气囊搬管法搬管过程的动力学分析

张大朋，白 勇，牛天鑫，朱克强

1.浙江大学建工学院，浙江杭州 310058

2.宁波大学海运学院，浙江宁波 315211

气囊搬管法搬管过程的动力学分析

张大朋1，白 勇1，牛天鑫2，朱克强2

1.浙江大学建工学院，浙江杭州 310058

2.宁波大学海运学院，浙江宁波 315211

在海底管道铺设、维修过程中，通常采用船舶搬管法对出现管道偏离原设计路由的情况进行纠偏，但困难大，风险高，为此提出了一种新的利用气囊进行搬管的方法。结合某海域具体海况，运用OrcaFlex建立了气囊搬管过程的动力学分析模型并进行计算。结果表明，气囊安装位置的管道弯矩、张力都会有一定骤变；离管道牵引端较近位置的管道张力比较大，管道中间位置张力变化不大，离管道固定端较近位置的管道张力比较小。0°波浪方向或180°海流方向管道的弯矩最大；最大弯矩位于沿管道长度方向300 m处；波浪和海流方向对管道最大弯矩的影响相比于气囊安装位置以及气囊浮力的影响要小。

海底管道；气囊搬管；动力学分析；OrcaFlex

海底管道是海洋油气田开发的生命线。在海底管道铺设和维修的施工过程中，有时会出现管道偏离原设计路由的情况，为了保证管道的后续安装施工顺利进行，需要把偏离的管道搬回原设计路由。目前常用的搬管方法是采用分布数个临时固定式舷吊提升管道，然后通过船舶移动实现搬管[1-4]。搬管在海底管道安装项目中，是施工难度较大和风险相对较高的作业，往往占用着大量的船舶资源，并且往往制约着整个项目工期和油田投产时间。特别是较大位移的搬管项目，传统海上作业工作难度大、风险高、耗时长、不确定因素多。为了更好、更安全可靠地完成搬管作业，需要研究一种搬管的新方法。

本文主要参考某管道相关参数，提出了一种新的搬管方法，即利用气囊搬管；并运用OrcaFlex建立了计算模型，得到初步方案；分析计算结果，分析时需要考虑施工作业载荷、环境载荷的影响，得到气囊搬管方法可施行的海况。本研究工作对于具体工程实践有一定的指导意义。

在本算例中管道总长为500 m，外径为0.4 m，内径为0.36 m，为控制管道的形态，不同位置的气囊体积是不同的，气囊提供的浮力为各个位置的气囊体积与水的密度和重力加速度的乘积，在建模过程中，用Link单元将气囊按照事先计算好的位置及坐标与管道相连接。

气囊具体参数、布放位置及总体模型示意下文将作介绍。

1 理论模型

1.1 波浪流理论

目前JONSWAP谱已广泛应用于实际工程中，本文采用JONSWAP谱作为波浪理论，其公式为[5]：

式中：S（f）为与频率相关的谱函数，m2·s；α为Philips常数，无量纲，可由指定海况的有效波高Hs（m）和波浪平均周期TZ（s）计算；g为重力加速度，取9.8 m/s2；f为波浪频率，Hz；fm为峰值频率，Hz；γ为峰值增强因子，无量纲；σ为频带宽度标准差，m。

1.2 水动力理论

由于海底管道为细长构件，仅考虑波浪作用[2]，可采用修正后的Morison方程计算管道受到的波浪荷载[6]：

式中：Fw为波浪力，kN；W为排开水质量，t；aw为水相对海底加速度，m/s2；Cm为质量力系数，无量纲；ar为水相对物体加速度，m/s2；ρ水为海水密度，t/m3；CD为物体拖曳力系数，无量纲；Vr为水相对物体速度，m/s；A为拖曳面积，m2。

管道有效张力的表达式为[3]：

式中：Te为有效张力，kN；VarTw（ε）为关于应变ε的壁厚张力函数，kN；ν为泊松比，无量纲；P0、Pi分别为管道的内、外压力，kN/m2；A0、Ai分别为管道内、外横截面面积，m2；EAnom为标准轴向刚度，kN；e为管道的阻尼系数，m2/s；L0为管道未拉伸长度，m；L为管道单元初始长度，m；t为时间，s；dL/dt为长度增加速率，m/s；ε为总的平均轴向应变，无量纲；λ为膨胀系数，无量纲。

