基于OFFPIPE的海底管道S型铺设计算机辅助优化设计技术

白 宁，赵冬岩

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

基于OFFPIPE的海底管道S型铺设计算机辅助优化设计技术

白 宁，赵冬岩

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

OFFPIPE是海底管道铺设设计中广泛使用的功能强大的铺管分析软件，但是，该软件也存在对托管架建模不够精确、手动操作过程较繁琐以及输出结果难于被数据处理软件读取等缺点。文章论述了采用Delphi开发了一套针对OFFPIPE的辅助优化设计软件，具有对托管架精细建模、OFFPIPE外部程序自动控制、OFFPIPE输出文件读取等技术特点，使繁琐的人工设计调整过程完全自动化。该软件大大提高了OFFPIPE的使用便捷性和效率，在海底管道铺设设计领域有很高的应用价值。

海底管道铺设；OFFPIPE软件；Delphi软件；优化设计

0 引言

OFFPIPE是一款基于有限元方法的用于海底管道铺设分析的专业软件，由于其功能强大，运算迅速，在海底管道铺设设计工作中得到了广泛的应用。OFFPIPE在海底管道铺设设计中一般用于计算管道的应力应变状态，工程师可根据计算结果不断调整作业线形态，以得到最佳的施工参数。这是目前国内最常用的海底管道铺设设计方法。这种传统的设计方法原理简单，容易操作，因此得到了广泛的应用，但是由于OFFPIPE本身的限制，这种方法也存在一定的局限性。在国内，关于海底管道铺设设计方面的工作主要集中在铺管应力应变分析领域[1-5]，与本文类似的关于设计辅助优化方面的工作介绍还未见到。

（1）OFFPIPE提供了若干种作业线建模方法，但是功能都比较简单粗略，最精确的一种建模方法也仅仅是要求用户直接输入各个滚轮支撑点的精确坐标。但是要根据某条铺管船得到一组可用的滚轮支撑坐标值是一件非常费时费力的工作，一般的步骤是，采用CAD软件来建立铺管船和托管架的模型，然后手动调整托管架角度和支撑滚轮高度等参数，使所有滚轮都能接触到管道，这时作业线的配置参数以及相应的滚轮支撑坐标就能够用于实际施工。应该注意到，这种方法至少有两个明显的局限性。第一，在浅水作业中，托管架通常只有一段或两段，这种较简单的结构使得通过手动调节方式得到可用参数成为可能。但是在深水作业中，托管架的结构要复杂得多，通常会由三段甚至四段组成，这时传统的手动调节方式就会失效，得到可用参数非常困难。第二，对于浅水管道铺设，管道的应力水平一般远远低于管道钢材的屈服应力。由于对于绝大多数可用参数，相应的管道应力水平都远远在屈服应力以下，完全可以用于施工，因此就没有必要保证作业线的参数配置最优化。而在深水铺管作业中，管道的应力水平较接近屈服应力，这时保证作业线的形状最优化就变得非常重要。但是上述的传统手动调节方法无法实现这一点。

（2）OFFPIPE是用FORTRAN语言开发的基于DOS系统的程序，已经有20多年历史，只能用键盘进行操作，参数必须手动输入，输出的图表无法保存，数据文件格式也比较复杂，很难被数据处理软件读取。而在设计工作中，往往需要对各项参数进行多次调整，OFFPIPE的这些特点使得设计人员只能重复地手动调整输入参数，再人工观察输出文件中的计算结果，如此反复直到得出可用的设计结果为止。这种简单劳动的重复进行会浪费大量的人工，而且意义不大，完全可以利用计算机自动完成。

针对OFFPIPE的上述局限性，本文用Delphi开发了一套针对OFFPIPE的辅助优化设计软件，该软件能够根据输入的管道弯曲半径自动计算得到可用的作业线形状配置参数和滚轮坐标，并可以自动生成OFFPIPE的输入文件，控制OFFPIPE进行自动计算，还能够过滤掉其输出文件中的多余信息，对运算结果进行分析并用图表显示。只要用户设定好求解最优化配置参数的范围，该软件就能够自动选择出最佳的作业线形状。在某种意义上，这套软件代替了工程师的大部分重复性设计工作。下面就给出该软件的主要编制流程。

1 软件主要原理和流程

1.1 作业线滚轮坐标计算技术

为了得到准确的支撑滚轮坐标，必须建立精细的作业线模型，包括船上的张紧器及其之后的作业线部分。

管道、管道支撑以及有限元模型的坐标都是在如图1所示的坐标系中定义的。在这个坐标系中，X轴是水平的，位于静止的水面上。X轴与管道铺设的方向平行，并且位于管道铺设路径的正上方，X轴的正向指向管道铺设的方向。

