海底管道J形铺设张紧器的张紧力计算分析.pdf

第 4 4卷第 2期 2 0 1 5年 4月 船 海 工 程 SHI P & 0CEAN ENGI NEERI NG Vo 1 4 4 No 2 Apr 2 01 5 D O I ： 1 0 3 9 6 3 j i s s n 1 6 7 1 - 7 9 5 3 2 0 1 5 0 2 0 3 1 海底管道 J 形铺设张紧器的张紧力计算分析 王晶 ， 杨启 ， 陈新权 ， 丁金鸿 ( 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室， 上海 2 0 0 2 4 0 ) 摘要 ： 对海底管道建立微段和整体的力学模型 ， 通过 M A T L A B编程求解顶部 张紧器应提供 给管道 的张 紧力。对比编程计算和A b a q u a s 数值模拟结果， 验证编程求解代替软件模拟计算的可行性和便捷性。探讨海 域水深 、 管道入水角度 、 管重 对张紧力 的影 响 ， 结果表明 ， 增加铺设水深 和单位长度 管重 ， 所需 张紧力增 加 ； 而 增加铺设 角度 ， 所需张紧力相应减小 。 关键词： 海洋油气； 海底管道 ； J 形铺管； 海水深度； 铺设角度 ； 单位管重 中图分类号 ： U 1 7 8 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 1 _ 7 9 5 3 ( 2 0 1 5 ) 0 2 - 0 1 2 0 - 0 5 随着陆地油气资源 日益枯竭 ， 海洋 油气工业 的发展已经成为了地球油气开发的必然趋势。海 上油气 田开采出的油气大多是通过管道输送至水 面或直接输至陆地 ， 深水油气开发大量采用水下 作业系统 ， 海洋管道铺设作业越来越多 ， 重要性 日 益 突 出 。 海底管道铺 设常用的方法有 “ S ” 形、 “ J形” 和卷筒式。S形和 J 形 因其铺设过程中管道的形 状而得名。S形铺管方式中管道沿着托管架离开 铺管船 ， 上段呈现出上凸的形状 ， 在中间转折点之 后呈现出下凸的形状 ， 整个管道受力较为复杂 ， 铺 设完成后管道内部有较危险的残余应力。J 形铺 管方式中管道从铺设塔以几近垂直的角度离开船 体进人海洋 ， 整根管道 在海洋 中呈 现 出 J形 。 卷筒式铺管 ， 也称 R e e l铺 管方式 ， 这种铺管方式 是柔性管铺设方法的拓展 ， 工程 中首先将管线在 陆地上完成管线接长并缠绕在卷筒上， 然后在海上 展开铺人海底， 这种方式由于管线发生塑性变形而 有较大损伤 j 。在现在铺管工程 中 S形主要用于 浅水 ， 而 J 形则主要用于深水和超深水的海底管道 铺设。随着海洋油气开发向深海迈进 ， J形铺管的 应用越来越普遍。J 形铺管方式见图 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 92 3 修回 日期 ： 2 0 1 41 01 1 基金项目： 工信部高技术船舶科技计划支助项 目 ( 工信部联装 2 0 1 2 5 3 9号) 第一作者简介 ： 王晶( 1 9 8 9一) ， 女 ， 硕士生 研究方 向： J 型铺管船及海底管道分析 E ma il： j in g w a n g _ _ s j t u 2 0 0 8 1 6 3 co m 1 2O 里 悬 段 搁里塑 垦丝 堂 图 1 J形铺 管方式 示意 国内外学者对于 J 形铺设过程中管道形态控 制及力学模型的研究 重点均集中于管道 ， 对于 保证管道正常铺设所 需顶端张紧力 的计算研 究 很少 。 在实际工程中， 确定铺管船在工作海域 内作 业时所需 的顶部张力 ， 是设计铺管船张紧器 的一 个重要前提。为此 ， 构建一种管线铺设 张紧力 的 计算方法 ， 该方法将管道简化成一根悬链线 ， 推导 张紧力的计算模型， 编程实现模型的求解。 1 J 型铺管方式管道力学模型的建立 在管道分析过程中， 做如下假设。 1 ) 在管道静态分 析中 ， 假设船静 止不动 ， 即 船的运动对管道的影响在文中不予考虑。船对管 道的作用即为张紧器对管线的作用力。 2 ) 管道铺设过程被认为是一个平面过程。 3 ) 洋流速 度在管 道铺设平 面 内， 沿水 平方 向。 4 ) 对于悬挂段而言 ， 由于水深和船吃水相 比 足够大 ， 因此假设管道是柔性 的， 即不承受弯矩。 