水下PLEM的安装计算分析

尹汉军， 付剑波， 苏 锋， 张 凡， 陈 伟， 白 勇

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.浙江大学， 杭州 310058)

水下PLEM的安装计算分析

尹汉军1， 付剑波1， 苏 锋1， 张 凡2， 陈 伟2， 白 勇2

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.浙江大学， 杭州 310058)

由于海上油气处理设施距水下生产设施较远，故需采用管道终端(PLEM)来进行管道的回接，即需要结合管线终端(PLEM)在管道两端搭载连接系统。该文通过对安装过程和关键位置进行的静态分析和动态计算，分析比较了在不同海况和不同计算模型下，计算结果所受到的影响，同时根据分析结果为PLEM的水下安装提出了优化方法，从而为后期工程施工起到指导作用。

管道终端；静态分析；动态计算；实际施工

0 引言

由于海底油气开采的地理位置离现有的水下结构越来越远，因此优先考虑利用海底接头与现有深海管道提供备用的输送能力，这就需要结合管线终端PLEM在管道两端搭载连接系统。在管道起始部位的PLEM称作始端PLEM，而安装在管道终止位置的PLEM称作终端PLEM，终端PLEM装有扼套使其可绕管道中心线PLEM的重心转动。PLEM的目的是将安装结构与海底组件相连，并将其吊装在设计位置，PLEM不仅能在吊装时承受安装荷载，并且当失效发生时能够保证结构的恢复。

1 PLEM安装计算分析

PLEM的安装与管道安装类似，用于开始铺管的PLEM称为始端PLEM安装，管线铺设完毕后连接的PLEM称为末端PLEM安装。无论哪种安装方法，PLEM 安装都是在管道连接与缆绳的联合作用下实现的，对于始端PLEM安装由于涉及到管道的铺设，因此需要根据不同类型的铺管船(S型铺管与J型铺管)对PLEM安装分别进行分析，因此计算较为复杂。为便于计算分析，对PLEM安装做出如下假设[1]：

(1) 在整个安装过程中，不考虑缆绳和管道的轴向变形；

(2) 在安装过程中视PLEM为刚性结构因此不会发生变形；

(3) 缆绳与PLEM 受到风的作用忽略不计；

(4) 不计算运动补偿作用。

对于PLEM安装的每个相关阶段，一般必须对以下方面进行分析：(1)缆绳最大(小)张力；(2)PLEM所受最大载荷；(3)管道最小弯曲半径；(4)管道最大(小)张力；(5)管道最大弯矩。如果是末端PLEM安装，还需要计算绞车缆绳排放(纵向、横向误差)。

1.1 终端PLEM安装计算分析

终端PLEM即为铺管终点的终端装置，通常情况下终端PLEM在A&R接头和钢绳的作用下完成安装，一般设计为防沉板被管道固定，主结构部分可绕防沉板支架进行转动。根据主要安装过程可将终端PLEM安装分为四个阶段计算分析:船上倒置与吊运、水面上与管道焊接后下放、下放阶段、落地阶段。终端PLEM安装示意图如图1所示。

图1 终端PLEM安装示意图

图2 终端PLEM安装船上倒置计算分析图

(1) 船上倒置与吊运

利用起重机将PLEM吊起倒置，并移至悬挂框架。设起重机吊点距甲板高度Hc，PLEM支点距离甲板高度Hsu，起重机吊点O距PLEM支点Q水平距离为SOP。建立原坐标系XYZ，坐标原点位于起重机吊点O， PLEM轭的端部到防沉板另一端长度为lplem，PLEM端点(非缆绳连接点)与支持点距离为lsu。简化模型如图2所示。

模型中的主要荷载为钢缆自重、PLEM自重以及由船舶运动产生的附加荷载。开始提升时与停止提升时由于受到压紧力作用，动力效应可以通过动力放大系数DAF进行计算：

(1)

(2)

式中：DAF为动力放大系数；mplem=myoke+mval+mmat，为PLEM在空气中重量；myoke,mval,mmat分别为PLEM上轭、管道接口、防沉板在空气中重量。

