深水动态脐带缆干涉分析方法研究

张英、李旭、杨伟、刘刚、陈思

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

水下脐带缆主要是由流体导管、电缆和光纤组合成的具有柔性的管组，可为水下生产设施和ROV等海底组件提供电力、液压动力和控制信号等，在油气生产领域中起着至关重要的作用[1]。深水动态脐带缆主要指由浮式平台到水下分配单元间的动态部分，此部分受来自海洋环境的动态载荷。由于动态脐带缆立管具备较高的“柔性”，在海流引起的拖曳力作用下容易发生结构的偏移，如果依托的浮体布置的立管结构、锚链密集，那么动态脐带缆有与其他结构物发生干涉碰撞的风险。本文以实际项目为例，研究简化Lazywave型深水动态脐带缆干涉设计的分析流程、分析方法及校核标准的选取等。可为在深水油田开发中动态脐带缆自主整体设计提供一定的参考。

1 动态脐带缆干涉接受准则

动态脐带缆立管干涉分析主要对动态脐带缆分析对（pair）之间在海流和波浪作用下是否发生碰撞进行分析评估。动态脐带缆分析对一般指动态脐带缆与相邻的立管、动态脐带缆与相邻的锚缆、与相邻的船体结构。干涉分析可分为静态分析和动态分析，静态分析主要考虑极端海流作用下分析对的碰撞，动态分析主要考虑波浪及船体运动作用下分析对的碰撞。

动态脐带缆干涉分析的校核标准一般依据DNV-RP-F203，其接受准则为干涉分析对的间距△满足条件△≥D1+D2，见图1-1解释。

图1-1 接受准则

由于动态脐带缆弯曲刚度较小柔性较大，在环境载荷下运动较大，所以一般选取动态脐带缆为干涉分析对的上游管件，其他刚度较大管缆或相对静止的船体结构件作为下游管件。

2 尾流模型

在考虑海流作用下的静态分析时，对于下游管缆应考虑由于上游管缆引起的海流变化的尾流效应（wake）。目前针对尾流模型主要是依据模型试验和试验数据拟合，一般有两种表述尾流场的方式，一种是直接表述出尾流场中的流速分布的HUSE模型，一种是模拟尾流中的水动力场的BLEVIN模型。Huse模型直接给出了尾流场中的流速分布，BLEVIN利用莫尔森公式将流速场模型转化为了相对于稳态来流的水动力系数场。

图2-1 HUSE尾流模型

图2-2 BLEVIN尾流模型

3 化Lazy-wave构型设计v

标准的动态脐带缆Lazy-wave构型如图3-1（a）所示，简化构型如图3-1（b），简化构型多用于深水浮式平台，此构型将图3-1（a）中所示五部分悬链线段（S1、S2、S3、S4、S5）简化为A、B、C三段，即y2=y3=0，简化的构型图。其中各个构型参数按以下公式计算：

ai=y1/（cosh[arcsinh（cotθ） ]-1）

xa=aiarcsinh（cotθ）,xb=aiarccosh（yb/ai+1）,xc=aiarccosh（yc/ai+1）

SA=aisinh（xa/ai），SB=aisinh（xb/ai），SC=aisinh（xc/ai）

图3-1深水动态脐带缆构型

4 干涉分析流程

1、建立根据动态脐带缆构型建立干涉分析对有限元模型；

2、考虑保守因素对关键工况进行筛选，主要考虑下游管缆静止不动，上游动态脐带缆在极端海流方向承受拖曳载荷，在保守分析下满足校核条件的工况作是非关键工况，后续只对关键工况进行下一步分析；

3、对不同流速方向的关键工况进行静态和动态分析；

4、在只考虑海流作用的静态分析中，下游管缆考虑尾流效应，上游管缆考虑VIV拖曳力放大系数；

5、计算沿管缆弧长方向上各个位置的最小间距，校核最小间距是否满足标准要求；

6、使用极端海况下波浪、海流、船体运动数据下开展动态时域分析，分析时程为3小时；

7、计算沿管缆弧长方向上各个位置的所有时刻中的最小间距，校核最小间距是否满足标准要求；

5 设计算例

5.1 设计参数

以实际深水半潜平台动态脐带缆为例，对动态脐带缆进行干涉分析设计，主要参数如下：

表5-1 算例脐带缆参数

算例主要对两组干涉分析对进行分析，一组为动态脐带缆和立管，另一组为动态脐带缆和系泊锚缆。分析对布置及相关位置见表5-2及图5-1

表5-2 算例分析对位置

图5-1 分析对位置

使用100年重现期和1000年重现期极值波浪海流数据开展干涉分析，干涉分析中考虑船体偏移，偏移量对应极值海流数据。考虑极值海流及其相关的波浪/风下的方向偏移，并船体偏移方向与极值海流方向同向考虑。在筛选分析后，选择临界工况，进行极值海流组合船舶偏移量的静态尾流干涉分析。

