管线J型铺设下放过程受力影响因素分析*

钟文军 何 宁 王 辉 杨 伟 李少杰 康 庄

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 哈尔滨工程大学船舶工程学院 黑龙江哈尔滨 150001)

J型铺设是一种利用铺设塔将管线以接近垂直的形态下放至海底的铺设方式，具有悬挂长度小、管线张力小的优点，对于超深水管线铺设具有天然的适用性[1-3]，并可以通过调整铺设塔的工作角度改善管线触底点区域的弯曲应力，以适应铺设水深变化[4]。

很多学者对J型铺设过程中管线的受力分析进行了相关研究。Lenci 等[5]基于悬链线理论提出3种考虑海床刚度的静态计算模型并进行对比验证，分析了铺设角和水深对管线上张力与应力的影响；康庄 等[6]基于悬链线理论和大变形梁理论建立了一种分段力学模型，对深水刚悬链立管J型铺设过程进行静态分析；Senthil 等[7]采用软件OrcaFlex进行铺设过程中管线的时域动态分析；张榕恬 等[8]利用软件Moses建立了船体-托管架-管线的全耦合动力定位模型，分析海底管线J型铺设过程中的影响因素；周帅 等[9]运用软件OrcaFlex建立了包含船体、张紧器、管线、绞车的铺设系统模型，进行静态和动态铺设过程分析。这些研究多以管线铺设到海底后的力学影响因素为研究对象，而管线由水面下放至海底过程的分析却较少涉及。通常情况下，管线J型铺设速度为1～1.5 km/d，而超深水管线的J型铺设由于从水面下放至海底过程经历的时间较长，因而分析这一过程管线应力状态及影响因素十分必要。

目前，我国拟建造一座半潜式J型铺管平台，可在3 000 m水深进行φ609.6 mm管线的铺设。本文以该铺管平台为研究对象，采用软件OrcaFlex建立包含铺管船、铺设塔上垂向滚轮、托管架的有限元模型，在静态和动态条件下研究管线由水面下放铺设至海底过程中，铺设角、流向角和船舶运动对管线受力的影响。

1 铺管模型建立

以我国拟建造的半潜式J型铺管平台为目标船，研究铺设塔工作角度和船体运动对管线下放过程中力学性能的影响。该船长180 m，型深48 m，型宽98 m，在满载铺管工况下吃水24 m。目标船上铺设塔及设备的布置见图1a。铺设塔高94.5 m，可满足1×6节点(73.2 m)管段的下放铺设，工作角度65°～90°。由于管段长度大，为了防止平台运动引起的管段与铺设塔之间的碰撞，在铺设塔上布置4个垂向滚轮以控制管段的横向运动。铺设塔底部布置1个小型托管架，托管架与铺设塔工作角度一致，用于辅助铺设塔调整管线入水角[10]。托管架总长22 m，在距离甲板12.5 m和17.5 m处布置2个导向卡环以支撑管线。

利用软件OrcaFlex建立包括铺管平台、铺设塔、垂向滚轮、托管架和管线的铺设系统模型(图1b)。其中，铺管平台水动力参数由软件ANSYS AQWA的计算结果导入。为了保证计算结果准确性，设定管线与铺设塔、托管架接触段单元长度1 m，触底点附近单元长度5 m，其余部分的单元长度10 m。管线顶端与船体设置为刚性连接。铺设管线和海洋环境相关参数见表1。

图1 管线J型铺设计算模型Fig .1 Computational model of pipeline lowering by J-Lay

表1 管线和海洋环境参数Table 1 Key parameters of pipeline and marine environment

2 静态条件下管线应力影响分析

管线铺设至海底的过程可分为2个阶段：管线下放至海底阶段，即管线由水面逐渐下放至其底端与海床接触，无躺底段；管线铺设至海床阶段，即随管线下放长度增加铺管船向前移动，出现躺底段。进行管线下放至海底阶段的分析时，在管线底端放置质量为10 t重物，以减小流载荷作用下管线的漂移距离。