1 1 微段力学模型 管道从触底点分为两段 ： 一段放置在海床上 ； 2 第 01 2 5 期 王晶 ，等： 海底管道 J形铺设张紧器的张紧力计算分析 船海工程 第 4 4卷 另一段悬置于海水 中， 称为悬挂段 。以悬挂段为 研究对象 ， 悬挂段上一长度为 的微分管单元受 到重力 、 浮力、 外部水动力载荷和两端管道 内部张 力。其受力情况见图 2 。 F t l ， t ， 图 2 微分管单元的受力情况 为单位长度管道的重力和浮力的合力 ： = ( 譬 ) g( 1 ) 式中： F ， 径 向和切 向的水动力载荷 ， 采 用半经验的 Mo r is o n公式得到 ， 即 F =0 5 p C D 1 ( v s in 0 ) ( 2 ) F =0 5 p C Dl( ) C O S 0 ) ( 3 ) 式中： p p 海水密度和管道密度 ； C 、 C 径向和切 向的水动力 系数 ， C 取 决于雷诺 数 、 管道粗糙 度等众 多 因素 ； D 。 、 D ： 管道的外径和内径 ； 微管处 的洋流速度 ； 管道 与水平方向夹角 ； g 重力加速度。 对 于该微管道 ， 水平方向和竖直方 向受 到的 力处于平衡状态 ， 弯矩也处于平衡状态。因此有 d F v=F d s in 0一F d co s 0一d z ( 4 ) d F H=F d ls in O+F d co s 0 ( 5 ) d M =F v d co s 0一F H d s in 0 ( 6 ) 由假设 4 ) 可以有 d M =0， 式( 6 ) 可以简化为 t an = F v ( 7 ) 忽略管道的轴 向变形和剪切变形 ， 将微管道 简化成直管道 ， 得到如下几何关系。 d x =d co s 0 ( 8 ) d y =d s in 0 ( 9) 1 2 整体力学模型 对于整根悬挂段 ， 将船上张紧器对管道的作 用简化成一个 张紧力 、 一个剪切力 F n、 一个 弯矩 。管道是柔性的， 因此 F 0=0 ， M =0 ( 1 0 ) 对整根管道 ， 建立如图 3所示的坐标轴 ， 将管 道离散为没有曲率的细小单元 m段 ， 使得每一段 在 Y方向有相同的长度 d y。则有 m= h( 1 1 ) 式 中： 海水深度。 节 点l 节 点2 J t 节 点 节 点( +1 ) F - 节 l1 F H ) 、 y 图 3整根悬挂段的离散情况 单元节点从与海平面接触点到触底点依次编 号 1(m+1 ) 。 任意一小段 i( i +1 )( i =1 ， 2 ， ，m) ， 拥有两个节点 ， 节点编号为 i和( i+1 ) ， 节 点 i处受到上部管子的水平张力和竖直张力分别 为 F i和 F i， 节点( i +1 ) 处受到下部管子的水平 张力和竖直张力分别为 F ( )和 ) 。 该细小 单元满足微段力学方程 ( 1 ) ( 9 ) ， 式 中： d F = Fv ( H1 )一 Fv ， d FH = FH )一 Fm 。 2 管道力学模型求解 对于每个节点， 应满足张力在竖直方 向上的 分力始终向上 ， 即 F 0。使得所有点的 F 都 大于 0的最小顶部张力 ， 即为所需 的张紧力 。根 据这一思路编程求解 得到所需最小张紧力 ， 具体 的编程流程见图 4 。该编程过程可以循序推导得 到悬挂段各点的相对 位置参数 ， 从 而确定管线 的 形状。 1 21 2 第 01 2 5 期 王晶 ，等： 海底管道 J 形铺设张紧器的张紧力计算分析 船海工程 第4 4卷 给定一个初始 J r = l 0 0 0 N1 将劢口 上1 0 0 N 节 点1 张力 ：Ft= 【 I 节 点1 F v I 1s in 0 1 F 1 ：Fi co s 0 L F H 】= o 5 p c ( v s i n 0 1) f l = 0 5 p w C fD ( v co s 0 ，) I t l节 段 1 2 l i d l n = d y s i n O I Fv = Fv F u dl , s in 0rFm d l cos 0- d 一 ，+ d l, s i n0 + d l C O S 0 2 + I = x, + d y t an O r y F y +d y 三 l e t= a n l ( 却 f + l输 F 0 5 p w C,Dl( s in 0 ) r =0 5 p GD ( v cO S 0 ) 1) 。