当PLEM下放开始瞬间或突然停止下放时，PLEM受到压紧力作用，特征总力为：

(3)

式中：Fsnap为PLEM受到的压紧力。

管道上端固定在悬挂框架上，下端铺设在海底。设总水深为，悬挂框架距水面距离FH，管道与悬挂框架连接处设为A点，在A点建立局部坐标系XAYAZA(如图3所示)。

图3 阶段一管道静态计算分析图

水面下的管道受到波浪、流的联合作用，因此管道轴力的大小会产生相应的变化。由于波浪水流随水深分布不均匀，因此该文采用有限元划分的办法。

在XAYAZA坐标系中，假设AB段管道长度为LAB，管道固定于悬挂框架方向为θA-O，则A点沿XA轴、YA轴、ZA轴方向力的大小如下：

(4)

将波浪、流作用力的方向沿XA轴与YA轴分解，计算管道各结点i在局部坐标系中受到XA轴与YA轴的环境荷载大小(与水深有关)为：

(5)

(6)

式中：FD-i-x、FD-i-y分别为X、Y方向上管道受到的波浪、流的拖曳力[2]；FM-i-x、FM-i-y分别为X、Y方向上管道受到波浪、流的惯性力。

图4 阶段二模型动态计算示意图

(2) 水面上与管道焊接后下放

当PLEM与管道焊接完成后将PLEM释放入水中，以O为原点建立整体坐标系XYZ，计算模型如图4所示。水域总水深为Dw，吊点距甲板垂直距离为HC，甲板距水面距离为HD，故吊点距水面距离为HC+HD。

对OB缆绳、PLEM、管道部分在局部坐标系中的坐标以及结点轴力进行循环计算：

(7)

(8)

E点受到YE轴方向拉力大小为:

(9)

(3) 下放阶段

在水中下放PLEM过程中由钢缆牵拉住PLEM，将PLEM拉入指定位置，同时PLEM保持与管道的连接。整个过程PLEM 以及管道、缆绳会受到波浪、流的环境荷载作用。

计算时需要考虑到PLEM、缆绳受到荷载作用，计算方法参考水面上与管道焊接后下放计算部分。

(4)落地阶段

一般情况下，PLEM设备连接时下放速度应小于1 m/s，在PLEM安装期间PLEM与海床之间的撞击力必须加以考虑。

根据参考文献[4]，当PLEM坐放至海底时，PLEM会和海底产生撞击，最大撞击力为：

(10)

(11)

式中：νip为撞击前PLEM下放速度；k为系统等效刚度；kplem为PLEM刚度；kseabed为海床刚度。

此时管道轴力最大点位于管道顶端：

(12)

(13)

1.2 始端 PLEM 安装计算分析

始端PLEM即为铺管起始点的终端装置，由于安装后需要继续进行铺管作业，PLEM一般设计为防沉板被水平牵拉固定，主结构部分可绕防沉板支架进行转动。从而在铺管过程中随管道铺设主结构逐渐转动直至接触防沉板。根据主要安装过程，将始端PLEM安装分为水面上吊运与下放阶段、PLEM淹没阶段、落地阶段三个阶段计算分析。PLEM 安装过程如图5所示。

图5 始端PLEM安装示意图

(1) 水面上吊运与下放阶段

将PLEM焊接至管道首端，PLEM另一端连接至钢缆，开始下放PLEM，简化模型如图6所示。

图6 阶段一静态计算分析示意图

若为S型铺管A点为管道与托管架脱离点，为J型铺管，则A点即为管道与斜道的脱离点[4]；O点为缆绳与水下锚桩的连接点，在计算中将锚桩简化为一个点，忽略锚桩对缆绳计算的影响。B点为缆绳与安装船绞车之间的连接点，C点为管道与PLEM的连接点，D点为缆绳与 PLEM 的连接点。以O点为原点建立三维直角坐标系，模型中的主要荷载为管道自重、PLEM自重、由船舶运动产生的附加荷载、缆绳对PLEM的拉力。由于PLEM未入水，故PLEM和管道均没有受到波浪、流环境荷载的影响[3]，只有缆绳受到环境荷载影响。动力效应可以通过动力放大系数DAF进行计算；

