柔性管道甩弯铺设分析

高 超, 陈晓东, 孙 锟, 张西伟, 黄金涛

(深圳海油工程水下技术有限公司,深圳 518000)

0 引 言

作为海洋油气资源开发的主要方式之一，柔性管道得到了广泛应用。柔性管道是一种金属材料和聚合物材料共同组成的复合材料结构，具有可设计性、易弯曲、易铺设、可回收，更适应海洋环境等优点[1-2]。目前，柔性管道已逐渐应用于中国南海油气田开发项目。

柔性管道的海上安装作业是实现油气田工程建设的重要一环。目前常见的安装方式有水平铺设(horizontal lay)和垂直铺设(vertical lay)两种。从安装资源的角度来看，两种方式的区别主要体现在水平铺设采用下水桥(chute)，柔性管道从船舷或船尾入水，形成S形；而垂直铺设采用垂直铺设系统(vertical lay system， VLS)从月池或船舷下水，形成J形[3]。

在柔性管道的铺设过程中，主要的失效载荷工况包括管道挤压、张力过大、弯曲半径过小及管道受到较大的轴向压力。在水平铺设时，柔性管道与下水桥的接触载荷与其顶部张力和下水桥半径有关，顶部张力越大，接触载荷越大；下水桥半径越大，接触载荷越小，较大的接触载荷会导致柔性管道的挤压失效[4-5]。由于下水桥尺寸设计受安装限制，而水深是影响柔性管道顶部张力的主要因素，因此水平铺设更适用于浅水的柔性管道安装作业。柔性管道铺设过程中另外一个重要的限制条件是其对最小弯曲半径(minimum bend radius， MBR)和轴向挤压力的要求，通常柔性管道在未通过张紧器前，MBR可按静态存储半径要求，而通过张紧器后，则要按动态安装最小弯曲半径要求。较大的轴向挤压力可导致柔性管道局部屈曲或者出现“鸟笼”的现象，轴向挤压力与船舶运动相关[6-7]。此外，柔性管道的湿重对于其铺设稳定性非常重要，增加湿重能改善柔性管道铺设的稳定性，但是同时也会增大顶部张力[8-9]。

柔性管道铺设的路由，通常存在弧形甩弯的设计。常见的甩弯铺设有以下几种情况：

(1) 柔性管道本身存在海底走向改变的情况，因此在变向位置会设计成弧形的路由，即路由弯。

(2) 柔性管道在出厂时的完工长度往往比设计长度长，因此在铺设过程中会设计弧形弯来消耗多余的长度，即消耗弯。

(3) 如果存在柔性管道通过护管，抽拉上平台的情况，则施工时会提前将柔性管道末端甩弯铺设至靠近平台的海底，再通过平台绞车和安装作业船配合将弧形的管段抽拉进护管。

(4) 柔性管道设计长度本身会预留一定余量，铺设时以弧形的方式实现，若将来管道运营时发生管体损坏，可以通过切除损坏段，利用预留段进行补充和维修。

目前针对柔性管道甩弯铺设的设计分析相对较少。甩弯作业施工流程复杂、柔性管道铺设精度难以控制，且对海况的依赖程度高。本文首先基于DNV GL-RP-F109规范和悬链线方程给出影响柔性管道甩弯铺设的主要参数及推荐移船的一般做法，然后结合工程实例，利用有限元分析软件OrcaFlex模拟柔性管道甩弯铺设动态过程，通过对比研究柔性管道的归一化曲率及甩弯铺设允许最大有义波高，得到甩弯铺设的水平控制距离取值范围，最后在给出设计水平控制距离取值情况下，得到作业船舶的移船方案。

1 甩弯铺设作业原理及参数研究

柔性管道经过作业船舶储存装置、张紧器和下水桥入水，通过船舶向前移动，柔性管道依靠自身重力和张紧力铺设至海床上。若船舶在移动过程中同时发生转向运动，则柔性管道在海床上会形成弧形路由。

根据DNV GL-RP-F109规范[10]，当柔性管道以一定的甩弯半径铺设时，其触泥点(touch down point， TDP)处最大水平张力值如式(1)所示.