2.1 下放至海底阶段

管线铺设总长度设定为3 800 m，分别研究管线下放500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 m时，铺设角、流向角对管线弯曲应力、最大von Mises应力的影响。当管线下放2 000 m时，不同流向角管线最大弯曲应力和最大 von Mises应力随铺设角的变化如图2a、b所示；当流向角为180°时，不同管线下放长度管线最大弯曲应力和最大von Mises随铺设角变化如图2c、d所示。

图2 铺设角和流向角对不同长度管线最大弯曲应力和最大von Mises应力影响Fig .2 Influence of laying angle and flow direction on maximum bending stress and von Mises stress of different length pipeline

由图2a、b可知，在相同铺设角下，管线最大弯曲应力和最大von Mises应力随流向角的增加而迅速减小；在相同的流向角下，管线最大弯曲应力和最大von Mises应力随铺设角的增加而降低。这是由于相同的海流拖曳力与托管架倾斜方向使管线在托管架处的弯曲应力减小，并且铺设角与管线自然悬挂角相近时，减小了管线在托管架处的弯曲应力。当流向角为180°时，随着铺设角增大，管线最大弯曲应力和最大von Mises应力出现了明显的先减小后增加趋势，说明铺设时存在最佳铺设角。由图2c、d可知，在迎流铺设时，管线最大弯曲应力和最大 von Mises应力的极值随下放长度变化趋势相似，均为先减小后增大，意味着存在最佳铺设角，且最佳铺设角随管线下放长度的增加而增大。这是因为管线自重随其长度的增加而增大，此时管线在流体作用下产生的顶部偏移角有所减小。因此，铺设塔工作角度应随管线下放长度的增加而及时调整，以减小管线上弯曲应力。

分析管线长度为2 000 m、铺设角87°、流向角180°时管线弯曲应力和最大von Mises应力沿长度的分布(图3)。可以看出，弯曲应力的变化较为复杂，但总体趋势为管线在托管架底端出现最大弯曲应力；最大von Mises应力先减小后增加，这是由于有效张力沿管线减小，海水压力沿管线增加导致的。

图3 管线下放2 000 m时弯曲应力和最大 von Mises应力沿管线长度的分布Fig .3 Distribution of bending stress and max von Mises stress along pipeline at length of 2 000 m

2.2 铺设至海床阶段

当管线铺设至海床后，管线底端与海床铰接，顶端有效张力最大，触底点区域弯曲应力和最大von Mises应力出现极值[11-12]。因此在分析触底点区域应力变化时，可取触底点上方10 m处(水深2 990 m)的应力来表示触底点区域应力响应[13-14]，结果见图4。

由图4可知，当管线铺设至海床时，管线顶部有效张力随铺设角的增加而减小，触底点区域弯曲应力和最大von Mises应力增加。这是由于铺设角的增加意味着管线越来越接近以垂直状态入水，管线悬跨段长度减小则触底点附近曲率增加。当铺设角超过84°后，触底点区域的弯曲应力迅速增加，因此铺设角不应超过84°，避免因铺设塔工作角度设置误差而导致的管线触底点区域应力大幅增加。

图4 管线铺设至海床时铺设角对管线受力的影响Fig .4 Influence of laying angle on pipeline stress at laid to the seabed

分析迎流状态下，铺设管线长度3 800 m、铺设角84°时，管线的弯曲应力、最大von Mises应力及管线垂向位置沿管线的变化(图5)。可以看出，管线上弯曲应力和最大von Mises应力随其入水深度的增加逐渐增大，并在触底点区域到达最大值。

图5 管线J型铺设至海床阶段应力和垂向位置沿管线的变化Fig .5 Stress and vertical position along the pipeline at pipeline laying by J-Lay to seabed stage

根据静态分析的结果可知，采用J型铺设进行管线铺设时，铺设角的选择对管线应力影响较大。因此在管线下放铺设过程中，应不断调整铺设塔的工作角度以保证管线的顺利铺设。流向角180°时的铺设塔最佳工作角度、管线上最大弯曲应力和最大von Mises应力如表2所示。根据标准API RP 2RD—2006可知，管线最大von Mises应力和弯曲应力均小于许用应力，满足铺设强度要求。