管道弯矩表达式为[7]：

式中：M为管道弯矩，kN·m；EI为弯曲刚度，kN·m2；｜C｜为管道曲率，rad/m；d｜C｜/dt为曲率变化速率，rad/（m·s）；Db为弯曲阻尼，kN·m2；Dc为弯曲临界阻尼值，kN·m2。

2 有限元模型

2.1 基本参数

管道基本参数和环境基本参数见表1和表2。最小屈服强度和极限抗拉强度均采用API 5L PSL2 X65 SMY规范值。

表1 管道基本参数

表2 环境基本参数

2.2 管道模型

本文基于凝集质量法对管道进行建模。OrcaFlex软件是将管道看作为一系列连续Line单元，Line单元只具有质量，Line单元之间由无质量弹簧连接，通过Line单元和弹簧的应力-应变情况来反映管道的动态响应，如张力、弯矩等[8-11]。

2.3 气囊模型

为了避免气囊提升管道过程中，由于局部管道张力过大引起较大弯曲变形，从而产生过大应力导致管道断裂，采用捆绑多个气囊的方法来分担管道张力，避免出现局部应力过大。3D Buoy单元有3个自由度，可以承受浮力、拖曳力、重力以及附加质量力等外部载荷的作用，模型采用11个3D Buoy单元模拟气囊的作用。此外，设置3D Buoy的体积弹性模量为无限大，从而保证3D Buoy模拟的气囊不发生变形。Winch单元为无质量的虚拟单元，3D Buoy可以通过Winch单元连接到管道的指定位置。3D Buoy单元模拟气囊的相关数据见表3。

表3 3DBuoy单元模拟气囊相关参数

2.4 模型建立

建立的模型是将管道从偏移路由移回到设计路由的过程，即将管道从A点移到C点，见图1。管道End B固定，End A与锚链a端连接，目标位置C安装绞盘，绞盘与锚链b端连接，气囊将管道浮起后，绞盘回收，将管道拖到目标位置C。在OrcaFlex中建立的模型见图2（为整体坐标系，与表3不同）。

图1 搬管路由

3 结果分析

为了说明波浪方向和海流方向对管道弯矩、张力的影响，分别建立管道在不同波浪方向、不同海流方向条件下的动态仿真模型，并进行分析。

图2 模型示意

3.1 不同浪向管道弯矩、剪力结果分析

模型中的海流方向保持180°不变，波浪方向取0°～180°，每隔30°取一个浪向。

图3为沿管道长度方向不同波浪方向下管道弯矩的曲线。图3中出现峰值的位置为气囊安装位置，沿管道长度方向100、200、300、400 m位置的曲线比较尖，其他位置比较圆滑。产生的原因为气囊安装位置气囊浮力对管道的影响占主导地位，波浪的影响相对较小。峰值较尖的位置即为气囊浮力最大的位置。说明气囊浮力对弯矩分布具有较大的影响。观察图3可知，气囊安装位置的弯矩会产生较大变化，搬管作业时应对此位置予以加强。

图3 不同浪向下管道弯矩分布

图4为沿管道长度方向管道最大张力和最大弯矩曲线分布。从图4可以看出，张力值均为正值，说明管道处于拉伸状态。管道的最大张力值，除了管道的首尾端，基本保持一个特定值（最大张力值约为46 875 kN），变化幅度并不是很大。进一步观察图4可知，管道长度在0～50 m位置之间时，最大张力逐渐降低，因为这段长度离牵引端较近，锚链对管道起主导作用，气囊作用较小。End A与锚链连接，当绞盘回收锚链时，该位置瞬间产生拉力，因此该处张力最大。之后，锚链和绞盘对管道的影响逐渐减小，因此管道的最大张力也逐渐减小。管道长度位于50～400 m位置，由于锚链和绞盘对管道的影响很小，最大张力基本趋于平缓。管道长度位于400～500 m位置，由于End B固定，对管道起到束缚作用，离End B越远，束缚作用越小，因此张力逐渐减小。观察图4可知，气囊安装位置的张力会产生骤变，且在大气囊安装位置的骤变比较显著。

