浮筒转塔式系泊系统中的动态管缆数值分析

陈金龙+汤明刚+阎军+卢青针+岳前进

摘要： 借助有限元法，结合非线性时域分析，对浮筒转塔式系泊（Buoyant Turret Mooring， BTM）系统与FPSO脱离前后分别采取不同的分析策略，解决其柔性立管、动态脐带缆和动态电缆（合称动态管缆）的设计分析工作量大以及所面临的高度非线性和强耦合等难题.以我国南海某BTM系统的动态管缆的分析为例，借助专业立管分析软件Orcaflex展示该类系统的数值建模和分析技术，并通过极值和疲劳的分析与评价阐述此类工程设计的技术特点.

关键词： 柔性立管； 脐带缆； 单点系泊系统； 非线性时域分析； 耦合分析

中图分类号： TE53；TB115.1文献标志码： B

Abstract： As to the tremendous workload and highly nonlinear and strong coupling issues in the calculation and analysis on the flexible risers， dynamic umbilical cables and dynamic electric cables（collectively called the dynamic pipe/cable）of Buoyant Turret Mooring（BTM） system， by finite element method combined with nonlinear time domain analysis， some different strategies are separately taken before or after the mooring system detached from FPSO. Taking the dynamic pipe/cable analysis of a BTM system in South China Sea as an example， the professional riser analysis software Orcaflex is used to show the modeling and analysis techniques on this system， and the characteristics of the technique of such kind of project design are elaborated by the analysis and estimate on extreme value and fatigue.

Key words： flexible riser； umbilical cable； single point mooring system； nonlinear time domain analysis； coupling analysis

0引言

目前用于我国南海油气田开发的FPSO常采用浮筒转塔式系泊（Buoyant Turret Mooring，BTM）系统定位，其基本理念是当风浪达到一定危险程度时，FPSO可与BTM系统脱离，脱离后通过一个浮筒支持系泊系统与水下管缆悬浮在水下一定位置.这种系统下的柔性立管、动态脐带缆和动态电缆（以下合称为动态管缆）往往采用缓S型设计，采用中水浮拱（Middle Water Arch， MWA）支撑管缆中段，见图1.

水下管缆的整体分析包括静力分析和动力分析.从整体结构上看，这类细长结构的几何大变形/大转角问题十分突出，早期将悬链线理论与数值迭代方法相结合解决上述难题.[1]管缆截面螺旋缠绕的多层结构不仅使其弯曲刚度远小于轴向刚度，而且因为层间摩擦的作用，其具备显著的非线性特性.[23]同时，也需考虑动态管缆与弯曲保护装置、浮力装置之间的接触摩擦.因此，非线性时域方法是解决上述问题的主要方法.国外开发如Orcaflex，Flexcom和Riflex等专业海洋立管分析软件，均具备非线性时域分析能力.在API和DNV等海洋管缆相关的行业规范中，对非线性时域分析也有明确要求.[45]

由于分析工况多、计算量大、设计周期长，动态管缆的设计一直是工程界的难题.[6]对BTM这类可脱离的单点系统的分析，不仅工况更多，而且还面临着管缆与BTM系统动力学耦合的难题.因而，动态管缆的设计对分析软件和分析技术均有较高的要求.本文对BTM系统下的管缆分析原理和分析技术进行简要阐述，并以我国南海某浅水油气田BTM系统下的动态管缆为实例，应用Orcaflex软件进行建模和时域分析，介绍工程设计所关注的极值和疲劳分析，为此类系统的柔性管缆数值分析提供较为完整的分析流程和技术思路.

1基本原理和方法

适用于上述系统设计的数值仿真程序应具备以下能力：能够对波浪、流以及浮体响应进行模拟；具有适合的管缆单元模拟非线性行为；能够采用时域法对管缆进行动力分析；能够进行BTM与FPSO脱离后的管缆系泊浮筒的全耦合动力学分析.

1.1管缆单元

动态管缆等柔性结构动力学分析的单元应具备以下基本的能力.

（1）能够分别设置拉伸、弯曲和扭转刚度（线性与非线性刚度）等，可赋予外径、质量和阻尼等信息.

（2）能够允许在载荷作用下发生大变形/大转角等非线性行为.

（3）能够模拟管缆之间，管缆与中水浮拱、顶部弯曲保护装置及海床间的接触和摩擦.

由于动态管缆截面极为复杂，难以通过整体动态分析直接获得管缆截面的应力分布，所以整体分析软件中的管缆单元只需要包含质量、刚度和阻尼等特性，能够快速获得管缆的载荷和变形以用于局部分析即可，可极大地提高分析效率.例如Orcaflex的线单元见图2.