_ 匦Id l ,o, =dysi nO, 图4 悬挂管道分析流程 求解过程 中取 C a= 1 2 8 ， 的范 围为 。 。 1 。 。 3 ， 取 C a = 。 。 2 ， c =0 0 2 4； 洋流速度 满足牛顿 内摩擦定律 ， 沿着深度呈线性分布 ， 水平 面处速度为 ， 海床处为 0 。为简化编程过程 ， 取 d y 1 I l l 。 表 2 水深 3 0 0 0 m 时不 同铺设 角度下的张 紧力 计算法 入水角度 ( 。 ) 70 7 5 8 0 8 5 6 0 7 9 2 0 5 3 9 7 0 0 4 8 4 0 9 0 4 3 8 2 5 0 6 07 71 3 5 3 9 5 1 6 4 83 5 5 8 4 3 8 2 0 6 差异 o 0 3 4 0 5 0 3 4 0 9 1 0 9 9 0 0 1 0 0 4 表 3 铺设角度为 8 0 。 时 。 各种不 同海水深度下的张紧 力 计算法 塑 2 41 9 1 0 3 2 26 40 4 03 3 6 0 4 8 4( 】 9 0 2 41 6 O 6 3 2 2 4 5 3 4 0 2 9 7 6 4 8 3 5 5 8 差 异 0 1 2 5 6 7 0 5 7 9 6 0 9 5 2 0 1 0 9 9 0 通过管道模型求解顶部张紧力这种方法具有一定 的准确性。 传统的利用软件测算需要技术人员对于这些 数值计算软件的使用具有一定 的基础 ， 并且因为 模型的完整性 ， 需要对各种参数 ( 如海床刚度等 ) 都有较为准确的了解 ， 要求 比较高。而文中给 出 的利用管道模型求解 的方法 比较 简单快捷 ， 对相 关计算人员要求相对较低， 计算结果也比较准确， 因此可以代替软件在工程上得到应用。 3 结果对比分析 4 影响张紧力的关键参数分析 工程 中确定顶 部张紧力大多是通 过专业 的 管道计算软件( 如 O F F P I P E 、 O r ca F l e x 、 A B A Q U S 等 ) 建模计算 ， 将文 中求解方法 的计算结果与文 献 7 中给 出 的 A B AQ U A S软 件数值 计算 结果 进 行对 比 。 管道和环境参数选取见表 1 。 表 1 管道和环境参数 1 02 5 0 0 6 09 6 0 0 3 0 48 7 8 5 0 将水深固定 在 3 0 0 0 I n ， 取入水 角度 为 7 O 。 、 7 5 。 、 8 O 。 、 8 5 。 ， 计算的张紧力结果对 比见表 2 。 将入水 角度 固定 在 8 0 。 ， 取 水 深 为 1 5 0 0 、 2 0 0 0 、 2 5 0 0 、 3 0 0 0 m， 计算的张紧力结果对 比见 表 3 。 以上对比显示， 编程计算结果和 A B A Q U S 建 模计 算结果极 为接近 ， 其差 异在2 0 以 内。 可见 1 2 2 在 J 形铺管船铺管过程中因环境 因素不 同、 选取的设备参数不 同和需铺设管道 的大小差异 ， 所需张紧器 的张紧力都会有所差异 ， 从上述计算 张紧力的过程可以知道影响张紧力 的因素有 ： 铺 管海域水深 、 管道 铺设角 度、 单 位长度 管重 ( 净 重) 和洋 流速度等 。由于海洋中洋流速度较小 ， 洋流速度对张紧力的影 响不明显 ， 因此不作为影 响张紧力的关键因素考虑。 4 1 铺管海域水深 海水深度和铺设时所需的管道总长度是对应 的， 海水越深 ， 铺设时管道越长 ， 管道 自重也就越 大。管道 和环 境参 数见 表 4 ， 选 取铺 设 角度 为 6 O 。 、 7 0 。 、 8 0 。 、 9 0 。 ， 对于每个角度 ， 分析不 同的铺 管海域深度 ( 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 、 3 0 0 0 m) 下所需张 紧力 ， 见图 5 。 结果分析如下。 1 ) 在相同的铺设角度下 ， 所需的张紧力随海 2 第 01 2 5 期 王晶 ，等： 海底管道 J 形铺设张紧器的张紧力计算分析 船海工程 第 4 4卷 表 4管道 和环 境参数 海水密度 洋流速度管道密度管道外径 管道内 ( k g i n 。) k n ( k g m。) m 外径比 1 0 2 5 2 7 8 5 0 0 6 0 9 Z 骤 图 5 固定铺设角度， 各种海水深度下的张紧力 洋深度的增加而增加 ， 张紧力 的增加幅度与水深 的增加幅度呈现近似线性关系 ； 2 ) 大铺设角度下 ， 张紧力 随海水深度增加 的 幅度不及小铺设角度下明显。 