深水钢悬链立管铺设安装作业窗口分析

康庄，张立，张翔

(哈尔滨工程大学船舶工程学院深海工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨150001)



深水钢悬链立管铺设安装作业窗口分析

康庄，张立，张翔

(哈尔滨工程大学船舶工程学院深海工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨150001)

摘要:钢悬链立管J型铺设作业窗口是为了确定其正常铺管的环境条件，找到正常铺管和弃管作业的界限。本文以API RP 2RD立管规范许用应力法和semi－submersible半潜式铺管船的张紧能力为作业窗口综合校核准则，使用ORCAFLEX软件建立钢悬链立管J型铺设有限元模型，分析铺设过程中浪流相对方向、不同波浪方向下波高－周期、波浪－海流条件下的立管强度和产生的最大有效张力，以此确定钢悬链立管J型铺设作业窗口。结果表明，浪流同向时作业窗口最小;当海流大小一定且与波浪同向，波浪方向为180°，波浪周期在铺管船固有周期附近时作业窗口最小;铺设作业系统对于波浪的敏感性更强。同时，分析了J型铺设作业窗口的影响因素，除波浪、海流的影响外，铺管船和立管的特性也对作业窗口作用明显。在铺设系统设计以及铺管作业时，环境载荷、铺管船、和立管结构等方面是决定铺管作业窗口的核心因素。

关键词:J型铺设;钢悬链式立管;作业窗口;ORCAFLEX软件;弃管

钢悬链式立管是一种新型深水立管形式，是深水湿树生产系统的首选立管形式。集海底管线与生产立管的功能于一身［1］，结构形式及制造工艺相对简单，建造成本低，施工难度及作业量低［2］，可用于所有类型的浮式平台，适用于高温高压的工作环境。立管铺设是立管投入使用的第一步，其铺设成功关系到后续生产的进行。J型铺设，以立管近乎垂直下放到水中的形态而得名，通过调整J型塔的倾角，使管线的连接作业姿态与入水姿态相同，从而消除了上端的过度弯曲［3］，能够使钢悬链立管产生更小的应力，成为超深水立管铺设中的最优选择［4］。J型铺设过程中铺管船运动主要由波浪导致，立管除了本身重力外，还要遭受到多种环境载荷，如管土耦合、冲击载荷等。对于整个铺设系统而言影响最显著的是波浪载荷和海流载荷。作业窗口，是为了确定铺设时正常铺设和弃管作业的界限，确定铺管船能够正常铺管的范围，为不同环境载荷下的工作状态提供指导［5］。目前研究中，针对钢悬链立管开展的作业窗口研究并不多。钢悬链立管J型铺设作业窗口可根据立管规范API RP 2RD的强度校核结合铺管船的张紧能力为限制条件来获得。

本文根据南海3 000 m水深钢悬链立管J型铺设作业为分析对象，分析浪流相对方向对铺设系统的影响，考虑不同波高－周期，以及不同海流－波浪条件下立管产生的应力和所使用半潜式铺管船的最大张紧能力，综合分析后分别得到其作业窗口，并分析了J型铺设过程中作业窗口的影响因素。

1　理论分析模型

钢悬链立管的安装作业流程可以分为以下几个步骤:1)起始铺设:使用J型铺设作业方式，安装船将吸力锚下放，接着利用ROV将连接着PLET的立管下放到海底并与吸力锚连接，然后随着安装船行驶，正常下放立管。2)弃管作业:A＆R缆绳将立管完全下放到海床上。3)回收作业:A＆R缆绳将立管顶端回收到铺管船，对其进行维修检测。4)移管作业:将立管从安装船上转移到海洋平台。同时铺管监测贯穿立管铺设始终［6］。