Y轴是竖直的，并且垂直于水面。Y轴指向正上方，在水面处其坐标为零，在水面上其坐标为正，水面下为负。整条铺设中的管道都位于X-Y平面内。

船尾板与水面的交点被定义为原点。在本文中，整个问题都是在X-Y平面这个二维系统内进行分析的。

为了精确描述托管架的结构，考虑到计算的方便，需要在每段托管架上建立局部坐标系，这里以托管架段的最左端支撑滚轮柱与上悬杆中线的交点为原点，X坐标轴与上悬杆中线平行，Y轴与上悬杆垂直向上。如图2所示。

对于某条特定的铺管船和托管架，使用表1中所列的参数，就能精确地建立整条作业线模型。

一般来说，托管架是由若干段构成的，段与段之间通过铰接相连。铰接点有可能位于托管架上悬杆，也可能位于下悬杆，图3和图4分别显示了铰接点位于上悬杆和下悬杆的两种托管架段类型。在本文描述的方法中，铰接点可以位于任何位置，位于上悬杆和下悬杆在算法上都没有任何区别，甚至位于上下悬杆中间也可以。这种特点使本文的方法可以建立任何形状的托管架模型。

从支撑滚轮柱的根部到管道的距离由两部分构成，即滚轮高度和滚轮附加高度。图5是典型的滚轮箱3D视图，图6显示了这两个参数的定义，滚轮高度是上悬杆中线到滚轮支撑旋转轴的位置，而附加高度则是从旋转轴到管道的距离。实际上，有可能是如图中所示的由两个滚轮箱构成一组滚轮支撑，也可能仅由一个滚轮箱构成一组滚轮支撑。只要知道滚轮箱的设计尺寸、管道的外径以及管道的半径，即可根据简单的几何公式求出滚轮高度和附加高度，在这里不再赘述。

表1 建立作业线模型的必需参数

在S型铺管施工中，托管架上管道的理想形态就是标准圆弧，因此在本文描述的计算方法中，把该圆弧的半径作为一个输入参数，计算的目的就是要让滚轮支撑都能贴合这个理想圆弧。计算滚轮支撑坐标的主要思路是：首先根据各个滚轮支撑的滚轮高度范围计算出允许的管道圆弧所处的位置范围，然后在这其中选择一个最佳的圆弧位置以及最佳的托管架形态，最后根据此圆弧通过几何方法计算出滚轮支撑坐标。

在计算过程中，最后需要确定托管架与管道圆弧的相对位置，而只要托管架段之间的铰接点与圆弧的距离确定了，托管架与管道圆弧的相对位置也就确定了。于是在下面的计算过程中，托管架段之间的铰接点，包括托管架与船之间的铰接点与圆弧的距离是最核心的求解对象。

在这里需要定义两个主要的子程序，命名为CalculateHitchRangeFromBarge和Calculate StingerInitialORange。第一个子程序CalculateHitch RangeFromBarge的功能为：依次根据船上每个支撑滚轮的高度范围计算出一组允许的管道圆弧水平切点的位置范围，将所有的位置范围叠加后得到最终切点位置范围，进而计算出托管架与船的铰接点与管道的允许距离范围，为下一步计算做准备。其具体计算流程见图7。

第二个子程序CalculateStingerInitialORange的功能为：根据每个托管架上的滚轮高度范围，计算出每段托管架的两端铰接点与管道圆弧的允许距离范围，为最终选择最优化参数做准备。具体计算流程是：首先根据托管架与船的铰接点与管道的距离范围计算出第一段托管架左端铰接点与管道的距离范围，这个铰接点实际上就是第二段托管架的右端铰接点；然后按照相同的方法顺次计算出所有托管架段的左端铰接点的距离范围。对于一段托管架来说，根据右端铰接点与管道的距离范围计算左端的范围与从左端计算右端得到的结果并不相同，因此在计算完所有铰接点与管道的距离范围后，还需要按照相反的程序，从左端向右端再计算一遍，这次计算的结果与第一次计算的结果叠加即可得到每个铰接点与管道的真正允许距离范围。该子程序的流程见图8。

这两个子程序都定义完成后，就可以通过引用这两个子程序完成所有滚轮支撑坐标的计算。经过这两个子程序的计算，就可以在其中选择管道水平切点最偏右的位置作为最优化的管道圆弧位置，因为这可以使托管架末端处的管道角度尽可能大，有利于改善管道的应力分布情况。然后，可以依次为每个铰接点选择最偏下的位置作为最优化位置，这样可以使末端滚轮与管道的接触点尽可能偏下，同样有利于降低管道的应力水平。最后，就可以根据几何公式很容易地计算出所有滚轮支撑的坐标，同时还能计算出托管架的形态，甚至包括决定托管架之间角度的连接杆的长度以及每个滚轮的高度。整个计算程序的流程见图9。

经过上述计算过程，就可以得到对应于某个管道弯曲半径的一组支撑滚轮坐标，然后需要将这些坐标数据写入OFFPIPE的输入文件，供下一步使用。此处不存在需要说明的技术问题，不再赘述。