表2 管线J型铺设下放过程最佳铺设角时的管线应力Table 2 Stress on pipeline at suitable laying degree of J-Lay lowering process

3 动态条件下管线应力影响分析

在时域动态条件下，研究船舶垂荡、纵荡、横摇和纵摇运动对管线J型铺设有效张力和弯曲应力的影响，管线下放至海底阶段和铺设至海床阶段的各参数从表2中选取。设定动态分析的时间步长为0.1 s，模拟时长为1 200 s。利用软件ANSYS AQWA在频域下计算目标船的运动响应函数，并将计算结果导入软件OrcaFlex中，得到铺管平台运动时历曲线(图6)。

图6 J型铺管平台运动时历曲线Fig .6 Motion time history curve of J-Lay platform

3.1 下放至海底阶段

由静态分析结果可知，在管线下放至海底的过程中，管线与托管架接触处的弯曲应力最大。因此在进行管线由水面下放至海底阶段的动态分析时，设定管线下放长度2 000 m，铺设角 87°，流向角180°，研究垂荡、纵荡、横摇、纵摇4种船舶运动对此处弯曲应力和顶部有效张力的影响，结果如图7所示。

由图7a可以看出，铺管船垂荡对于顶部有效张力影响较大，而纵荡几乎没有影响。这是由于铺管船的纵荡只能带动小范围的管线运动，因此不会引起管线顶部张力的较大变化。由图7b、c可以看出，船体运动对管线在托管架处弯曲应力影响较大。这是由于在铺设塔和托管架的作用下，托管架以上的管线会与铺管船运动一致，而托管架以下的管线在流体拖曳作用下发生运动延时，托管架处管线曲率的增大导致该处弯曲应力随铺管船运动产生较大的波动。由图7d可知，在时历计算过程中，船体横摇和纵摇对托管架处管线弯曲应力有较大影响，管线其他位置弯曲应力变化不明显。

图7 船体运动对管线下放至海底阶段受力影响Fig .7 Influence of ship motion on the stress of pipeline in the stage of lowering to sea bottom

3.2 铺设至海床阶段

当管线铺设至海底出现触底段后，管线弯曲应力在触底点区域最大。由于铺管船横摇和纵摇运动对远离托管架处管线的弯曲应力影响较小，因此在进行管线铺设至海床阶段的动态分析时，设定管线长度3 800 m，铺设角84°，流向角180°，研究船舶垂荡和纵荡对管线顶端有效张力和触底点上10 m处弯曲应力的影响，结果如图8所示。

图8 船体运动对管线铺设至海床阶段受力影响Fig .8 Influence of ship motion on stress of pipeline laying to seabed

由图8可知，在管线铺设至海床阶段，铺管船垂荡引起的管线顶端有效张力和弯曲应力均产生较大波动，且波动时历与船运动时历相似，而铺管船纵荡对管线顶端有效张力和弯曲应力的影响较小。这是由于铺管船垂荡会带动管线随之运动，管线自重使其顶端张力产生较大波动，管线铺设形态的变化引起触底点区域弯曲应力的变化。铺管船的纵荡幅值相比水深而言较小，因而无法对管线应力产生较大的影响。因此，当管线铺设至海床后，应重点监测船舶的垂荡运动。

4 结论

1) 管线J型铺设的静态分析表明，铺设角和流向角对管线受力有较大的影响。在海流拖曳力作用下，管线在托管架接触处产生较大弯曲应力，应尽量选择在迎浪时进行铺设。管线J型铺设中存在最佳管线铺设角，因此随着管线下放长度的增加，应通过调整铺设角的方式改善管线受力情况。

2) 管线J型铺设的动态分析表明，下放至海底阶段，铺管船垂荡引起管线顶端张力产生较大波动，垂荡、纵荡、横摇和纵摇引起托管架处弯曲应力产生较大波动；铺设至海床后，船舶垂荡会导致管线顶端张力和触底点区域弯曲应力产生较大的波动，波动时历与船舶运动时历相近，在铺设时应监测铺管船垂荡，防止管线顶端张力出现较大波动。