深水海底管道铺设托管架模型试验研究

伊才颖，王 琮，赵冬岩

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

随着海洋石油开发不断向深海发展，对海底管道铺设深度的需求也不断增加，S型铺管法因其铺设效率高已成为目前深水海底管道铺设中最常用的方法之一［1］。对S型管道铺设分析，已有的研究成果主要是针对海底悬链线进行分析［2-3］、基于Newton法的有限差分法求解管道铺设微分方程［4］，以及考虑海底为弹性地基时的有限元分析［5］；实验方面，分别为水池模型实验［6］与管线铺设的干式实验［7］。

由船—托管架—管线组成的大系统共同完成铺设作业，托管架在这一系统中起到了关键性的作用。由于深水托管架结构及运动形态的复杂性和特殊性，无法进行准确的数值模拟，使托管架的设计与分析有许多不确定因素。探索深水托管架物理模型试验是研究其结构机理、机构运动响应载荷分布效果的重要手段之一。

我国深水铺管船托管架的设计理论、设计方法还不完善。不论是面向管线结构，还是面向托管架本身结构的设计与分析都有许多不确定的因素。当前，国外深水托管架设计主要是采用数值分析的方法。由于托管架结构所受载荷的复杂性、不确定性，数值分析手段只能在一定程度上预测管线与托管架的力学行为。因此，为保证已建系统的可靠运行，国外深水托管架系统均配备了复杂的监测系统，其主要目的是确保铺设过程中上弯段管线安全与托管架的安全，同时也说明了托管架设计中存在的不确定性。托管架模型实验可以很好地模拟托管架子结构—管线系统，并较为精确地模拟结构的边界条件以及托管架在水中所受的静力、动力荷载。通过系统地研究托管架在铺设过程的力学行为，最终为托管架科学设计、铺设状态分析及铺设监测系统的设计与应用提供十分有价值的信息。

1 试验原理

相似规律是模型试验设计的关键问题，直接关系到是否能将试验中测得的数据返回到原型当中。半实物仿真系统的试验原理不同于流体力学中的相似理论。在流体力学相似理论中，模型和原型的2个系统需要满足几何相似、运动相似、动力相似3个相似条件。在托管架半实物仿真试验系统中，通过运动台模拟船体的运动，主要模拟在铺管船运动情况下托管架与管道相互作用力的变化情况，满足所有性质的力学相似（即完全相似）是不可能的，也是没有必要的。试验中根据需要，选择重力相似规律，以满足系统中的主要控制荷载，这在相似理论中也称作部分相似［8］。重力相似率主要考虑惯性力与重力的影响。

式中：ρ为原型密度；ρm为模型密度；λ为几何比尺；λt为时间比尺；λF为力的比尺。在运动台控制中，需要使用位移比尺将船体运动的幅度进行缩比，使用时间比尺将船体的运动周期进行缩小从而得到运动台的控制曲线。试验测试中将测得的托辊与管道之间的作用力按照力的比尺即可还原到原型中。

2 试验设计

由于深水托管架结构的复杂性和特殊性，无法进行准确的数值模拟，使用传统水池试验方法由于比尺太小也无法将试验结果准确还原到原型中。本文根据半实物仿真的试验方法设计托管架模型试验原理样机。对于托管架模型半实物仿真试验系统，通过计算机建立铺管船运动的数学模型，输出信号驱动运动台运动，同时建立托管架与管道组成的S型海底管道铺设系统的物理模型，以模拟真实的海底管道铺设过程，研究管道与托管架相互作用的力学行为。基于半实物仿真试验方法进行托管架/管道相互作用研究试验系统设计，其主要试验系统包括托管架模型结构、运动台结构、控制系统、管道/斜面及配重系统及数据采集系统。

采取比例尺λ=20的中尺度模型进行实验。实际铺管作业中，托辊箱及其托辊与托管架铰接，仅传递托管架管道压力，实验模型中重点对管道铺设影响最大的参数进行缩比，包括托辊整体尺寸（长度）、托辊间距及高度变化范围。从动力学角度考虑，托管架缩尺模型考虑总尺度相似、质量相似、排水体积相似。同时对托管架A-frame悬吊系统、主铰连接系统、Roller等关键部位进行相似模拟，并使关键部位的受力方式与原型相同。图1、图2分别为模型结构整体视图和横截面视图。

图1 托管架模型结构图Fig.1 Structure of stinger model

图2 托管架模型横截面视图Fig.2 Cross section of stinger model

托管架模型由三节组成，总长4.25 m，模型参数列于表1。托管架与管道的相互作用力由托辊传递，原型中12 in管道（323.9 mm×38.1 mm），按照比尺进行缩比后采用16 mm×2 mm的不锈钢管模拟。本实验只模拟铺设在托管架上的管道，在截断点之后管道的质量采用质量滑块模拟。通过对相应铺设工况下的管道线型进行分析，确定在管道截断点处的脱离角度以及配重质量。本文主要考虑在2 000 m水深情况下，针对12 in管道铺设时静力和动力2种试验工况。静力试验将管道安装在托管架上，施加配重荷载并直接测量托管架与管道的作用力；动力试验施加配重荷载并利用作动器驱动振动台模拟船体运动，测量托管架与管道的作用力。