整个J型铺管作业阶段，立管在起始铺设时候的触地点附近产生最大应力［7］，因而铺设作业时，需着重分析立管呈J型时立管应力。

1.1J型铺设静力分析

钢悬链立管静力分析方法中，有有限元、有限差分法［8］、大变形梁理论［9］以及悬链线理论［4］，其中悬链线理论是常用方法，计算速度远快于其他方法。

J型铺设如图1所示，悬链线的控制方程为

式中:δ=w/H，考虑触地点TDP处的边界条件:y(0)=0，y'(0)=0，有

图1　J型铺设示意图Fig.1 Configuration of J lay

1.2J型铺设动力分析

钢悬链立管的动力分析最经常使用的是集中质量法［10］，其主要特点是运算效率高。考虑立管微段受力分析，立管微段运动方程可表述为［10］

式中:m为微段质量，B为微段浮力，sε为微段伸长后的长度，q为微段所受流体作用力、重力、海底作用力等的合力，Te为有效张力，定义为

Te=T+Pe－Pi式中:T为实际张力，Pe为截面外部压力，Pi为截面内部压力。

忽略扭矩影响，则立管微段弯曲平衡方程为

式中:M为截面弯矩，Q为截面剪力，m为微段分布弯矩。将立管结构沿长度方向离散，视作有限集中质量点及无质量弹簧相连的结构［11］，如图2。假设立管所受载荷为节点上的集中作用力，除端部外，每个节点质量为相邻单元质量的均值，端部节点质量取为相邻单元质量的一半［10］。

图2　集中质量法离散模型［12］Fig.2 Model of lumped-mass method

2　作业窗口的确定

南海海域海况复杂多变，铺设作业应当在较为温和的气候条件下;环境恶劣时，铺设作业继续进行易对管线乃至铺管船造成破坏，此时应进行弃管作业，以保证人员及设备的安全。针对深水立管J型铺设的正常作业状态，确定其作业窗口，从而有效确定管线正常铺设作业可以安全进行的阈值环境条件，建立J型铺设作业警戒包络线［13－14］。

2.1J型铺设系统作业窗口确定准则

应用API RP 2RD规范，基于许用应力法，校核关键位置主应力，用ORCAFLEX计算，得到铺管过程中最大有效张力。铺管船参数如表1所示。

钢悬链式立管铺设总长4 000 m，悬挂总长为3 340 m，海底流线段660 m，外径0.457 2 m，壁厚0.025 4 m;立管上部安装有减轻涡激振动的螺旋列板，上下两截面，如图3所示，参数如表2所示。

图3　立管上部截面和下部截面形状Fig.3 Upper and lower section of SCR

表2　立管水动力参数Table 2 Hydrodynamic parameters of SCR

立管材料为X65钢，许用应力系数为0.8，立管在铺设过程中的许用应力为358.54 MPa。

作业窗口确定准则如表3所示。

表3　J型铺设作业窗口确定准则Table 3 Determination rules of operability envelopes

2.2浪流相对方向的影响

海流与波浪共同作用时，浪流相对方向对铺管系统影响明显，组合示意图如图4所示。

图4　波浪海流组合Fig.4 Direction of wave and current

计算不同浪流相对方向管线受力，可以有效确定立管在铺设过程中所受到的最危险的环境组合条件。图5所示浪向角180°、海流方向以间隔15°在0°～180°下立管最大等效应力计算结果。

据图5，浪流同为180°时立管最大等效应力最大，浪流反向时立管最大等效应力最小。故选取浪流同向作为波浪－海流作业窗口的计算工况，所得结果认为是立管铺设过程中所遭遇的最危险环境。

图5　不同海流方向下立管的最大等效应力Fig.5　Max von Mises stress of SCR under different current directions

2.3波高－周期作业窗口的确定

铺管船对称，分别考虑浪向角0°、45°、90°、135° 及180°的波高－周期作业窗口。设定海流设为南海海域一年一遇流速剖面，表面流速为0.73 m/s，剖面如图6所示，浪流同向，使用不规则波JONSWAP谱，对不同波高及谱峰周期组合情况进行校核，绘制波高－周期作业窗口。结果如图7(a)～(e)所示，图中阴影区域表示铺设作业可以安全进行，非阴影区域需立即进行弃管作业。图中左下角位置局部放大区域为南海海域波浪散布图，圆圈表示不同参数的波浪出现的频率，圆圈面积越大表示该参数所对应的波浪出现频率越高。

图6　海流流速剖面图Fig.6 Profile of current velocity

2.4波浪－海流作业窗口的确定

海流载荷表层流速通过影响上部浮体间接影响与之相连的立管结构，且直接作用立管本身。由2.2节可知，铺管系统迎浪迎流时立管产生最大应力。在此方向下，校核不同波高、流速组合情况下的管线强度，获得不同流速条件下J型铺设作业可以安全进行的最大波高，绘制波浪－海流作业窗口。

图7　各浪向下作业窗口Fig.7　Operability envelopes under different wave directions

浪流方向均为180°时，海流流速从0递增至2 m/s，波浪谱峰周期设为定值10 s。确定不同流速条件下钢悬链式立管J型铺设可以安全作业的最大波高，如图8所示，阴影区域即为180°浪流同向下的J型铺设波浪－海流作业窗口，非阴影区域需进行弃管操作。