H≤Rc(μωs+FR)

(1)

式中：H为柔性管道触泥点水平张力(kN)；

Rc为柔性管道甩弯设计半径(m)；

μ为摩擦系数；

ωs为柔性管道单位长度湿重(kN/m)；

FR为被动土压力(kN)。

柔性管道铺设过程中，还未发生明显下沉现象，土壤对其未产生侧向压力，因此式(1)可忽略被动土压力的影响，简写为

H≤Rcμωs

(2)

按照设计路由进行柔性管道甩弯铺设时，其触泥点的水平张力不能超过式(2)的限制，否则柔性管道将会发生侧向滑移，不能按照设计弧形路由准确就位。

根据悬链线方程[11]，在静力作用下，柔性管道触泥点水平张力即顶部张力的水平分量，如图1所示，即

H=Tsinα

(3)

ωsl=Tcosα

(4)

式中：T为柔性管道顶部张力(kN)；

l为柔性管道悬链线长度(m)；

α为柔性管道顶部分离角(°)；

h为水深(m)。

Layback为柔性管道顶部分离点到触泥点水平控制距离(m)。

图1 柔性管道静力分析Fig.1 Static catenary sketch of flexible pipe

由式(3)和式(4)可得柔性管道触泥点水平张力：

H=ωsl·tanα

(5)

在确定油田区域铺设柔性管道，即水深一定、柔性管道参数一定时，柔性管道的悬链线长度和顶部分离角只与铺设水平控制距离相关，因此柔性管道在触泥点的水平张力随着水平控制距离的变化而变化。在实际柔性管道铺设时，监测其在触泥点处的水平张力值较难实现，因此通过有效控制水平控制距离的大小来控制水平张力的大小，从而保证柔性管道能够按照设计甩弯半径顺利安装。

柔性管道铺设的水平控制距离不能设计得过小，因为这有可能导致柔性管道在触泥点位置弯曲半径小于柔性管道设计的安装最小弯曲半径，从而导致柔性管道发生局部屈曲破坏，因此式(2)可修正为

Hmin(MBR)≤H(Layback)≤Rcμωs

(6)

柔性管道甩弯铺设确定合适的水平控制距离后，另一个重要的考量是在海上施工时，要设计合理的安装船舶移船方向和位移，保证每一步施工满足设计的要求，从而保证柔性管道按照设计甩弯路由准确就位。

图2给出了柔性管道在船尾水平铺设和船侧水平铺设时，船舶移船路由和角度变化的基本示意。作业船舶移船和转向设计的基本思路：

(1) 将柔性管道甩弯弧形路由平均分解成n段圆弧，一般在海上施工，以5°～10°圆心角对应圆弧平分即可。

(2) 柔性管道铺设方向，即下水桥方向与圆弧切线重合，分离点到触泥点的距离保持在设计的水平控制距离值。

(3) 每次船舶转向的角度等于对应圆弧的圆心角，而移船距离等于两次转向间的距离。

(4) 移船、转向及柔性管道下放保持同步，保证水平控制距离值时刻处于设计的范围。

图2 柔性管道甩弯铺设移船一般做法Fig.2 Vessel movement general method for flexible pipe curved laying

如图3所示，作业船舶移船时，其原点移动轨迹为圆弧形，设柔性管道在下水桥分离点到船舶原点的水平距离为d。柔性管道在船尾水平铺设时，船舶原点运动圆弧的半径Rvessel由式(7)确定。柔性管道船侧水平铺设时，其在入水桥分离点的运动圆弧半径由式(8)确定，分离点运动半径Rchute、分离点到船舶原点水平距离d和船舶原点运动圆弧的半径Rvessel组成三角形，由余弦定理可知式(9)，可以确定船侧铺设时船舶原点运动圆弧的半径Rvessel。同时作业船舶每一次移船的水平移动距离ΔS，以Rvessel为半径，每次转向角度θ为圆形角的割线长度，由余弦定理得到式(10)。

图3 每次移船距离示意Fig.3 Vessel step sketch

(7)

(8)

(9)

(10)

2 工程应用

以国内某柔性管道铺设项目为例，根据柔性管道设计铺设路由，分析计算其甩弯时水平控制距离的合理范围，并给出作业船舶在海上甩弯铺设时的移船方案。

铺设作业水深110 m，采用水平铺设方式，下水桥半径为4.5 m，柔性管道布置在船舶尾部。

2.1 分析数据

如图4所示，铺设一条8 in柔性管道，在靠近生产平台侧设计了两次甩弯铺设路由。甩弯设计一的目的是改变柔性管道走向，即路由弯；甩弯设计二由三段圆弧组成，目的是消耗掉柔性管道完工后的多余长度，即消耗弯，甩弯半径设计均为30 m。

图4 8 in柔性管道设计铺设路由Fig.4 Design laying route of 8″ flexible pipe

8 in柔性管道的设计参数如表1所示。模拟分析软件为OrcaFlex10.2b，分析模型如图5所示。动态分析波浪谱为JOHNSWAP谱，谱峰因子为2.4，海流选择一年一遇数据，管体与海床摩擦系数取值为0.4[3]。海洋环境载荷方向和工况矩阵如图5和表2所示。

表1 8 in柔性管道设计参数

(续 表)

