一种卷筒式铺管法计算分析技术

冯现洪，王文亮，郑 羽，房长帅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

一种卷筒式铺管法计算分析技术

冯现洪，王文亮，郑 羽，房长帅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

卷筒式铺管法对于小管径海底管道铺设有着较大优势，可将海上船舶焊接施工的工作量转移至陆上完成。本文首先从铺设工艺角度进行说明，然后对卷筒式铺管的关键卷管计算进行理论分析和设计流程，最后重点针对南海深水项目的外输管道采用Apache公司船舶作为目标船舶，采用理论方法和Pipelay软件进行分析的计算模拟。通过计算模拟的过程，总结出卷筒式铺管法的计算分析技术。

海底管道;卷筒式;卷筒校核;铺管分析

0 引言

海底管道常用安装方法包括S－lay(S型铺管法）、J－lay(J型铺管法）和reel-lay(卷筒式铺管法）等，其中卷筒式铺管法与其他2种方法相比，具有铺管效率高、管道焊缝质量高和铺管成本低的优点。卷筒法铺管的特点是将海上焊接检验的工作转移到陆上管厂的工作。由于陆上检验手段和方法较多，同时受环境因素影响较少，因此管道的焊接质量得到保证。

但由于现有技术及船体结构限制，目前卷筒铺管船仍仅限于铺设柔性管 (如电缆、控制缆等）和小直径钢管，其主要原因是钢管缠绕在卷筒上后会产生弯曲应变。对于一定直径的卷筒，缠绕钢管的直径越大，钢管内产生的应变越大，而壁厚越薄，容许的应变越小，因此管道越容易产生塑性变形而破坏，或影响铺设管道的质量，埋下安全隐患。

因此需要在设计阶段重点关注管材的技术性能要求，保证卷筒法铺设的各项指示满足规范的要求。

本文首先对卷筒式铺管法进行铺设工艺介绍，然后介绍卷筒式铺管法的计算分析技术及其理论，提出卷筒式铺管技术的分析流程，最后通过南海某深水项目的具体实例，提出针对该项技术的几个初步结论，以供我国未来深海技术发展的参考。

1 卷筒式铺管法工艺

卷筒式铺设法的铺管工艺包括如下阶段:

1）陆上管道预制阶段

根据项目技术要求，需要制管厂严格控制管材的各项指标，特别是管道的尺寸要求及抗塑性要求，在陆上制管阶段完成所有合管管材的生产。

2）陆上管道接长及入卷阶段

将管厂生产的管材，利用管厂或码头的焊接站，将定长标准钢管焊接成连续管道，并将连续管道缠绕到安装在卷筒上。

3）整卷装船阶段

把每个卷筒的管道进行整装处理，直接通过大型吊机吊装至铺管船上，并与铺管船上的铺管设备对接。

4）管道通过开卷、校直器、张紧器入海

将绕设在卷筒上的连续管道的铺设端与管道张紧矫直机构相连;将该作业船行驶至指定铺管海域并定位，利用卷筒驱动机构驱动卷筒转动，形成开卷、校直，利用张紧器提供适当的张紧力，进行铺管作业;在铺设过程中实时监测管道情况。

为发挥卷筒铺管方式的优势，提升卷筒铺管船铺设大直径薄壁钢管的能力，最有效的方法是增加卷筒的直径，即增加缠绕钢管的弯曲半径，从而降低钢管的弯曲变形。但增加卷筒直径将会导致卷筒重量急剧增加，使得在码头进行卷筒装船作业以及铺管船在海上铺管作业过程中进行的卷筒更换作业都必须使用大型吊装机械。而这类大型吊装机械，尤其是海上大型吊装船只租赁困难，且费用高昂，给卷筒的码头装船作业及卷筒的海上更换作业带来极大不便。另一方面，随着卷筒直径的增加，铺管船重心随之升高，稳性下降，降低了抗风浪能力，增大了海上铺管作业的危险性。

2 卷筒式铺设计算方法

2.1 船舶卷曲段计算方法

图1为卷筒式铺设法的卷曲段示意图。结合铺设过程，图2为管道材料内部应力应变关系示意图及过程。

铺设步骤如下:

图1 卷筒铺设卷曲段示意图Fig.1 Reeling section sketch diagram for reel laying

图2 卷筒铺设管道应力应变关系示意图Fig.2 Relationship of stress and strain sketch diagram for reel laying

