基于Orcaflex的海底管道提升出水的动态模拟分析

王伟松

（天津大港油田集团工程建设有限责任公司，天津 300270）

海底管道作为最安全、最便捷、最经济可靠的海上运输方式，承担着输送石油、天然气、水或其他液体介质的责任，几乎不受环境条件的影响，受到了全球各大石油公司的追捧，自1954年第一条海底管道建成以来，在当今中国乃至世界范围内，海底管道的铺设里程呈现指数上升的发展态势，总里程目前已达十几万千米。海底管道在正常运营期间，面临来自各个方面的风险，表现在：（1）自然环境风险，比如海底土质受到水流的侵蚀，导致海底管道下方土壤被掏空而造成的悬跨屈曲，或被硬质尖锐物刺穿的风险；（2）人为风险，比如，海面上船舶抛锚或其他坠落物造成对管线的损伤，或不法分子偷盗石油而故意损坏海底管道；（3）施工风险，如在铺设海底管道时，由于应力或应变控制不善而导致管线屈曲的风险。当海底管道遭遇泄漏、屈曲等失效的情况时，管线修复工作显得尤为重要，即将海底管道提升至水面以上，然后，再进行管道的修复工作。本文研究的是如何保证海底管道在提升至水面的过程中的安全性问题。

1 海底管道提升出水的影响因素

1.1 船机设备影响

海底管道提升出水时，一般多采用铺管船。铺管船在水中呈现的六个自由度的运动将直接影响管线的受力状态。船体的外观尺寸、质量、惯性矩、重心位置、RAO参数等均需要考虑在内。船体在水流中振荡时而受到的力，比如，使船体具备加速度的惯性力、阻尼力，以及使船体恢复到平衡状态的平衡力，都会直接影响船体不同的运动状态与幅度。

1.2 自然环境影响

（1）海水密度。不同的海水密度将对管线产生不同的浮力，影响管线在水中的姿态，管线应力及应变也随之受到影响，为了简化计算，一般只需将海水密度考虑为恒定值，但当对计算结果的精度要求较高时，则需考虑不同水深情况下的海水密度变化。

（2）海床土体。海底管道通常是埋置在海床下或裸露放置在海床上，管道与海床土体直接接触，二者是完全不同的两种材料，需要注意接触面的影响。土壤的本构关系是一种非线性弹性关系，其各个方向的刚度不尽相同，则管道在土体中的各向位移也不尽相同。另外，海床与管道之间的摩擦力，土体对管道的黏滞力，都会影响管线的提升。

（3）作业水深。作业水深对提升的影响是非常大的，当作业水深越深，管道所需提升的高度越高，管道两端的着泥点距离越远，则管道被提升的总重量和总长度在不断增加，管道自身的应力和应变也在不断增加。在应力及应变所允许的范围内，水深较大的区域采用多点吊装对管道进行提升出水。

（4）波浪影响。波浪是一个复杂的影响因素，在某一海域、某一时间段内，可能存在很多的波浪进行叠加、影响。在海底管道被提升出水的过程中，波浪荷载对船舶造成六个自由度的运动，管道也随之不停摆动，从而影响管线的受力状态和弯曲半径。与此同时，提升海底管道的舷吊也随着船舶发生升沉，进一步影响每个吊点的负荷。波浪运动的剧烈程度直接影响着海底管道提升成功与否的关键。

（5）海流影响。海流是海水在某个范围内的相对稳定的流动，可应用莫里森方程来计算某一深度处的海流作用力。当纵向来流时，管道在提升过程中基本不会受到影响，海流影响可以忽略；当侧向或横向来流时，管道直接横在海流中，相当于沿着管线长度方向上施加了一个均布荷载，对管道的横向挠曲变形量影响很大。另外，船舶的横向位移与管道的横向变形方向一致，加剧了管道的横向挠曲变形量，其应力值也会相应提高。

