水下脐带缆终端安装多浮体运动响应的数值模拟

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(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

Multi-body Response Analysis of Subsea Umbilical Termination Assembly Installation

LIANG Hui1，2，LIN Yinglian1，FANG Wei2，WEI Huidong2

(1.CNOOC Deepwater Development Ltd.，Zhuhai 519000，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

水下脐带缆终端安装多浮体运动响应的数值模拟

梁辉1，2，林影炼1，方伟2，魏会东2

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

Multi-body Response Analysis of Subsea Umbilical Termination Assembly Installation

LIANG Hui1，2，LIN Yinglian1，FANG Wei2，WEI Huidong2

(1.CNOOC Deepwater Development Ltd.，Zhuhai 519000，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

摘要：在深水油气开发中，水下设施的海上安装越来越具有挑战性。尺寸和重量越来越大的水下设施需要在环境条件恶劣的深水海域安装，而海上安装作为最复杂的工况载荷之一，对其结构设计具有至关重要的影响。在海上施工之前进行充分合理的数值模拟能够获得适合的海况条件要求，也能对施工风险进行预判。以南海某深水气田为例，基于三维动态时域分析软件OrcaFlex，构造了水下脐带缆终端吊装下放的多浮体数值模型，在JONSWAP波浪谱下进行随机海况模拟分析，得出了最优作业浪向并给出了安全作业海况条件，对海上施工作业具有指导意义。

关键词：脐带缆终端；安装；运动响应

中图分类号：TH12

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0017-03

收稿日期：2015-05-29

Abstract：The challenges in the installation of subsea structures are increasing very rapidly in the recent years. Larger and heavier subsea structures are being installed in harsh environments and in deep water. The installation loads are significant for design of subsea production structures. This paper gives dynamic muti-body response analysis of subsea umbilical termination lifting based on JONSWAP wave spectrum by OrcaFlex software. The result gives the optimal wave heading and allowable Hs for installation.

作者简介：梁辉(1982-)，男，河北顺平人，工程师，研究方向为水下生产系统结构设计；林影炼(1974-)，男，广东揭阳人，工程师，研究方向为石油储运工程；方伟(1982-)，男，天津人，工程师，研究方向为海洋石油工程；魏会东(1981-)，男，天津人，工程师，研究方向为海洋石油工程。

Key words：offshore engineering subsea umbilical termination；muti-body response analysis；orcaflex

0引言

深水水下设施的安装工程项目成本都高达上亿美元，不仅水下作业工程支持船、ROV、AUV等作业装备价格昂贵，而且水下安装作业专业技术人员的人均日费率也要上千美元。在深水水下设施的安装施工中，任何一个失误都可能造成数百万美元的损失。因此，在施工之前进行严谨的计算分析十分必要，不仅能够给出合适的海况条件要求便于选择天气窗，而且能够对施工风险进行预判和合理规划。同时，深水水下设施的海上安装作为最复杂的工况载荷之一，对其结构设计具有至关重要的影响。具有良好可安装性的水下设施能够大大降低海上施工风险和成本。

目前国外海洋工程公司如Technip、Subsea7等已经具备了300 t以上水下设施在超1 000 m水深安装的技术能力。这些公司基本垄断了深水水下设施的海上安装作业市场，而国内在超300 m深水环境的水下设施安装工程较少，缺少完备的施工作业装备和作业经验，针对安装作业的计算分析工作也仍然处于探索阶段。国内在脐带缆和脐带缆终端的设计研究也很少，其中南海深水水下脐带缆终端的设计和安装属国内首次独立自主完成。

我国正在处于南海大开发的阶段，从2008年以来的5年中，中海油对外合作的区块几乎全部来自南海地区，据统计，南海地区蕴藏有230亿～300亿 t的石油，且含硫量少，品质优良；此外，还有16万亿 m3的天然气，其中70%的油气资源都蕴藏在海面300 m以下的深水区域。这相当于中国全部油气资源的1/3。正基于此，以南海深水气田为例，就水下脐带缆终端安装多浮体运动响应的数值模拟进行研究。

1基本计算原理

1.1　OrcaFlex软件

OrcaFlex软件是一款应用于海洋工程领域的三维动态时域有限元分析软件。该软件能够完成包括海洋立管系统、系泊系统、安装系统和拖曳系统等各种海洋工程领域的计算分析。OrcaFlex软件的最大优势是能够进行细长柔性结构如立管、脐带缆、海管等结构的快速准确计算，尤其能够计算细长柔性结构的三维大变形问题，并能有效模拟波浪、流和其他外部载荷。该软件在海洋工程领域已经得到广泛应用和认可，是水下结构物安装分析的首选软件之一。

1.2　莫里森方程

OrcaFlex软件采用莫里森方程的扩展形式计算浮体、管道和缆绳等的水动力载荷。莫里森方程最初是用来计算固定竖直圆柱体的波浪载荷。方程中有两个载荷分量组成，一个是与水质点加速度有关的载荷(即惯性力)，另一个是水质点速度有关的载荷(即拖曳力)。对于运动的结构物，计算原理基本相同，但需要考虑结构物自身的运动。

在OrcaFlex软件所使用的莫里森方程扩展形式为：

FW是波浪载荷；Δ是结构物的排水质量；aw是水质点相对于地球的加速度；Ca是结构物的附加质量系数；ar是水质点相对于结构物的加速度；ρ是水的密度；vr是水质点相对于结构物的速度；CD是结构物的拖曳力系数；A是拖曳力面积。