表1 托管架模型参数Tab.1 Parameters of stinger model

2.1 静力工况

调节托管架构型及托辊高度使管道形状接近2 000 m水深及12 in管道的铺设工况，在管道下端施加相应的配重荷载，直接测量托辊荷载。表2给出了托辊荷载的试验值、还原值及原型值的对比。对比数值计算的结果和实验结果可知，数值计算结果稍大，最大误差在25%以内，但基本趋势一致。产生误差的原因可能是：（1）原型计算采用的是刚性托管架，得出的载荷在实际管道铺设中是很难保证的，而模型实验采用的是弹性托管架；（2）托辊的高度对于托辊力的分布起决定性的作用，模型实验中很难保证所有托辊在同一个圆弧上；（3）在模型实验中，管道与托管架的接触并不光滑，因摩擦等原因，使实验结果较小。

表2 托辊载荷Tab.2 Roller loads

2.2 动力工况

动力试验工况指托管架在自重、浮力、水动力、管道荷载及船体运动情况下进行的模型实验。由于铺管船在不同来浪方向下的运动情况不同，试验中分别对0°、45°、90°来浪方向下的铺管工况进行模拟，各种工况分别对应不同的运动台运动幅度及运动的频率。表3列举了15种荷载实验工况。

托辊较静力工况下有放大效应，但幅值变化整体幅度不一，第一个托辊变化最小，随着远离船体，托辊变化逐渐增大。同时，不同工况下，变化幅度有所区别：单一工况下，纵摇变化比升沉大；而耦合情况下，托辊荷载变化最大（图3）。

表3 12 in管道动力试验荷载组合Tab.3 Loading combinations of dynamic test

在动载试验中托辊载荷较静力工况下有放大效应，托辊变化如图4所示。图5～图6分别给出了第2、5托辊在动载试验下的荷载变化曲线。随着管道铺设工况越来越复杂，托辊载荷变化较大，同时沿管道铺设方向，托辊载荷变化更大。因此，在设计托管架时，托辊载荷的计算尤为重要。在实际管道铺设过程中，由于设计、安装和操作与设计时选取的理想条件存在误差，托辊载荷尤其是动载荷的变化难以控制和预测，因此管道铺设托辊载荷的实时监测是必要的。

图3 托辊载荷变化趋势Fig.3 Change tendency of roller loads

图4 动载试验中托辊载荷变化Fig.4 Variation of roller loads in dynamic load test

图5 动载下第2托辊的荷载变化曲线Fig.5 Variation curves of load for roller 2

图6 动载下第5托辊的荷载变化曲线Fig.6 Variation curves of load for roller 5

表4列举了试验和分析得到的动力放大系数，可以看出动力情况下动力荷载的最大值约比静力荷载大20%～30%，最小值也在20%～30%。

表4 托辊荷载动力系数Tab.4 Dynamic coefficient of roller loads

3 结论

对于S型海底管道铺设系统中管道与托管架相互作用的半实物仿真试验研究，实际测量了托辊的静、动力荷载。将静力荷载与数值计算结果进行了对比，吻合良好，也证明了S型海底管道铺设系统半实物仿真试验的可靠性。同时分析了船体运动对托辊动力荷载的影响，船体运动会使托辊荷载在20%～30%的范围内成周期性震荡，并且会使管道与托管架之间发生高频的碰撞，造成管道局部应力的增加。

［1］王林.深海托管架概念设计要素研究［D］.大连：大连理工大学工程力学系，2007.

［2］Plunkett R.Static Bending Stresses in Catenaries and Drill Strings［J］.ASME Journal of Engineering for Industry，1967，89：31-36.

［3］Dixon D A，Rutledge D R.Stiffened Catenary Calculations in Pipeline Laying Problem［J］.Transaction of ASME，1968（2）：153-160.

［4］Dareing D W，Neathery R F.Marine Pipeline Analysis Based on Newton′s Method With an Arctic Application［J］.Journal of Engineering for Industry，1970（11）：827-833.

［5］Schmidt W F.Submarine Pipeline Analysis With an Elastic Foundation by the Finite Element Method［J］.Transactions of the ASME，1977（5）：480-484.

［6］Langner G.The Articulated Stinger：A New Tool for Laying Offshore Pipelines［J］.Offshore Technology Conference，1969（5）：1073.

［7］Brown R J，Palmer A.Developing Innovative Deep Water Pipeline Construction Techniques with Physical Models［J］.Transactions of the ASME，2007，129：56-60.

［8］杨建民，肖龙飞，盛振邦.海洋工程水动力学试验研究［M］.上海：上海交通大学出版社，2008.