图5 分析模型和环境载荷方向Fig.5 Analysis model and environmental load direction

表2 分析工况矩阵

本文分析结果定义波浪方向0～360°为一个全浪向结果，谱峰周期6.0～15.0 s为一个全周期结果。

2.2 水平控制距离设计

根据式(6)，8 in柔性管道满足图4中30 m甩弯半径时的触泥点最大水平张力为4.212 kN，此时对应的水平控制距离值为37.8 m。分别取水平控制距离值为35.0 m、 30.0 m、 25.0 m、 20.0 m和15.0 m，进行动态模拟。

定义柔性管道无量纲曲率(normalized curvature， NC，以下称归一化曲率)[12]如公式(11)所示，即柔性管道安装要求的最小弯曲半径(MBRinstallation)与环境载荷下管道取得的最小弯曲半径(MBRdynamic)的比值，取值要求范围为[0, 1]。

NC=MBRinstallation/MBRdynamic

(11)

表3给出了不同有义波高、不同水平控制距离，全浪向、全周期下，柔性管道的归一化曲率计算结果。当有义波高超过2.5 m后，8 in柔性管道的归一化曲率均不满足要求。柔性管道的常规海上安装作业对天气窗口的要求在1.5 m有义波高以上，即尽量不出现低于1.5 m波高的船舶待机。从表3中可以得出，水平控制距离在20～35 m时，可以满足在1.5 m有义波高以上进行海上施工，即柔性管道可以按照设计的弧形路由进行铺设。若低于水平控制距离的范围，管道的归一化曲率不满足要求，降低了船舶的海上作业窗口，提高了柔性管道破坏的可能性。

表3 全浪向、全周期下柔性管道的归一化曲率

图6分别给出了不同水平控制距离、不同波浪方向、全周期下，柔性管道甩弯铺设的天气窗口(最小有义波高)。由图6可知，全浪向均取得超过1.5 m有义波高的天气窗口，而在船尾斜浪(45°和315°)时，均取得最小的安装窗口。

图6 柔性管道甩弯铺设的天气窗口Fig.6 Installation window for flexible pipe laying curve operation

图7分别给出了不同水平控制距离、1.5 m有义波高、全周期下，柔性管道归一化曲率沿着弧长方向的变化。由图7可知，在悬链线段(0～100 m)和触泥段(130 m以上)，柔性管道的归一化曲率值小于0.2，而在触泥点附近段(100～130 m)，归一化曲率变化明显。

图7 1.5 m有义波高，柔性管道沿管线弧长的归一化曲率值Fig.7 Flexible pipe NC in arc length， Hs=1.5 m

由表3和图7可知，水平控制距离为20 m时，柔性管道的归一化曲率为0.997，接近上限。因此综上考虑，8 in柔性管道海上甩弯铺设的推荐水平控制距离为25～35 m。

以水平控制距离为30 m为例，表4给出了水平控制距离为30 m，1.5 m有义波高时，柔性管道在不同波浪方向和谱峰周期下的归一化曲率值。

2.3 移船设计

以水平控制距离为30 m，图8和图9分别给出8 in柔性管道按照图3设计路由一和路由二进行甩弯铺设时，作业船舶推荐的移船路径。

移船过程中，柔性管道每次下放长度约为5.2 m(圆形角10°，半径30 m对应的圆弧长)、船舶每次转向10°，同时由式(9)可得船舶每次移动距离约为8.0 m。

表4 1.5 m有义波高、水平控制距离为30 m时，柔性管道的归一化曲率值

图8 柔性管道甩弯铺设移船设计(1)Fig.8 Installation vessel movement design in flexible pipe laying curve route (1)

图9 柔性管道甩弯铺设移船设计(2)Fig.9 Installation vessel movement design in flexible pipe laying curve route (2)

3 结 语

柔性管道进行甩弯铺设时，需准确评估铺设影响参数和移船设计方案。本文结合工程实例，对柔性管道甩弯铺设影响参数开展了理论研究与数值分析，并给出了海上施工推荐的移船方案，得到了以下主要结论：

(1) 在柔性管道设计参数和安装水深确定后，其甩弯铺设主要受水平控制距离和作业船舶运动轨迹影响，而水平控制距离取值范围由柔性管道触泥点水平张力限制和安装最小弯曲半径决定。

(2) 在甩弯铺设时，作业船舶运动轨迹同样为一圆弧，其运动半径与柔性管道甩弯路由半径和水平控制距离相关。

(3) 较小的水平控制距离可以降低柔性管道触泥点水平张力，有利于甩弯铺设，但同时也会减小柔性管道弯曲半径，降低安装天气窗口，因此要根据分析： 计算设计合理的水平控制距离范围。

(4) 船尾水平甩弯铺设柔性管道，在船尾受斜浪(45°和315°)时，取得最大的归一化曲率值和最小的安装天气窗口。

(5) 柔性管道沿着弧长方向在悬链线段和触泥段取得较小的归一化曲率值，而在触泥点附近段，归一化曲率变化明显且取得最大值。