石油201”作业线的托管架和管线形态

3 结束语

针对深水铺管设计中在滚轮坐标确定以及作业线最佳形态选择方面的局限性，设计了一种通过计算软件自动完成滚轮支撑坐标计算并选择托管架最佳优化参数的方法。应用结果表明，本文方法能够有效弥补传统铺管设计方法的缺陷，大大提高设计效率和可靠性。

[1] 曹晓辉，柳春图，邢静忠.海底管道铺设的力学分析[J].力学与实践，2002，24（4）：19－21.

[2] 郭艳林，梁政.海底管道铺设施工设计分析[J].石油学报，1999，20（4）：83－87.

[3] 龚顺风，何勇，周俊，等.深水海底管道S型铺设参数敏感性分析[J].海洋工程，2009，27（4）：87－95.

[4] 戴英杰，宋甲宗，冯刚.海底管道收弃管作业分析[J].海洋工程，2000，18（3）：75－78.

Precise stinger modeling and roller support coordinate calculation for deep water pipeline laying

Bai Ning
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，CNOOC，Tianjin，300451）

In deep water pipeline laying analysis，exact roller support coordinates are often required but difficult to obtain.A calculation program which can build the precise stinger model and obtain automatically the optimized stinger profile and roller support heights has been developed.The program application result shows that the method in this paper can improve the traditional design procedure effectively and increase design efficiency and reliability obviously.

deep water pipeline laying；stinger model；support coordinate；calculation program

白宁，男，2008年毕业于天津大学化工学院化工过程机械专业，获博士学位，现主要从事海底管道铺设过程中管道力学行为分析研究工作。地址：天津市塘沽区丹江路1078号616信箱海工大厦B座304室（邮编：300451）。E－mail：baining1＠mail.cooec.com.cn。

2011－01－17改回日期：2011－05－16

（编辑：叶秋敏）