4 2 铺设角度 深水 J 形铺设角度是影响整根管道各个点 的 角度分布的一个 重要 因素 ， 对 整根管道 的受力状 况和临界状态的选择有重大影响。管道和环境参 数见表 4， 选 取 铺 设海 域 深 度 为 1 0 0 0、 2 0 0 0 、 3 0 0 0 m， 对于每个深度 ， 选择各种不 同铺 管角度 ( 6 0 。 、 6 2 。 、 6 4 。 、 、 9 0 。 ) 进行分析 ， 见图 6 。 Z 60 0 0 5 000 4 0 0 0 3 000 2000 图6 固定海水深度。 各种铺设角度下的张紧力 结果分析如下。 1 ) 在相 同 的海 洋深 度下 ， 随着 铺设 角度增 加 ， 所需张紧力逐渐减小。 2 ) 随着铺设水深 的增加 ， 铺设角度对 所需 张 紧力的影响越来越 明显。 4 3单位长度的净管重 管道的净管重是海水密度 、 管道密度 、 管道内 外径的函数 ， 因此净管重对张 紧力 的影响融合了 多个因素对 张紧力的影 响。在 固定 的海水深度 ( 1 0 0 0 、 2 0 0 0 、 3 0 0 0 m) 和铺设 角度下 ( 6 0 。 、 7 0 。 、 8 O 。 、 9 0 。 ) 选取不 同的管道外径 ， 即0 2 m、 0 3 m、 、0 7 I l l， 通过这种方法来改变单位长度 的管道 净重( 其他管道和环境参数见表 4 ) ， 分析所需 张 紧力的变化 ， 见图 7 、 图 8 。 1 0 0 0 0 80 00 Z 6 000 40 00 2 0 0 0 Z 、 般 6 5 0 5 5 0 至4 5 0 3 5 0 醵2 5 0 1 5 0 5 O 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0l 2 0 0l 4 0 0l 6 0 01 8 0 0 单位长度管重( N m。 。) a ) 入水 角6 O。 单 位长 度 管 重( N m。 。) b ) 入水 角7 O 。 6 000 5 0 00 至4 0 0 0 3 0 0 0 鳖2 0 0 0 1 0 00 O 单位长度管重( N m。 。) c) 入 水角8 O 。 00 00 00 单 位长 度 管重( N m ) d ) 入水角9 0 图 7 固定入水角度 时各海水 深度 下 张 紧力随单位长 度管重 的变化 分析结果表明 ： 在相同的海水深度和相 同的铺设角度下 ， 所 需的张紧力随单位长度管重的增加而增加 ， 张 紧 力增加的幅度和单位管重增加的幅度呈现一种近 似线性的关系。 在相 同的铺设角度下 ， 海水深度越大 ， 张紧力 随单位管重的增加幅度越大。 在相同的海水深度下 ， 铺设角度越大 ， 张紧力 随单位管重的增加 幅度越小 。 5 结 论 所构建的海底管道 J 形铺管方式顶部张紧器 的张紧力计算方法简单快捷 ， 具有很高的准确性， 且对操作人员的专业技术水平要求相对较低 ， 可 1 23 0 0 0 0 O O O O O 2 01 5，正 第 2期 王晶， 等： 海底管道 J 形铺设张紧器的张紧力计算分析 船海工程 第4 4卷 Z 璺5 5OO 000 5O0 000 50O 000 5O0 O 0 200 400 6 00 800 1 0001 2 001 4001 6001 800 单位长度管重( N m ) a ) 水 深1 0 0 0m 0 2 00 400 6 00 8 00 1 0001 2 001 4001 6 001 800 单位 长度 管 重( N m ) b ) 水深2 0 0 0m 褰4000 。 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 01 2 0 01 4 0 0l 6 0 01 8 0 0 单位长度管重( N m ) c) 水 深3 0 0 0m 图8 固定海水深度时各入水角度下 张紧力随单位长度管重的变化 直接在工程上得到应用。 