（6）风荷载的影响。风荷载对管线几乎无影响，而对船舶影响力的大小取决于迎风面积和形状系数。

1.3 管线自身参数影响

管线参数主要包括直径、壁厚、密度、配重、刚度、杨氏模量、泊松比等内容，提升系统首先需要克服的是管线在水中的重量，即空气中重量减去水中浮力，由管线直径、壁厚、密度和配重情况决定；另一个需要克服的是管线的刚度，刚度越大，则管线的抗变形能力越强，提升时，着泥点的位置也就越远，需要提升的管线也就越长。

1.4 施工方案的影响

施工方案是确保海底管道能够安全、可靠地提升的关键内容，以上所有因素均是编制施工方案时需要考虑的因素，在综合因素的影响下，要保证在整个提升过程中，管道的每个截面的应力和应变值均不超过规范要求，必须慎重选择吊点的位置，必须严格控制舷吊的提升速度，必须做好各个舷吊的配合。在同等条件下，提升速度慢的管道等效应力要比提升速度快的小；提升高度越高，管道应力越大；吊点布置得越多越密集，管道应力越小。

2 力学分析理论基础

2.1 静态分析

海底管道的提升出水本是一个动态过程，但为了简化分析过程，静态分析的第一步则需要简化力学模型，自然环境影响因素能忽略的就忽略，第二步则建立一个可以通过一系列的数学外推法公式解决的管道数学模型。

2.2 动态分析

静态分析在一定程度上简化了分析过程，因此，它的分析结果较实际状况的受力状态值偏小，对管道的安全性评估不到位，需要考虑自然环境的动态因素，如随着时间和地点不断变化的风、浪、流等。进行动态分析的最广泛的理论基础是有限元理论，简单来说，是将管线假想切割成一系列的微分单元，以每个微分单元作为力学分析的对象，然后，把众多的微分单元组合成一个连续的结构，对整体结构进行综合分析。目前，有很多海底管道铺设分析软件可以使用，如OFFPIPE、ABAQUS、ORCAFLEX等。

3 采用Orcaflex的管道提升模拟

Orcaflex软件主要用于分析海洋结构的力学性能及安装过程的仿真模拟，具有灵活的建模方式和强大的处理性能，下面将对有限元模型的创建做简单介绍：

（1）作业船设置。作业船作为一个浮体结构，在水中的六个自由度的运动直接影响管线的受力状态，因此，必须输入详细的船舶参数。其参数包括外观尺寸、质量、惯性矩和重心位置等，另外，还需要输入船体的相应幅值，即RAO数据。

（2）管线设置。管线采用line命令进行定义，建模时，管线的长度要定义长一些，这样可以尽可能真实地模拟管线的受力状态。其参数汇总如表1。

表1

（3）舷吊设置。舷吊，即位于作业船的舷侧用于提升管道的吊车，一般布置至少有六台。在orcaflex软件中用winch模型进行创建，选用长度控制模式，随着时间的推移，慢慢回收钢丝绳，从而实现管线的提升。

环境参数设置如表2。

表2

当建模完成并设置完所有参数后，先进行模型整体静力分析，当静态分析收敛完成后，再进行整体动态分析，可以输出想要的计算结果。

4 动态分析结果输出及解读

由图1曲线可以清晰地得知，管线的最大应力值为320MPa，根据DNV OS F101规范，其应力值320MPa＜0.87×45OMPa，满足规范要求；管线的最大应变值为0.17%，根据DNV OS F101规范，其应变值0.17%＜0.25%，满足规范要求。

图1 等效应力、应变曲线

5 结语

本研究通过使用orcaflex对管线修复时提升出水的过程进行动态仿真模拟，计算了提升力和管线的力学性能参数，其能真实反映管道的应力应变分布情况，对今后类似的实际工程具有一定的参考价值和借鉴意义，结论如下：

（1）Orcaflex中环境参数更加完善，其仿真模拟更趋近于真实情况。

（2）Orcaflex软件可以模拟舷吊的动态收绳过程，分析其张力随着提升高度的变化而变化，更准确地计算张力。

（3）静态和动态分析结果以图表的形式进行呈现，更加形象直观地展示管道的受力状态，确保管道自身的安全。