深水铺设托管架-管道的动力学分析

薛志钢，赵　岩，蔡志勤，岳前进

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院，江苏 无锡 214174； 2.大连理工大学 工业装备国家重点实验室，辽宁 大连 116023)



深水铺设托管架-管道的动力学分析

薛志钢1,2，赵岩1，蔡志勤1，岳前进1

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院，江苏 无锡 214174； 2.大连理工大学 工业装备国家重点实验室，辽宁 大连 116023)

针对深水铺设中，完全对托管架-管道构成复杂的耦合系统实现系统解耦，并进行动力特性分析困难的问题，提出将管道等效为质量点的方式对系统进行动力特性分析，在避免托管架-管道耦合非线性求解困难的同时，探讨不同铺设工况下耦合系统的频率行为特征。通过对托管架空载和在役频率的对比，探讨管道惯性质量对托管架动力特性的影响，并提出设计超深水、大口径管道铺设托管架需要注意的问题。

托管架；随机振动；ANSYS；模态分析

随着海洋资源开发逐渐从浅水走向深水，海底管道的铺设也朝着超深水、大口径发展[1]，对铺设装备提出了更为严格的要求，托管架长度越来越长，随着长度的增加，露出一些问题，主要是刚度不足。在浅水托管架设计中，由于托管架长度较短，管道荷载作用下产生的变形不明显，一般可认为是刚性设计[2]。然而随着托管架长度的增加，管道荷载也随之增加，在此作用下托管架会产生明显的变形，该变形对托管架上弯段的影响较大[3-5]。刚度不足的另一个重要方面是对托管架动力特性的影响。在浅水铺设中，托管架刚度大，管道荷载小，托管架空载和在役时的模态变化不大。然而超深水大口径管道铺设过程中，托管架的长度增加，刚度降低，管道对托管架的荷载较大[6]，相对于空载而言，在役时托管架的频率可能会发生比较大的改变，这种改变有可能造成托管架发生强烈的振动而损坏。为此，将管道等效为附加质量，在避免托管架-管道耦合非线性求解困难的同时，探讨不同铺设工况下托管架-管道系统的频率行为特征。

1　S-lay管道铺设

海底管道在铺设前呈每根12 m的状态，首先由运输船将管道吊装到铺管船上，然后对管道进行端口的处理，包括打坡口、消磁、预热等工序，处理后的管道被运送到对中区，将管道与整体管道的端口进行对中，对中后对管道进行第一次焊接，随着船体的移动，管道的接口被移送到不同的焊接工作站，进而对管道进行3～5次的焊接。焊接完成后对管道的焊接部位进行无损检测，如果检测合格，则对管道接口位置进行包扎涂抹，防止管道被海水腐蚀。一旦检测管道焊接不合格，则对管道进行拆解，重新进行消磁、预热、焊接等一系列工序，直至管道焊接位置满足无损检测标准为止。经过涂抹后的管道穿过张紧器，在托管架的支承下，船体向后移动，管道被送入海底。见图1。

图1　S-lay管道铺设示意

通过张紧器之前管道会有NDT无损检测，进而保证管道焊接质量，从张紧器出来的管道可以认为是无缺陷的。但当管道穿过张紧器后，在自身重力的作用下会弯成一定的线型，如果线型选择不合理，在管道的上弯段和下弯段部分会由于过度弯曲而发生破坏，而此时无法对管道进行检测，管道一旦产生缺陷，就会降低其在海底的承载能力，再加上复杂的海底环境，极有可能使管道发生破坏，进而造成环境污染和财产的损失。在铺设过程中，由于托管架设计不合理而造成整体失效，管道瞬间滑落可能造成船体的损坏，甚至是人员的伤亡。由此可见托管架在S-lay海底管道铺设过程中的重要性。

2　托管架-管道解耦

在工程上，对托管架-管道系统进行模态分析是比较困难的，主要是因为该系统是一个非线性的耦合系统，虽然在模态分析时忽略了其非线性因素，但是管道对托管架的惯性作用是必须要考虑的，因此需要计算管道在有预应力作用下使其与托管架接触，一般做法是将与船体接触管道的一段施加全约束，另外一端施加张紧力，让管道在重力的作用下弯曲变形成一定的线型，使其和托管架接触[3]。该过程的求解是比较困难的，求解的代价比较高，在工程上难以推广使用。由此需要对其进行解耦，将管道对托管架的作用以等效质量点形式施加到托管架上，进而提高设计时对托管架-管道模态分析的效率。具体的做法是首先通过刚性悬链方程计算管道的铺设线型，如图2所示，提取管道的上弯段信息：张紧器的张力和脱离点处下部管道对上弯段的拉力，如图3所示。根据力的平行四边形法则可得到托管架对管道的支持力，管道对托管架的力均匀分布在托辊上[7]，将该力等效为一系列的相等质量点布置在托管架上，模拟管道对托管架的惯性作用。