图8　180°浪流同向下波浪－海流作业窗口Fig.8　Operability envelope of 180°wave and current direction

由图8，一年一遇海流下，流速的改变对所允许的最大波高影响较小，海流对于立管结构强度作用有限，作业窗口变化趋势随着波高变化明显。其他波浪周期情况下波浪－海流作业窗口形状与图12中曲线的变化趋势类似。

3　J型铺设作业窗口影响因素分析

立管在铺设过程中的结构强度与环境载荷、铺管船的运动状态及管线自身力学性质等多方面因素有关。对于波高－周期作业窗口及波浪－海流作业窗口，对深水钢悬链式立管J型铺设作业窗口的影响因素如下分析。

3.1环境参数对作业窗口的影响

3.1.1波浪参数的影响

J型铺设可安全进行的最大波高受波浪周期与浪向角的共同影响。由图7(a)～(e)，对于短周期波浪(Tp≤8 s)，各浪向下J型铺设可以正常进行的最大波高很大，此时作业安全性很高。在周期适中的波浪条件下(8 s≤Tp≤16 s)，铺设作业允许的最大波高迅速下降，在周期16 s左右降至最低，作业窗口最低点处的数值与浪向角密切相关，180°浪向的作业窗口最小，90°浪向的作业窗口最大，此时横浪状态较为安全，但易使铺设路径发生较大偏移，需协调各方面因素综合考虑。随着波浪周期的增加，铺设作业可以进行的最大波高缓慢增加，在22 s左右，由于铺管船的运动使作业窗口出现小幅波动，长周期情况下，横浪条件下的铺设作业最为危险，而浪向45°和135°时相对安全。

3.1.2海流参数的影响

海流的方向及速度随时间变化缓慢，海流对海洋结构物的作用简化为定常的横向载荷。图9、图10表示不同表面流速下立管静力分析时的最大等效应力及最大弯曲应力。

由图9和图10，随着流速增加，管线结构受力作用逐渐显著。一年一遇的流速条件之下，海流对于管线受力的影响有限，且管线铺设作业通常在较为温和的环境条件下进行，可以认为立管的J型铺设对于海流条件的敏感性较弱。

图9　不同流速条件下立管的最大等效应力Fig.9　Max von Mises stress of SCR under different current velocity

图10　不同流速条件下立管的最大弯曲应力Fig.10 Max bending stress of SCR under different current velocities

然而实际铺设过程中，流速对于深水动力定位铺管船是确定作业窗口的重要因素之一，流速过大，横向来流，往往造成铺管船站不住位，而中止铺设作业。因而铺设时，应尽量避免横向来流作业。

3.2铺管船运动对作业窗口的影响

铺管船与立管组成了一个复杂的耦合系统，铺管船的运动对立管结构影响显著。J型铺设作业中，管线自船艏J型塔近似垂直下放，铺管船的垂向运动对下部相连的立管结构受力有显著影响。铺管船在波浪中的垂向运动由垂荡、纵摇和横摇共同引起。铺管船满载铺管状态下垂荡、纵摇和横摇RAOs如图11所示。横摇RAO在较大波浪周期时才会出现较大变化趋势，J型铺设塔一般安装于船艏甲板中线位置，铺设过程中，铺管船的横摇运动对立管结构影响较小。垂荡和纵摇的变化趋势相似，且均在波浪周期15 s附近变化趋势剧烈，考虑J型塔位置，对立管结构产生较大影响的是由于垂荡与纵摇耦合作用在垂向产生的运动。

图11　铺管船垂荡、纵摇和横摇RAOFig.11 Heave and pitch RAOs of J lay barge

图12　垂向合成运动响应幅值Fig.12 Composite RAO of vertical motion

铺管船垂荡与纵摇合成垂向运动响应幅值如图12所示，对比图7(a)～(e)，不同周期下J型铺设所允许的最大波高的变化趋势与垂荡－纵摇合成运动幅值变化趋势大体相似，作业窗口最狭窄的区域与垂向运动较为显著的区域吻合程度较高，此时的波浪周期近似为铺管船此工况下的纵摇固有周期，船体与波浪发生共振，运动幅值大幅增加，使铺设作业窗口迅速减小。因此，应尽量避免在易发生共振的环境条件下进行作业。