4）C，C'－D，D'－E，E':通过校直器过程。

下面为卷筒式铺设法的卷曲段各阶段的计算理论方法，其下垂段的理论方法与其他铺设方法一致。过程如下:

1）入卷张力计算

管道在卷入在主卷筒时所需要的张力可通过下式进行计算:

式中:Mp为塑性弯矩，Mp=SMYS.Zp;R为管道的弯曲半径。

2）卷管布置及能力校核

卷筒最大层数:

式中:Dreel为卷筒边缘直径;Dhub为卷筒轮毂直径;Dptot为管道总外径 (含涂层）。

卷筒单层最大道数:

式中wreel为卷筒宽度。

一般应根据单卷最大能力及管道的长度进行分卷，单卷的长度可通过如下公式求取:

通过选取合适的层数nw，保证实际单卷重量小于单卷能力。

3）主卷筒和调整支架管道校核

主卷筒应变通过如下计算求取:

通过SY/T 10037－2010对局部屈曲的如下应变控制校核准则进行局部屈曲校核:

相关参数的解释见SY/T 10037－2010规范。

除需要进行局部屈曲校核外，还应控制管道内部椭圆度的增加是否满足要求，其中由弯曲应变引起的椭圆度可通过如下公式求取:

根据SY/T 10037－2010最终的椭圆度应控制在3%内。

2.2 船舶卷曲段计算方法

铺管过程中海管由于属于细长杆件，其抗弯刚度可以忽略的情况下，自由悬链线如图3所示。

图3 悬链线理论示意图Fig.3 Catenary theory sketch diagram

在公式中 y是 R，x，α，w的函数，即 y=f(R，x，α，w）。已知R，x，α，w就可以求得水深y。而实际上船舶抛锚时，通常设置有足够长度的锚链，以便有一段躺底锚链，使锚不产生上拔力，这样，α=0;而如果又选定了锚链，则每米链重w也为常量;又如果作用在船上的外力R也已求得，这样，公式y=f(R，x，A，w）就可写成y=f1(x）。但是船在某水域抛锚，则水深y反而是已知的。所以往往要从y来求x。显然，从公式y=f1(x）要推导出它的反函数x=f2(y）来求x很困难，只能用不同的x值代入公式计算y，当计算得到的y恰好等于水深h时，x就是要求的值。可以利用软件或编制某计算程序，由计算机完成。求得x后，再按以下公式求悬链长。

通过以上公式可求得悬链线的各参数。

2.3 计算分析流程

根据以上原理，卷筒式铺管法的设计流程如图4所示。

图4 卷筒式铺管法分析流程Fig.4 Reel laying analysis flow chat

4 算例

4.1 项目介绍

本文以南海某深水项目为例，应用深水海底管道卷筒式铺管安装分析技术。该项目作为水下回接系统的一部分，1条6″海底管道从浅水中心平台(约200 m）水下生产系统 (约1 500 m）输送至水下生产系统 (约1 500 m），考虑采用卷筒式铺管法进行6″外输管道的铺设，铺设船舶假设考虑为Technip公司的ApacheⅡ。

4.2 基础数据

1）海管信息

本文分析的6″管道结构为单层管，截面示意如图5所示。

图5 管道剖面示意图Fig.5 Pipe cross section sketch diagram

海底管道主要参数如表1所示。

表1 海管参数Tab.1 Subsea pipeline parameters

2）环境数据

根据外输海管水深路由图，考虑的安装分析计算水深为200～1 500 m。

根据项目设计基础，一年一遇波浪的波高考虑为8.6 m，波周期考虑为12.2 s。根据船舶运行性能通过铺设分析应考虑船舶许用的作业环境条件。

3）船舶参数

本文卷筒式铺设分析船舶拟采用Technip公司的Apache II船舶，用于6″管道的全程铺设。

图6 Technip的ApacheⅡ船Fig.6 ApacheⅡof technip vessel

表2为ApacheⅡ的船舶主尺度参数。表3为船舶卷管铺设能力描述。

表2 船舶主尺度Tab.2 Main dimension of vessel

表3 船舶卷管铺设能力Tab.3 Reeling capacity of vessel

4.3 分析考虑

1）工况

分析过程考虑从最浅水深直至最深水深，即200～1 500 m，考虑如下水深系列:200 m，400 m，800 m，1 000 m，1 200 m，1 400 m，1 500 m。