上述公式括号中第1项是惯性力，第2项是拖曳力。惯性力分为2个部分，一个与水质点相对于地球的加速度成正比(Froude-Krylov力)，另一个与水质点相对于结构物的加速度成正比(即附加质量力)[7-]8]。

2计算难点

2.1　水下脐带缆终端的设计

水下脐带缆终端一般包括防沉板、脐带缆终端本体及支座、吊耳、防落物盖板、YOKE转臂等。结构设计要求海上吊装过程中的动态放大系数(DAF)不能超过2，脐带缆的张力不大于96 kN和最小弯曲半径不小于1.23 m。根据相关规范和工程经验，可以计算得到脐带缆终端的水动力系数。

2.2　计算模型

在OrcaFlex软件中，组成安装系统的模型主要包括：脐带缆终端、脐带缆、安装作业船、吊缆、吊钩等，如图1所示。脐带缆终端结构模型采用6D Buoy单元建立，YOKE臂、吊缆、脐带缆等采用Line单元模拟。

图1　脐带缆终端安装计算模型

计算结果包括最大吊钩力、脐带缆最大张力和最小弯曲半径。吊钩力提取自吊绳模型与吊钩相连处的张力，软件自动计算时间历程内的最大值。同样的，软件自动提取所选时间历程内的脐带缆张力最大值和弯曲半径最小值。

3波浪方向和周期的筛选分析

筛选分析是将脐带缆终端处于水下一定位置，计算不同波浪方向时吊钩的最大载荷以找到最优的波浪方向。由于安装船舶具备动力定位能力，因此能够在最优的波浪方向上进行安装作业。计算结果显示，在安装作业船处于波浪方向300°时进行作业最优，如表1所示。不过从计算结果来看，各个方向上的计算结果相差较小。

表1波浪方向的筛选分析

波浪方向/(°)0306090120150静态吊钩力/kN63.763.663.162.161.060.3最大动态吊钩力/kN69.872.175.178.967.065.4DAF1.091.131.191.271.101.09波浪方向/(°)180210240270300330静态吊钩力/kN60.160.361.062.163.163.6最大动态吊钩力/kN66.070.468.675.167.171.7DAF1.101.171.121.211.061.13

为了能够得到比较保守的计算结果，需要对波浪过零周期进行筛选，即选择计算结果最保守的波浪周期。通过对波浪过零周期为4～13 s的环境条件进行计算得到，当波浪过零周期为5 s时的计算结果最为保守，如表2所示。

表2波浪周期的筛选分析

波浪过零周期/s45678静态吊钩力/kN63.1263.1263.1263.1263.12最大动态吊钩力/kN68.1070.7868.8868.1667.10DAF1.081.121.091.081.06波浪过零周期/s910111213静态吊钩力/kN63.1263.1263.1263.1263.12最大动态吊钩力/kN66.2466.3466.4666.0165.68DAF1.051.051.051.051.04

4详细分析

通过上述的筛选分析，详细分析将选择最优的波浪方向(300°)和最保守的波浪过零周期(5 s)进行计算。为了计算结果的保守性，将同时计算波浪方向偏差±30°(即270°和330°)时的结果。

详细分析将脐带缆终端的吊装下放过程分为4个不同的工况，即：空气中、飞溅区、水中和接近海床。4个工况基本涵盖了脐带缆终端下放过程中所受到不同载荷的典型工况。为了使计算结果具有保守性，每一个工况的计算时长都为3 h，计算结果取该时长的最大值，表3给出了有义波高Hs=1.0 m时的计算结果。

表3详细分析的计算结果

工况空气中飞溅区水中接近海床静态吊钩力/kN76.5969.3962.1152.82最大动态吊钩力/kN84.15121.5175.2165.95最小动态吊钩力/kN69.4734.6049.8540.26DAF1.101.751.211.25最小弯曲半径/m3.231.592.912.81最大张力/kN22.2425.3621.8712.72

根据表3的计算结果，可以得到的结论为：①有义波高Hs=1.0 m时满足安装作业要求；②最优波浪方向角度为300°，可调整船艏至该方向作业；③在波浪过零周期为5 s时计算的吊钩力最大，海上安装应尽量避免在该波浪过零周期作业；④最大吊钩力为121.51 kN，需选择满足安装作业要求的船载吊机；⑤脐带缆终端最大DAF=1.75满足结构强度的设计要求(即DAF<2.0)。

5结束语

水下生产设备的海上安装作为最为复杂的工况载荷之一，对其结构设计具有至关重要的影响。因此，在水下设备设计阶段对其安装工况载荷进行分析计算十分必要。基于三维动态时域分析软件OrcaFlex，选择JONSWAP波浪进行随机海况的典型施工船舶脐带缆终端吊装作业的多浮体运动响应模拟分析，提出最优作业浪向并给出安全作业海况条件，能够指导海上施工作业并能为水下设备结构设计提供支持。所述方法在国内首次实现了脐带缆终端的动态安装分析，能够为脐带缆终端的设计和安装作业提供技术支持，也使国内实现完全自主开发水下生产系统向前迈进一步。

参考文献：

郭宏，屈衍，李博，等.国内外脐带缆技术研究现状及在我国的应用展望.中国海上油气，2012，17(01)：111-114.

孙晶晶，刘培林，段梦兰，等.深水脐带缆安装技术发展现状与趋势.石油矿场机械，2011，22(12)：143-145.

王春升，水下生产系统在南海流花4-1油田开发中的研究与应用//2010年海洋工程学术会议论文集，2010：12-20.

Morison J R，O'Brien M D，Johnson J W，et al. The force exerted by surface waves on piles. Petrol Trans AIME，1950，45(11)：109-114.