铺管船设计时，船舶固有周期应远离海域出现频率较高的波浪周期，以保证船舶运行的安全性，减少由于环境原因所导致的工期延误与额外成本。

3.3立管结构对作业窗口的影响

立管结构对J型铺设作业窗口的影响主要体现在管径和壁厚，以波高－周期作业窗口作如下分析。

3.3.1管径对作业窗口的影响

选取立管主要参数如表4所示。

表4　相同壁厚、不同管径立管主要参数Table 4　SCR parameters with different diameters and same wall thickness

上述尺寸的立管作业窗口结果如图13所示。

图13　不同管径立管J型铺设波高－周期作业窗口Fig.13 Wave height-period operability envelopes of different SCR diameters

壁厚一定时，随着管径的增加，其弯曲刚度显著增加，单位长度表观重量呈小幅下降趋势。由于刚度增加，铺设过程中弯曲应力增幅明显，故作业窗口逐渐减小。对于外径0.558 8 m，壁厚0.025 4 m立管而言，波高－周期作业窗口已十分狭窄，周期在16 s附近时，铺设作业所允许的最大波高已不足2 m，总体来说较为危险。

3.3.2壁厚对作业窗口的影响

选取管径相同，壁厚不同的立管，确定其作业窗口。立管主要参数如表5所示。

管径一定时，随着立管壁厚的增加，立管湿重增加，弯曲刚度小幅上升，铺设作业窗口逐渐增大。随着水深的增加，立管所受外界静水压力大幅提升，壁厚越小，管线径向压应力越大。壁厚较小的立管在触地点附近易发生较大弯曲而产生较大的弯曲应力，导致其作业窗口较为狭窄。

表5　相同管径、不同壁厚立管主要参数Table 5 SCR parameters with same diameter and different wall thickness

上述尺寸的立管作业窗口如图14所示。

图14　不同壁厚立管J型铺设波高－周期作业窗口Fig.14 Wave height-period operability envelopes of different SCR wall thickness

4　结束语

南海3 000 m水深钢悬链立管J型铺设，在浪流大小一定，其方向针对于铺设系统均为180°迎浪状态时作业窗口最小。波高－周期作业窗口中，波浪方向为180°时，相对于其他浪向可铺管范围最小，当波浪周期在铺管船的垂荡和纵摇周期附近时，可作业的波高最小，这是因为波浪与船体发生了共振现象。波浪－海流作业窗口中，在额定波浪周期为10 s情况下，海流大小从0逐渐增大到2 m/s，可作业的波高从7.5 m降低至4 m，考察波浪和海流的影响，作业窗口对波浪敏感性更强。作业窗口的确定，除了受环境载荷影响外，铺管船和立管结构也同样对其产生重要影响，因而，在铺管船设计和立管选型时，应综合考虑多种因素，确保立管铺设的进行。

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Analysis of operability envelopes for pipe laying of deepwater steel catenary risers

KANG Zhuang，ZHANG Li，ZHANG Xiang
(Deepwater Engineering Research Center，College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Abstract:Operability envelopes were used to determine the environmental conditions of J Lay systems and to find the boundaries between Abandon and Recover.The code API RP 2RD and the maximum tension capacity of a submersiable lay barge were selected as the constraints of operability envelopes.FEM models were established using ORCAFLEX，and the strength and maximum effective tension analysis of a steel catenary riser(SCR)at different angles among wave and current，wave－period under different wave directions，and wave－currents during installations were conducted to identify operability envelopes.The results showed that operability envelopes are smallest when 1)the sea wave is certain，and the wave and current are running in the same direction，and 2)the wave direction is 180°，and its period is near the natural period of the SEMI lay barge.J lay systems were shown to be more sensitive to the wave conditions.Besides the impact of wave and current，the performances of the submersiable lay barge and SCR had a clear impact on J lay operability envelopes.In the design of J lay system and SCR installation，the environment，and submersiable and SCR characteristics are key factors that determine operability envelopes.

Keywords:J－Lay;steel catenary riser;operability envelopes;ORCAFLEX;recovery

通信作者:张立，E－mail:vzhangli@ hrbeu.edu.cn.

作者简介:康庄(1978－)，男，副教授，博士;张立(1991－)，男，硕士研究生.

基金项目:国家科技重大专项基金资助项目(2011ZX05027－002－004－008).

收稿日期:2014－11－22.网络出版时间:2015－12－21.

中图分类号:TE973.1

文献标志码:A

文章编号:1006－7043(2016)01－0110－07

doi:10.11990/jheu.201411053

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1509.010.html