铺管船运动响应及对铺设管线的耦合作用

王玉红，李磊，张兆德，郭远志

1浙江大学海洋学院，浙江舟山316021

2浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山316022

0 引 言

在实施海洋强国战略的过程中，不仅需要研发先进的技术和装备，同时为了实现资源的合理配置，也需要对老旧设备进行升级改造以提升其作业能力。铺管船在海底管道铺设任务中扮演着非常重要的角色，目前我国具备深水铺管作业能力的铺管船仅有“海洋石油201”，而“滨海109”、“蓝疆”、“中油海 101”、“CPP601”等均为浅水铺管船［1-3］。随着深海海洋资源的不断开发，对大型深海起重铺管船的需求也在日益增加［4］，而浅水铺管船则面临着被淘汰的危机，因此有必要开展浅水铺管船提升作业能力的分析工作。

由于“中油海101”铺管船的设计作业水深只有40 m，为了保障西气东输台湾海峡项目，需进一步提升其铺管作业水深，为此很多研究人员对其进行了分析探讨。曾骥等［5］运用ANSYS-AQWA软件分析了不同航道水深条件下铺管船的运动响应和系泊系统的载荷特性，完成了香港支线铺设作业的安全性评估；付翔［6］对比分析了40 m作业水深条件下同时移动单锚和双锚的锚链受力情况，验证了移动双锚方案的可行性；李磊等［7］研究了在60 m作业水深条件下铺管船提升锚泊定位的能力，分析了最大作业水深和最优铺管方案；高兆鑫等［8］针对“中油海101”铺管船的托管架优化设计开展了分析。

综上所述，目前“中油海101”铺管船的研究大多集中于船体运动响应和锚链载荷特性等方面，未针对其铺设管道与船体及系泊系统的相互作用开展研究。因此，本文以“中油海101”铺管船作业能力提升工程项目为基础，拟采用水动力软件SESAM和Orcaflex，基于势流理论，在时域范围内分析铺管船增加作业水深时其管道与船体及系泊系统的耦合作用，并探讨船体六自由度运动对管道受力的影响，从而完成“中油海101”铺管船作业能力提升项目的安全评估工作，用以为项目实施提供理论参考和依据。

1 理论基础

本文的计算过程主要分为2个步骤：一是利用SESAM软件计算铺管船系泊系统与铺设管道之间的耦合作用；二是利用Orcaflex软件计算铺管船运动对铺设管道受力的影响。

船体在时域范围内的耦合运动方程为［10-11］

式中：M和μ分别为质量矩阵与附加质量矩阵；为船体加速度；为船体速度，其中τ为积分的时间变量；K(τ)为延时函数矩阵；C为回复力矩阵；x(t)为船体位移；分别为一阶波浪力和二阶波浪力；Fmoor为系泊力；Fcurrent为流力；Fwind为风力。

在OrcaFlex软件中，管道采用悬链线模型并将其视为柔性缆，其中若干段模型之间采用质点链接，其有限元模型如图1所示。图中：Sx1，Sy1，Sz分别为柔性缆分解的3个方向，其中Sz为柔性缆的轴向方向；Nx，Ny，Nz分别为质点分解的3个方向，其中Nz为质点的轴向方向；α为Sz与Nz方向的夹角。

可以参考式（2）来求解管道与船体的耦合运动方程，采用集中质量法计算管道受到的轴向拉压、横向弯曲和扭转等作用力［12］。根据Orcaflex软件说明书，管道单元所受的有效张力为

式中：Te为有效张力；Tw为管壁张力；Pi和Po分别为管道内、外部压力；Ai和Ao分别为管道的内、外受力截面面积。

2 仿真模型

2.1 模型参数

首先，在SESAM-GeinE中建立铺管船的湿表面模型；然后，导入HydroD中计算得到船体的水动力参数；最后，导入DeepC中进行船体与系泊系统的时域耦合分析，并以此计算结果为基础开展铺管船与管道的耦合作用研究。

“中油海101”的设计参数如表1所示，湿表面模型如图2所示。

表1 “中油海101”设计参数Table 1 Design parameters of"ZHONG YOU HAI 101"

2.2 环境工况

铺管船的作业海况如表2所示［13］，#1～#8锚链的布置方式如图3所示，锚链和管道参数如表3所示，Orcaflex计算模型如图4所示。

表2 作业海况Table 2 Operating sea condition

表3 锚链及管道基本参数Table 3 The basic parameters of mooring lines and pipes

3 计算结果

3.1 铺设管道对船体运动响应和锚链张力的影响

假设波浪入射方向分别为0°，45°和90°，管道对船体运动响应及锚链张力的影响分别如表4和表5所示。

由表4可知，当波浪入射角为0°时，船体纵荡幅值的变化较大，其他入射角条件下的幅值变化较小，这是因为在铺管过程中，管道从船艉延伸至海底，其自重分力会对铺管船产生较大的纵向拉力，故波浪入射角为0°时船体的纵荡幅值变化较大；在斜浪及横浪工况下，船体的横荡、艏摇运动幅值变化较大，而垂荡幅值的变化则较小；当波浪入射角为90°时，横摇、纵摇幅值的变化较大。由此可见，管道对船体的运动响应有一定的影响且对纵荡运动的影响较大，该结论与参考文献［14-15］的计算结果相符。