4结论

BTM中动态管缆的数值分析既具备一般的动态管缆的分析特点，即管缆存在大变形/大转角和非线性刚度等问题，又有其自身的特点，如脱离后存在显著的耦合效应等问题.这导致分析困难且计算量大.本文通过对这类系统的分析得出以下结论：

（1）海洋柔性立管、动态缆的数值仿真非线性问题突出、结构应力复杂.整体动态分析往往需要大规模时域计算，此时忽略截面应力，建立反映整体力学行为的单元，是一种简单且高效的办法.

（2）对BTM系统与FPSO脱离前后的动态分析，应采用不同的分析策略.连接工况可采用解耦的分析策略以大幅提升计算效率，脱离后应采用耦合的分析策略以符合动力学原理.

（3）由于分析工况多且计算数据量大，此类分析既需要很好的简化建模，又需要便捷的结果后处理程序，以满足工程中极值与疲劳分析的要求.

我国水下管缆设计研究刚刚起步，尚无自主的专业的设计分析软件.本文在研究动态管缆分析技术的同时也能为此类软件自主开发提供一定借鉴.

参考文献：

[1]PATEL M H， SEYED F B. Review of flexible riser modelling and analysis techniques[J]. Eng Structures， 1995， 17（4）： 293304.

[2]WITZ J A， TAN Z. On the flexural structural behaviour of flexible pipes， umbilicals and marine cables[J]. Mar Struct， 1992， 5（2/3）： 229249.

[3]卢青针， 肖能， 阎军. 钢管脐带缆弯曲刚度有限元分析[J]. 计算机辅助工程， 2011， 20（2）： 3235.

[4]APIRP17BRecommended practice for flexible pipe[S].

[5]DNVRPF201Dynamic risers[S].

[6]RAFAEL L T， de ARRUDA M C， de MORAES T F C， et al. Parametric analysis of lazywave steel riser[C]//Proc 18th Int Conf Mech Eng. Ouro， 2005.

[7]DNVRPF205Global performance analysis of deepwater floating structures[S].

[8]YE W， SHANKS J， FANG J. Effects of fully coupled and quasistatic semisubmersible vessel motions on steel catenary risers wave loading fatigue[C]//Proc Offshore Technol Conf， OTC15105. Houston， 2003.

[9]石山， 冉志煌， 漆春茂. 海洋工程深水开发浮式系统的耦合计算方法[J]. 中国造船， 2005， 46（4）： 4751.

[10]BAI Yong， BAI Qiang. Subsea pipelines and risers[M]. 2nd. Amsterdam： Elsevier， 2005： 490491.

[11]STEINKJER O， SODAHL N， GRYTOYR G. Methodology for time domain fatigue life assessment of riser and umbilicals[C]//Proc 2010 29th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng， OMAE 201020119. Shanghai， 2010.

（1）海洋柔性立管、动态缆的数值仿真非线性问题突出、结构应力复杂.整体动态分析往往需要大规模时域计算，此时忽略截面应力，建立反映整体力学行为的单元，是一种简单且高效的办法.

（2）对BTM系统与FPSO脱离前后的动态分析，应采用不同的分析策略.连接工况可采用解耦的分析策略以大幅提升计算效率，脱离后应采用耦合的分析策略以符合动力学原理.

（3）由于分析工况多且计算数据量大，此类分析既需要很好的简化建模，又需要便捷的结果后处理程序，以满足工程中极值与疲劳分析的要求.

我国水下管缆设计研究刚刚起步，尚无自主的专业的设计分析软件.本文在研究动态管缆分析技术的同时也能为此类软件自主开发提供一定借鉴.

参考文献：

[1]PATEL M H， SEYED F B. Review of flexible riser modelling and analysis techniques[J]. Eng Structures， 1995， 17（4）： 293304.

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[3]卢青针， 肖能， 阎军. 钢管脐带缆弯曲刚度有限元分析[J]. 计算机辅助工程， 2011， 20（2）： 3235.

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（1）海洋柔性立管、动态缆的数值仿真非线性问题突出、结构应力复杂.整体动态分析往往需要大规模时域计算，此时忽略截面应力，建立反映整体力学行为的单元，是一种简单且高效的办法.

（2）对BTM系统与FPSO脱离前后的动态分析，应采用不同的分析策略.连接工况可采用解耦的分析策略以大幅提升计算效率，脱离后应采用耦合的分析策略以符合动力学原理.

（3）由于分析工况多且计算数据量大，此类分析既需要很好的简化建模，又需要便捷的结果后处理程序，以满足工程中极值与疲劳分析的要求.

我国水下管缆设计研究刚刚起步，尚无自主的专业的设计分析软件.本文在研究动态管缆分析技术的同时也能为此类软件自主开发提供一定借鉴.

参考文献：

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[9]石山， 冉志煌， 漆春茂. 海洋工程深水开发浮式系统的耦合计算方法[J]. 中国造船， 2005， 46（4）： 4751.

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[11]STEINKJER O， SODAHL N， GRYTOYR G. Methodology for time domain fatigue life assessment of riser and umbilicals[C]//Proc 2010 29th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng， OMAE 201020119. Shanghai， 2010.