分析过程考虑正常铺管的静态分析，分析工况如表4所示。

表4 分析工况Tab.4 Analysis cases

2）分析目标

确定适合的倾斜平台角度;最终的张力满足船舶要求，最大张紧力需要在180 t范围内;管道在正常铺设下管道的受力满足要求，最大点 (下弯段）满足小于72%*最小屈服强度 (静态工况）。

4.4 软件

本文将使用Pipelay软件进行分析。Pipelay软件为MCSKenny公司开发的专业铺管软件，界面友好，其分析引擎包含静动态分析、多步骤分析、先进的接触单位、灵活的托管架定义、兼容特殊结构形式 (如双层管和子母管）、不同海床定义、疲劳分析和先进的后处理功能等。从工程的角度看，该软件作为专业的铺管软件，集成了铺管过程中遇到的各种问题，国际一些大型工程公司 (如ALLSEAS、TECHNIP和SAIPEM等）正在使用。分析的模型如图7所示。

图7 铺设分析模型 (工况200ES）Fig.7 Laying analysismodel(Case 200ES）

4.5 分析结果

4.5.1 船舶卷曲段结果

1）入卷张力计算。最里层的入卷张力为16.6 kN;卷管过程中应严格控制入卷张力，保证管道的最小入卷张力。

2）卷管布置及能力校核。单卷层数17.5层;每层的道数37道;单卷总长度39.8 km;单卷总重量1994 t;需要卷数2卷筒。

3）主卷筒管道校核。弯曲应应为1.02%;校核系数 UCa=0.47，UCb=0.508，满足SY/T 10037－2010规范要求;最终椭圆度1.487%，满足SY/T 10037－2010规范要求

4）调整支架管道校核。弯曲应应为1.666%;校核系数 UCa=0.715，UCb=0.733，满足 SY/T 10037－2010规范要求;最终椭圆度2.3%，满足SY/T 10037－2010规范要求

4.5.2 下垂段分析受力结果

使用Pipelay软件对表5中各种工况及管道受力进行分析。

表5 下垂段分析结果Tab.5 Analysis result of suspend section

以上各个工况均满足要求。

5 结语

通过上面就卷筒式铺管法计算分析技术探讨，可得出如下结论:

1）依据计算结果，选用的卷筒式船的各项性能满足要求，管道的铺设受力分析满足规范要求;

2）下垂段铺设法的原理与悬链线理论相当，可通过悬链线理论预测管道的总体布置;

3）在进行实际生产项目过程中，基础数据应完善，如海床土壤情况应重点关注;

4）下垂段位于触泥点附近的管道为应力值最大处，应在铺设过程中重点监控触泥点的情况;

5）卷筒式铺管法对管道的技术性能要求较其它方法要求高，应在陆地制管及预制阶段的各个环节严格监控，保证满足技术规格书和规范要求。

本文提出一种卷筒式铺管法计算分析方法，针对将来我国海洋石油深水项目的逐步开发，应重点加强对现有国际海洋工程主流卷筒式铺管船的调研工作，并深入了解其安装过程，为海底管道安装设计及施工打下良好基础。

［1］SY/T 10037－2010，海底管道系统［S］.SY/T 10037 －2010，Submarine pipeline system［S］.

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Calculation and analysis technology of reel-lay method for subsea pipeline laying

FENG Xian-hong，WANGWen-liang，ZHENG Yu，FANG Chang-shuai
(China Offshore Oil Engineering Co.，LTD，Tianjin 300451，China）

There aremany benefits for installing small dimension subsea pipelinewhen using reel-lay method.The feather of thismethod is that itwill transfers theweldingwork on vessel to onshore.Firstly this paper will introduce reel-lay process briefly，and then present analysis theory of the key calculation of reeling and the analysis design flow chart.Finally this paper will present a sample project of South China Sea using lay vessel Apache IIas the target vessel，which carries out the analysis using the theory method and Pipelay software.Based on the result of calculation，the paper concludes the calculation and analysis technology of reel-laymethod.

subsea pipeline;reel-lay;reeling check;laying analysis

U661.44

A

1672－7649(2014）04－0103－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.021

2013－12－26;

2014－03－03

国家科技重大专项“深水铺管起重船及配套工程技术(十二五）”资助项目(2011ZX05027－002）

冯现洪(1979－），男，本科，工程师，主要从事海底管道设计工作。