图2　管道线型

图3　管道等效质量简化原理

本文以某托管架为例，该托管架共有12个托辊和管道接触，将等效的质量均分到12个托辊上，利用该方法设计了表1中的铺设工况。

表1　管道铺设工况表

3　托管架服役状态下的动力特性分析

托管架非工作状态下的动力特性见式(1)，主要是自身刚度和质量的相对关系。然而，服役状态下就要考虑管道对托管架的影响。该影响分为两部分，一部分是管道对托管架作用，会造成托管架刚度矩阵的改变；另一方面托管架带动管道运动，于是管道对托管架会产生惯性荷载，进而影响到托管架的质量矩阵 ，见式(2)。

(1)

(2)

式中：K——托管架的刚度矩阵；

M——托管架的质量矩阵；

k——管道对托管架刚度矩阵的改变量；

m——管道的惯性矩阵；

ω——结构的固有频率；

x——结构的振型。

管道对托管架的影响会改变其刚度和质量矩阵，为了探究这两方面的影响对托管架的动力特性是否有利，本文以ANSYS为数值仿真工具，按照表1中的要求分别建立管道等效质量点作用下托管架的浅水和深水模型，见图4。

打开ANSYS的预应力开关，在每个托辊上施加垂直于托管架的托辊力，模拟管道对托管架刚度的影响。然后在每个托辊上布置质量点，模拟管道对托管架的惯性作用。

分别对表1工况的模态进行分析，提取前10阶自振频率，结果见表2。

图4　托管架-质量模型

表2　各工况模态分析表

根据表1和表2可知，随着铺设管径和水深的增加，管道对托管架的作用力也随之增加，但托管架的自振频率逐渐减小。由公式(2)可知管道作用力对托管架刚度矩阵改变量小于管道惯性质量对托管架质量矩阵的改变量。说明在托管架-管道的动力过程中，由船体运动造成的管道惯性荷载对托管架的作用比由管道荷载造成托管架刚度增加量要大，因此管道惯性荷载对托管架放大效应引起重视。

为了对比托管架空载和在役时模态的区别，对图4中去掉质量点的托管架进行模态分析，提取前4阶固有频率，如图5所示。

由图5可见，对于浅水铺设，托管架空载和在役时的固有频率变化不是很大，但是深水铺设情况下，管道对托管架的模态产生较大的影响。其中，在极限铺设海况中，第一阶固有频率比空载时减少一倍还要多。并且船体运动的频率带一般集中在0～1.2 Hz，深水铺设情况下，托管架的第一、二阶固有频率已经在该频率带内，极有可能使托管架随着船体发生共振。由此在对用于超深水、大口径铺设的托管架设计时，不仅要对空载时的模态进行分析，还要对管道作用下托管架的模态进行验证，以避开船体运动的频率带。

图5　托管架在役和空载下动力特性

4　结论

托管架-管道的求解过程是比较困难的，利用管道等效质量法对其进行解耦能够快速的对其进行分析，对托管架设计具有应用价值。

1)对于超深水大口径管道的铺设，由于管道作用，托管架刚度矩阵和质量矩阵都会变化，本文分析发现刚度的增加量小于惯性质量的增加量，由此在对托管架设计时，管道惯性质量对托管架响应的放大作用应引起注意。

2)托管架在役时，托管架-管道系统的自振频率已经达到船体的自振频率带，有可能发生共振，进而造成托管架的损坏，在对托管架进行设计时，不仅需要对空载时的托管架进行模态分析，对托管架-管道也应该进行动力特性分析。

3)对托管架进行设计时，可以利用等效质量的方法将管道等效为质量点或者力，将管道以质量点(力)的形式施加到托管架上进行静态分析。将等效质量(力)乘以比例系数[8](动力放大因子1.3)施加到托管架上进行动力分析。将等效质量点作用在托管架上对托管架-管道做模态分析。

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The Dynamic Research of the Stinger-pipe under the Deep Water

XUE Zhi-gang1,2, ZHAO Yan1, CAI Zhi-qin1, YUE Qian-jin1

(1.Wuxi Branch of Jiangsu Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Wuxi Jiangsu 214174, China; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial equipment, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023, China)

Stinger-pipe is a complex coupling system in the deep water laid. It is more difficult to analysis the dynamic characteristics of the system completely. The pipe equivalent point is proposed to analyze the dynamic property of the system, which gets rid of the problem that the nonlinear the pipe is difficult to solve, at the same time, explores the frequency behavior characteristics of the coupled system under different working condition of laying. Comparing the frequency of the stinger between idle and pipe laying proposes the problem of the singer design, which is used to pipe laying with ultra-deepwater and large diameter. The research has guiding significance for design of stinger.

stinger; random vibration; ANSYS; modal analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.033

2015-09-15

2015-10-13

973项目(2014CB046803)

薛志钢(1988-)，男，硕士，助理工程师

P756.2

A

1671-7953(2016)01-0158-04

研究方向:海洋工程结构

E-mail:xuezhigang87@126.com