随铺管水深和管道 自重增加 ， 顶部张 紧力增 加 ， 并且这种增加近似呈现出线性关系， 因此在同 样的铺设角度下 ， 由已知水深 和管重下的张紧力 可预估其他水深和管重下的张紧力 ， 对铺管工程 中快速确定张紧器功率有一定的借鉴意义。并且 随管 道入水角度增加 ， 顶部 张紧力减 小 ， 因此在 张紧器能力不足时， 可调整管道下放角度 ， 对张紧 力进行微调 ， 保证张紧器始终在安全范围内工作。 另外 ， 文中是基于船静止的假设对管道的静态 分析 ， 而在实际施工过程中， 铺管船在海面上受到 风浪流的联合作用会有一定的运动。这些运动( 尤 其是升沉和纵摇) 会对张紧器的张紧力有一定的影 响， 后续工作应围绕这一点进行深入研究 。 参考文献 1 罗超， 王琮， 毛建辉， 等 深水半潜式起重船 J - L a y 系统布置研究 J 船舶 ， 2 0 1 1 ， 2 2 ( 5 ) ： 5 - 9 2 黄维平， 曹静 ， 张恩勇， 等 国外深水铺管方法与铺 管船研究现状及发展趋势 J 海洋工程 ， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 3 5 1 4 2 3 P L U N K E T T RS t a t ic b e n d i n g s t r e s s e s i n e a t e n a r i e s a n d d ril l s t rin g s J o u r n a l o f E n g i n e e rin g f o r I n d u s t r y J 1 9 6 7， 3 9 B ( 1 ) ： 3 1 3 6 4 L E N C I S ， C A L L E G A R I M S i mp l e a n a l y t i ca l m o d e ls f o r t h e J - la y p r o b le m J A ct a Me ch a n ica ， 2 0 0 5 ， 1 7 8 ( 1 2 ) ： 2 3 - 3 9 5 曾晓辉， 柳春图， 邢静忠， 等 海底管道铺设的力学分 析 J 力学与实践， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 2 ) ： 1 9 - 2 1 6 WA N G L i z h o n g ， Y U A N F e n g ， G U O Z h e n ， e t a1 N u me r i cal a n a ly s i s o f p ip e l in e in J - la y p r o b le m J 浙江大学 学报 ： 英 文版 ： A辑 ： 应用 物理和 工程 ， 2 0 1 0 ， 1 1 ( 1 1 ) ： 9 0 8 9 2 0 7 陈景皓 ， 段梦兰， 徐崇崴， 等 深水海底管道 J 形铺设 参数 J 油气储运， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 6 ) ： 6 5 4 6 5 8 8 马 良 对莫里森方程中曳力系数 C 浅析 J 中国 海洋平台， 1 9 9 8 ( 3 ) ： 1 6 1 8 ， 4 5 T e n s io n A n a ly s is o f t h e T e n s io n e r f o r J - me t h o d P i p e la y in g WA NG J in g ， YA N G Qi， C HE N X i n - q u a il， D I NG J in h o n g ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f O ce a n E n g i n e e rin g ， S ch o o l o f N a v a l A r ch it e ct u r e ， O ce a n& C i v il E n g i n e e ri n g ，S h a n g h a i J i a o T o n g U n iv e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： T h e me e h a n ica l mo d e ls o f t h e s e g me n t a n d t h e wh o le