(14)

(15)

式中：DAF为动力放大系数；mplem为PLEM在空气中的重量。 之后匀速下放PLEM，此时：

(16)

当PLEM下放开始瞬间或突然停止下放时PLEM受到压紧力作用，特征总力为：

(17)

式中：Fsnap为PLEM受到的压紧力。

由于OB、OC段缆绳有部分浸入水中，故需要对结构进行动态分析，每段的具体计算如图7所示。

图7 动态计算分析示意图

将波浪、流作用力沿X轴与Y轴分解，计算缆绳各结点i在整体坐标系中受到X轴与Y轴方向上的环境荷载大小(与水深有关)为：

(18)

(19)

式中：FD-i-x、FD-i-y分别为X、Y方向上缆绳受到的波浪、流的拖曳力；FM-i-x、FM-i-y分别为X、Y方向上缆绳受到波浪、流的惯性力。

需要注意的是AC段最后一个单元，需要将其简化为AE段，θA为已知，通过式(20)～式(21)即可计算出TAX-s和TA：

(20)

(21)

(2) PLEM淹没阶段

在水中下放PLEM，安装过程中由钢缆牵拉PLEM，将PLEM拉入指定位置，同时连接管道保证PLEM与海床的距离。整个过程PLEM以及管道会受到波浪、流的环境荷载作用。

计算时需要考虑到PLEM、管道受到荷载作用，计算方法参考水面上吊运与下放阶段动态计算部分，需要计算PLEM 与管道受到的环境荷载作用。

(3) 落地阶段

一般情况下，PLEM设备连接时下放速应小于1 m/s，在PLEM安装期间，PLEM与海床之间的撞击力必须加以考虑。根据参考文献[4]，当PLEM坐放至海底时，PLEM会和海底产生撞击，最大撞击力与终端PLEM安装时一致。

此时管道轴力最大点位于管道顶端：

(22)

(23)

2 结束语

通过对PLEM在所述各工况条件下的计算分析，使PLEM能很好地完成下放、安装任务，并且能将管线应变和应力控制在较小范围之内。分析了不同海况、不同计算模型对计算结果的影响，对后期实际工程施工起到很好的参考作用。

[1] DNV. Environmental conditions and environmental loads[S]. 2007.

[2] Tawancy H M, Luai M. AI-Hadhrami. Failure analysis of a welded outlet manifold pipe in a primary steam reformer by improper selection of materials[J]. Engineer Failure Analysis， 2009，16(3): 816-824

[3] 龚明煊，刘再生，段梦兰等. 深海水下采油树下放安装过程分析与研究[J]. 石油机械，2013,41(4): 50-54.

[4] Bai Yong. Subsea engineering handbook[J]. Elsevier Science, 2010.

Calculation and Analysis of Subsea PLEM Installation

YIN Han-jun1， FU Jian-bo1， SU Feng1， ZHANG Fan2， CHEN Wei2， BAI Yong2

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd. Tianjin 300451, China; 2.Zhjiang University, Hangzhou 310058, China)

Far from underwater structure due to the seabed oil and gas engineering, pipeline terminals (PLEM) is adopted to improve the pipeline tieback, this would require the combination of line terminal PLET carry on both ends of the pipe connection system. Installation process and the key position for the static analysis and dynamic calculation, analysis and comparison for different sea condition, the influence of different calculation model on the calculation results, and gives some guidance to the conclusion that the late have very good reference effect of actual engineering.

Pipe line End Manifold; Static analysis; Dynamic calculation; Actual construction

2013-11-25; 修改稿收到日期： 2014-03-19

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05027-004)。

尹汉军(1973-)，男，高级工程师。

1001-4500(2014)04-0041-05

TE93

A