5.2 分析结果

5.2.1 脐带缆与立管干涉分析结果

动态脐带缆与邻近立管干涉分析有限元模型如下图：

干涉分析对中，动态脐带缆为上游，立管为下游，在筛选分析中，下游立管考虑最大介质密度同时不考虑拖曳力系数。筛选分析结果见表5-3。其中对于筛选分析中最差间隙结果见图5-2所示。

图5-2 脐带缆-立管干涉分析模型

表5-3 脐带缆-立管干涉筛选分析结果

179 20.231 17.762-86 19.604 11.007-176 18.384 15.637-81 29.489 26.188-171 16.458 13.44-76 32.562 32.562-166 14.538 11.188-71 32.562 32.562-161 12.549 8.894

图5-3 筛选分析中关键工况结果

5.2.2 脐带缆与锚缆干涉分析结果

动态脐带缆与邻近锚缆干涉分析有限元模型如下图：

根据筛选分析结果，海流流向-1 4 1 d e g,-136deg, -131deg, -126deg, -121deg, -116deg,-111deg, -106deg, -101deg, -96deg 及 -91deg为关键干涉方向。对于所有关键分析方向开展进一步静态和动态干涉分析。静态分析中对于下游立管考虑HUSE尾流模型和拖曳力系数。静态分析结果在100年重现期海流下最小间隙为33.586ft，在1000年重现期海流下最小间隙为33.899ft，发生在流向-91度工况下，最小间隙满足接受标准要求。结果见表5-4所示。

表5-4 脐带缆-立管干涉尾流模型静态分析结果

基于静态分析结果中最关键工况（流向-91度），开展动态分析，考虑100年重现期和1000年重现期极值波浪海况条件，进行3小时动态时域分析，对于100年重现期最小间隙为33.15ft，1000年重现期最小间隙为32.73ft，也均满足接受标准要求。结果见图5-4所示。

图5-4 动态分析中关键工况结果

干涉分析对中，脐带缆为上游，锚缆为下游，在筛选分析中，下游锚缆不考虑拖曳力系数。筛选分析结果见表5-5。其中对于筛选分析中最差间隙结果见图5-5所示。

图5-5 筛选分析中关键工况结果

表5-5 脐带缆-锚缆干涉筛选分析结果

64 13.739 13.739-31 13.739 13.739 59 13.739 13.739-36 13.739 13.739 54 13.739 13.739-41 13.739 13.739 49 13.739 13.739-46 13.739 13.739 44 13.739 13.739-51 13.739 13.739 39 13.739 13.739-56 13.739 13.739 34 13.739 13.739-61 13.739 13.739 29 13.739 13.739

6 结论

本文着重介绍了深水动态脐带缆干涉分析方法与校核标准。以深水半潜平台为例，对动态脐带缆与立管和锚缆进行干涉分析，并得到如下结论：

（1） 动态脐带缆弯曲刚度较小柔性较大，在环境载荷下运动较大，一般选取动态脐带缆为干涉分析对的上游管件，其他刚度较大管缆或相对静止的船体结构件作为下游管件；

（2） 工程设计中对于动态脐带缆干涉分析对中下游管件的尾流模型主要选用HUSE模型；

（3） 在干涉分析中一般需要考虑进行静态分析和动态分析，静态分析中考虑尾流模型，动态分析中由于流场的扰动可以不考虑下游管件的尾流效应；

（4） 干涉分析结果中上下游管件的间距，应大于上下游管件的外径之和；

根据筛选分析结果，对于所有流向工况，最小间隙均为13.74ft，最小间隙满足接受标准要求。由于锚缆始终处与张紧状态，刚度较大，偏移较小；此外脐带缆与锚缆悬挂角差别较大，所有动态脐带缆与锚缆在空间上始终保持一定的距离。由于使用较保守的筛选分析后，最小间隙满足标准要求，所以可以不进行进一步的静态分析。

基于筛选结果，开展动态分析，考虑100年重现期和1000年重现期极值波浪海况条件，进行3小时动态时域分析，对于100年重现期和100年重现期最小间隙均为13.739ft，满足接受标准要求。