图4 管道最大张力和最大弯矩曲线分布

最大张力取47 100 kN，计算可得最大抗拉强度为374.8 MPa，小于极限抗拉强度531 MPa，满足管道强度要求。

由图4可以看出，最大弯矩产生在沿管道长度方向300 m处。分析图4可知，不同方向波浪作用下，当波浪方向为0°时，管道的弯矩最大，说明顺浪对管道的弯矩影响较大，并且此时管道受到的内力、外力以及管道的变形都很大，因此应避免在此浪向下进行搬管作业。此外，对沿管道长度方向300 m处的管道应予以加强。

3.2 不同流向管道张力、弯矩结果分析

模型中的波浪方向保持180°不变，海流方向取0°～180°，每30°取一个流向。

图5为不同海流方向下沿管道长度方向管道弯矩分布。图6为沿管道长度方向管道最大弯矩和最大张力图。图5、6与图3、4曲线趋势分别基本相同，说明海流方向的变化对管道的影响相对较小，波浪方向的改变对管道牵拉过程中的影响占主导地位。

图5 不同流向管道弯矩

图6 管道最大张力和最大弯矩

4 结论

（1）气囊安装位置的管道弯矩、张力都会有一定骤变，因此管道作业过程应予以特殊考虑，以便保证作业安全；离管道牵引端较近时管道的张力比较大，管道中间位置张力变化不大，离管道固定端较近时管道的张力比较小。

（2）波浪方向不同时，0°方向管道的弯矩最大；海流方向不同时，180°方向管道的弯矩最大；最大弯矩发生在沿管道长度方向300 m处，对此位置的管道，在进行设计以及作业时应着重考虑。

（3）波浪和海流方向对管道最大弯矩的影响相比于气囊安装位置以及气囊浮力的影响要小。

[1]边大勇，杜颖，刘建峰，等.海底埋设管线平管起吊运动分析[J].船舶工程，2015，37（12）：92-95.

[2]李盼，王晓飞，甘惠良，等.起管和搬管工艺的改进与应用[C]//第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（上）.北京：海洋出版社，2011：617-620.

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[5]张大朋，朱克强，严心宽，等.不同浪向下船舶动力定位的动力学分析[J].水道港口，2015，36（4）：314-317.

[6]OrcaFLEX help file and user manual[M/OL].http://www.oricina.com.

[7]秦道武，朱克强，朱艳杰.基于凝集质量法的海洋缆索动态响应建模与仿真[J].港工技术，2014，51（3）：7-10.

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Dynamic analysis of submarine pipeline moving with airbags

ZHANG Dapeng1，BAIYong1，NIU Tianxin2，ZHU Keqiang2
1.College of CivilEngineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China
2.Faculty of Maritime and Transportation，Ningbo University，Ningbo 315211，China

In submarine pipeline laying and maintenance，the method utilizing ships to move the pipeline deviating from its design route is often applied.But this method has big difficulty and risk.Combined with the specific sea conditions of a certain sea area，a new method of moving submarine pipeline with airbag is put forward and the dynamic analysis model is established by the nonlinear finite element software OrcaFlex.According to the calculation results，the bending moment and tension at the pipeline positions of installing airbags have rapid changes；the tension near the pipeline towing end is bigger，the tension at the pipeline middle position has less variation，the tension near the pipeline fixing eng is smaller.The pipeline maximum bending moment occurs along 0°or 180°wave direction and at the pipeline distance of 300 m.The influence of wave and current directions on pipeline maximum bending moment is less than the influence of airbag installation position and buoyancy.

submarine pipeline；pipeline moving with airbag；dynamic analysis；OrcaFlex

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.003

长江学者和创新团队发展计划资助项目（IRT0734）；国家自然科学基金资助项目（11272160）。

张大朋（1987-），男，山东聊城人，助理研究员，2017年春季浙江大学建筑工程学院结构工程专业博士在读，主要研究方向为船舶与海洋工程结构物动态响应。Email：1214265737@qq.com

2017-06-10