表4 管道对船体运动的影响Table 4 The influence of pipeline on hull motion

表5 管道对锚链张力的影响Table 5 The influence of pipeline on anchor tension

由表5可知，当波浪入射角为0°时，由于船艉的管道对船体存在拉力作用，故#1～#4锚链的最大张力值有所增加，而#5～#8锚链的最大张力值则有所减小；当波浪入射角为45°时，#1～#4锚链的最大张力值存在不同程度的增加，而#5～#8锚链的最大张力值则均呈减小趋势；当波浪入射角为90°时，#3锚链的张力值增幅最大，虽然#6锚链和#3锚链相对于船体布置，但由于船艉管道的存在，实际上#6锚链的张力变化值小于#3锚链。综上可知，管道对锚链张力的影响较大，该结论与参考文献［14］的计算结果相符。

3.2 管道水下悬垂段对船体运动响应和锚链张力的影响

铺管船在作业期间铺设的管线分为2段，即上弓段和悬垂段。从管线进入导管架到管线自身的反弯点位置即为上弓段，而悬垂段则是指反弯点到海底接触点的管线长度。假设管道水下悬垂段的长度分别为103，105，107，109，111 m，本节将分析水下管道不同悬垂段对船体运动和锚链张力的影响，结果如图5和图6所示。

由图5可知，随着悬垂段长度的增加，纵荡运动的增幅最为明显，垂荡、纵摇、艏摇运动的增幅较为平缓，而横摇运动的幅值则是减小后维持不变。因此，除了纵荡运动之外，悬垂段长度的变化对其他5个自由度运动的影响均较小。

由图6可知，随着悬垂段长度的增加，#5～#8锚链的张力增加，而#1～#4锚链的张力则呈减小趋势，且变化幅值相对较大。由于#5和#8锚链、#6和#7锚链、#1和#3锚链、#2和#4锚链相对于船体对称布置，故其均随悬垂段长度的增加而呈现出相同的变化趋势。可见，管道水下悬垂段的长度对铺管船体纵荡运动和锚链张力的影响较大。

3.3 船体运动对管道受力的影响

本节将分析船体各个自由度运动对铺设管道受力的影响，以研究管道受力对船体运动的敏感程度。在管道铺设过程中，船艉处附近管道上端的张应力最大，而海底段附近的管道因弯曲变形导致的弯曲应力最大。表6所示为输入Orcaflex软件的铺管船运动幅值，图7所示为管道上端的轴向张应力随船体各个自由度运动的变化曲线，图8所示为管道的最大弯曲应力随船体各个自由度运动的变化曲线。

由图7可知，船体六自由度运动均会对铺设管道上端的管道受力产生一定的影响，且管道受力随着各个自由度运动幅值的增加而增加。从计算结果分析得出，横摇、艏摇、纵摇运动对管道受力的影响较小；纵荡运动产生的管道张应力最大值略小于横荡，而垂荡运动产生的管道张应力值最大。综上所述，船体平移运动对管道张应力的影响要远大于摇荡运动，船体六自由度运动对管道张应力的影响依次为：艏摇＜横摇＜纵摇＜纵荡＜横荡＜垂荡，该结论与参考文献［14，16］的计算结果一致。

表6 船体运动的输入值Table 6 The input value of hull motion

由图8可知，船体六自由度运动均会对管道底部的弯曲应力产生一定的影响，其中横摇、艏摇运动对管道弯曲应力的影响较小；纵摇运动产生的管道弯曲应力最大值小于纵荡和横荡运动；垂荡运动产生的管道弯曲应力值最大。同时，平移运动的幅值不同，管道的最大受力位置也有所不同；随着平移运动幅值的增加，管道的最大受力位置将会逐渐向上端转移。综上所述，平移运动对管道弯曲应力的影响要远大于摇荡运动，船体六自由度运动对管道弯曲应力的影响依次为：艏摇＜横摇＜纵摇＜横荡＜纵荡＜垂荡，该结论与与参考文献［14，16］的计算结果相符。

4 结 论

本文以“中油海101”铺管船提升作业能力实际工程项目为依托，基于势流理论，运用SESAM和Orcaflex软件分析了铺管船在增加作业水深时管道与船体及系泊系统的相互作用，得到如下结论：

1）管道对船体运动和锚链张力的影响较大，且受波浪入射方向的影响，其中0°入射角时船体纵荡运动的幅值较大，90°入射角时锚链张力的幅值较大。

2）管道悬垂段的长度对船体纵荡运动的影响较大，对其他自由度运动的影响较小；悬垂段长度对锚链张力的影响较大，当悬垂段长度增加时，#5～#8锚链的张力将随之增加，而#1～#4锚链的张力则会减小。

3）船体平移运动对管道受力的影响要远大于摇荡运动，其中垂荡运动的影响最大。船体六自由度运动对管道张应力的影响依次为：艏摇＜横摇＜纵摇＜纵荡＜横荡＜垂荡；对管道弯曲应力的影响依次为：艏摇＜横摇＜纵摇＜横荡＜纵荡＜垂荡。