深水J型铺管管线动力响应分析

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(1.上海交通大学 a.海洋工程国家重点实验室, b.船舶海洋与建筑工程学院，c.高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240;2.上海交通大学 水下工程科学研究院有限公司， 上海 200231)

0 引 言

图1 J型铺管法示意图

随着陆地油气资源的日益减少，油气资源的开采向海洋进军已成为必然趋势。海上油气的运输越来越显现出极大的重要性，海底管线运输作为海上油气运输较经济的方式，在海洋油气资源开采中的作用日益突显[1-2]。

目前，用于海底管线铺设的方式主要有S型、J型和卷筒式铺管法。卷筒式铺管法主要适用于小直径管线的铺设。S型和J型铺管法因铺设过程中管线的形状而得名：S型铺管法中管线沿着托管架离开铺管船，管线在托管架支撑作用下自然地弯成S型曲线，主要适用于浅水和中等水域；J型铺管法中管线以近乎垂直的角度从船上的铺设塔进入海里，其整体的形状呈J型，如图1所示。随着水深的增加，J型铺管法的应用优势凸显，被认为是最适合深水和超深水海底管道的铺设方式。

国内外很多学者对J型铺管法管线力学特性进行了相关研究。LENCI等[3]基于悬链线方程建立不同的分析模型，研究J型铺管法管线力学问题。王立忠等[4]在LENCI的基础上将管线视为柔性管，分析了不同参数对管线静力学性能的影响。SZCZOTKA[5]提出运用刚性有限元模型分析J型铺管过程中的管线力学问题，研究触底点到船舶不同的水平距离和管线顶部运动对竖直和水平张力的影响。康庄等[6]将悬链线理论与大挠度梁理论有机结合起来，利用奇异摄动法进行管线的静态分析。陈景浩等[7]运用有限元方法对管线静态力学性能进行计算，讨论不同铺设参数对其的影响。SENTHIL等[8]利用OrcaFlex软件建立船管模型，对管线进行动态分析。焦晓楠等[9]利用ABAQUS软件研究J型铺设升沉运动下不同参数对管道顶部和触底点应力的影响。目前，J型铺管法管线力学特性的研究大多只考虑管线自身的静动力分析，考虑船的运动和海洋环境载荷对管线力学特性影响的研究还相对较少。在实际铺管过程中，管线将不可避免地受到波浪、海流等环境载荷的影响。而波浪、海流对管线的作用力会影响管线的形态和内力分布。同时，铺管船会受到风、浪、流等载荷作用而产生反复运动，也会对管线形态和内力分布产生较大影响。

本文充分考虑波浪、海流及铺管船运动的共同作用，采用ANSYS AQWA软件分析某J型起重铺管船在波浪中的运动，建立更加真实全面的有限元模型，研究深水J型铺管过程中管线的力学特性，为实际的海底管线铺设提供理论指导。

1 理论基础

1.1 铺管船运动理论

在J型铺管过程中，由于风、浪、流环境载荷的共同作用，铺管船会产生多自由度的低频反复性运动和偏移，进而对管线造成较大影响。假设船体是一个线性变化系统，即在单一频率规则波的作用下，一阶波浪力幅值与入射波幅值成正比。因此，一阶波浪力常以频率响应函数的形式给出，频率响应函数表示单位波浪作用下系统的响应，既包含幅值响应算子(Response Amplitude Operator, RAO)，也包含相位响应算子。铺管船的运动通常由6个自由度的RAOs确定，分别为沿着坐标轴方向运动的纵荡、横荡和垂荡，绕着坐标轴转动的纵摇、横摇和艏摇。

1.2 管道结构计算理论

采用集中质量法建立管线的有限元模型，将管线离散成无数的有限单元，每个单元由2个节点和1段无质量的弹簧单元组成，如图2所示。管道的弯曲、轴向和扭转特性由弹簧单元及相应的阻尼器模拟，而其他的特性(管线的质量、受到的力和力矩等)都作用于节点上。

图2 管线有限元模型示意图

1.3 水动力载荷

水中铺设的管道属于细长柱体构件，由于流体存在黏性，流场情况较为复杂，很难得到实用的水动力载荷理论结果。目前普遍采取的方法是忽略管道对水质点速度和加速度的影响，采用修正的Morison方程计算水动力载荷：

(1)

图3 OrcaFlex有限元模型

式中：uw为波浪的速度矢量；uc为海流的速度矢量；Cd为拖曳力系数；CM为惯性力系数；ρ为海水密度。

2 对比验证

图4 管线动力分析张力情况对比

图5 管线动力分析弯矩情况对比

图6 管线动力分析应力情况对比

本文采用有限元软件OrcaFlex建立J型铺管的三维有限元模型，如图3所示。为了验证计算结果的可靠性，参数参照文献[8]进行设置，并将计算结果与文献[8]进行比较，如图4～图6所示，可以看出：本文的结果与文献的结果吻合良好。