1.2 OFFPIPE外部控制技术

OFFPIPE只能用键盘进行操作，为了使程序自动完成OFFPIPE的运行过程，必须开发出利用外部程序自动控制OFFPIPE的方法。控制程序采用Delphi开发工具编写并经过测试，最大化、最小化、显示窗口、关闭窗口等窗口操作可以采用postmessage函数实现，向OFFPIPE输入键盘字符可以使用全局键盘函数keybd_event实现。打开OFFPIPE后，实现OFFPIPE运行的主要命令行和说明如下：

上述程序为打开OFFPIPE之后的初始化程序，功能是寻找到OFFPIPE窗口并将其还原。接下来就需要按照上一节的方法计算出可用的滚轮坐标，并按照下面的程序用OFFPIPE计算。当然，根据预先设定的范围，需要计算多个管道弯曲半径对应的结果，于是下面的程序也将重复运行若干次。

1.3 OFFPIPE输出文件过滤技术

OFFIPIPE的输出文件格式比较复杂，包括了输入数据反馈以及分页表头等内容，导致输出文件无法被常用的数据处理软件读取制图。而OFFPIPE生成的图表也无法保存，只能在屏幕上观看。这就要求必须开发过滤掉输出文件中的干扰数据的技术。

过滤输出文件主要由两个步骤组成。第一步，OFFPIPE中字符数大于130的行只有计算结果及其相关的表头，于是只需要检查每一行的字符数，如果不足130就予以删除，就能过滤掉除计算结果和表头之外的数据了。第二步是过滤掉表头，表头行中开始的几个字符只可能是 “====”、“NODE”、 “NO.”以及 “ ”中的一种，于是只要把起始字符为这些的行删除掉就可以过滤掉表头了。完成这两个步骤以后，就可以读取数据了，OFFPIPE输出数据的特点是每个数据都带有小数点，因此在某一行中，就可以通过程序查找小数点，然后向前向后扩展至发现空格，就可以读取该数据了，顺次循环进行就可以读取该行中所有的数据。过滤OFFPIPE输出文件主要流程如图10所示。

1.4 优化设计计算流程

根据上面几节提供的方法，就可以得到整个计算机辅助优化设计的流程，见图11。

首先用坐标计算技术建立作业线模型，由用户确定需要计算的管道弯曲半径范围和间隔步长，然后计算出对应于第一个管道弯曲半径的一组可用坐标，并写入自动生成的OFFPIPE输入文件中。第二步，用程序控制OFFPIPE自动完成运算。最后用OFFPIPE输出文件过滤技术读取数据并进行分析，选择出管道应力应变的最大值。以上步骤循环进行，直到计算完所有的管道弯曲半径为止，最终在这些计算结果中挑选出最优者即可。

2 结论

本文介绍了一套利用计算程序对传统的用于海底管道铺设设计的OFFPIPE软件进行优化的方法。该方法包括生成作业线精细模型，自动计算可用滚轮坐标，外部程序控制OFFPIPE自动完成计算，过滤OFFPIPE输出文件并进行分析，自动选择最优化作业线配置等技术。这套方法立足于传统设计方法，原理简单，实现容易，可以大大减轻海底管道铺设设计人员的工作负担，并能有效改善设计质量，具有一定的实际应用价值。

[1]郭艳林，梁政.海底管道铺设施工设计分析[J].石油学报，1999，20（4）：83-87.

[2]戴英杰，宋甲宗，冯刚.海底管道收弃管作业分析[J].海洋工程，2000，18（3）：75-78.

[3]曹晓辉，柳春图，邢静忠.海底管道铺设的力学分析[J].力学与实践，2002，24（4）：19-21.

[4]龚顺风，何勇，周俊，等.深水海底管道S型铺设参数敏感性分析[J].海洋工程，2009，27（4）：87-95.

[5]孙成赞，王允.OFFPIPE软件在海底管道铺设中的应用[J].石油工程建设，2005，（5）：49-52.

BAI Ning（School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）,ZHAO Dong-yan

Computer Aided Optimization Technology Based on OFFPIPE for Offshore Pipeline S-Lay Design

Software OFFPIPE is a powerful FEM based computer program which has been widely used in offshore pipelaying design.However,several disadvantages still exist in this software,for example,stinger modeling is not precise enough,output files are difficult to read by data-processing software and manual operations are tedious and numerous.This paper develops the design optimization software with software Delphi to provide aid to OFFPIPE,which possesses some new functions,such as precise stinger modeling,OFFPIPE automatically controled by external software and automatic OFFPIPE output file reading.Thus,the whole design procedure can be automatically completed with the aid of this software.By the method described in this paper,the application convenience and efficiency of OFFPIPE increase greatly,which has a significant value in offshore pipelaying design area.

offshore pipelaying;software OFFPIPE;software Delphi;design optimization

TE973.1

A

1001－2206（2011）03－0014－07

白 宁 （1980-），男，河北沧州人，工程师，2008年获天津大学博士学位，现为海洋石油工程股份有限公司在站博士后，主要从事海底管道铺设过程中管道力学行为分析研究工作。

2010-07-26