3 实例分析

本文结合某J型铺管船的设计进行研究，铺管船的主尺度见表1。船的水动力分析采用基于三维势流理论的ANSYS AQWA软件，水动力模型如图7所示。计算得到各种海况下船体的RAOs。在OrcaFlex软件中建立该船型管线的有限元模型，水深为1 500 m，铺设角为85°。管线及海水参数见表2所示。波浪选用JONSWAP谱，详细参数见表3。海流为表面流速1 m/s，海底流速为0，为非线性流。流速与水深的关系如图8所示。

表1 铺管船主尺度 m

表2 管线及海水参数

表3 波浪详细参数

图7 铺管船水动力模型 图8 流速与水深关系示意图

3.1 静动力结果比较

本文进行静动力结果比较时以浪流方向都是0°为例。静力与动力分析管线受力情况对比如图9和表4所示，可以看出：在船的运动和海洋环境的共同作用下，动力和静力相比结果都有增加。管线的张力整体上都有增加，最大张力增幅为19.8%；管线的弯矩和应力变化主要在触底区附近，增幅分别为38.2%和28.8%，所以在铺管过程中要特别关注管线在触底区附近的受力情况。

图9 管线静动力受力情况对比

表4 静动力计算结果对比

3.2 张力时程

图10 顶部张力时程曲线

管线顶部张力的时程曲线如图10所示，可以看出：在铺管船和浪流的共同作用下，顶部张力在一定的范围内随机波动，从1 501 kN到2 166 kN，变化幅度为665 kN。顶部的张力关系到张紧器的选择，一般顶部张力器的选择既要考虑顶部的最大张力，也要考虑张力的变化范围。如果顶部张力超过张紧器的允许范围，则可能发生管线轴向窜动，甚至脱落滑至海底，引发工程事故。

3.3 浪流方向的影响分析

为研究浪流方向对管线受力情况的影响，将波高、周期和流速固定不变，考虑到铺管船的对称性，浪流方向分别选取0°、45°、90°、135°、180°这5个角度，将浪流方向组合，计算管线的动力响应。不同浪流方向工况下的张力、弯矩、应力分别见表5～表7，曲线图如图11所示。

表5 不同浪流方向条件下的顶部张力结果 kN

表6 不同浪流方向条件下的触底区弯矩结果 kN·m

表7 不同浪流方向条件下的触底区应力结果 MPa

图11 不同浪流方向管线受力情况

由表5～表7和图11可以看出：(1)随着流向角度的增加，张力逐渐减小而弯矩和应力逐渐增加。(2)在流向为180°时张力最小而弯矩和应力最大；浪向角为45°时，管线的张力、弯矩和应力都最大，而在浪向角为0°时三者均最小；根据对称性可知，浪向角315°时有类似结论。(3)浪向45°(315°)，流向0°时张力最大，最大值为3 549 kN，浪向45°(315°)、流向180°时弯矩和应力最大，最大值分别为758.1 kN·m和468 MPa，在铺管施工过程中需尽量避免在这些浪流条件下施工。(4)最大应力和弯矩变化趋势基本一致，这主要是因为应力和弯矩的最大值都出现在触底区附近，在触底区附近弯矩对应力的影响较大。

4 结 论

本文结合某J型起重铺管船，应用ANSYS AQWA和OrcaFlex软件分别建立船与管线的动力相互作用模型，研究铺管船运动及不同浪流方向对管线受力的影响，进行J型铺设过程中海底管线的动力响应分析，主要结论如下：

(1) 在铺管船运动及波流载荷的共同作用下，管线张力增加19.8%，张紧器所需的张紧力明显增加；弯矩和应力分别增加38.2%和28.8%，主要在触底区附近。所以，在铺管过程中要特别关注管线在触底区附近的受力情况。

(2) 管线张力在顶部最大且顶部张力在1501 kN～2 166 kN间随机变化，变化幅度为665 kN，需要合理设计张紧器的张紧力大小，避免顶部张力超出张紧器的张紧力范围。

(3) 浪向45°(315°)、流向0°时管线张力最大，最大值为3 549 kN；浪向45°(315°)、流向180°时弯矩和应力最大，最大值分别为758.1 kN·m和468 MPa，在施工过程中应尽量避免在这些海况下作业。

(4) 不同浪流方向工况下应力最大值与弯矩最大值的变化趋势基本一致，这主要是因为应力的最大值出现在触底区附近，受弯矩的影响较大。

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[9] 焦晓楠, 陈晓芳, 段梦兰, 等. J型铺设升沉运动下管道动态响应分析[J]. 石油机械, 2015 (01): 42-46.