管道J型铺设参数和安装特性的有限元仿真

魏巍+魏会东

摘要： 为提高海洋工程作业效率，应对海上多变的环境条件，针对管道J型铺设建立包括作业船、管线和海床在内的有限元仿真模型并实现三者之间的相互作用.开展静态和动态分析，完成关键作业参数选取和管线的结构完整性评估.利用静态分析得到不同残余张力下管线的铺设姿态和等效应力分布，用于指导海上工程作业，提高作业效率；采用动态分析方法评估环境条件对工程作业过程的影响.J型铺设安装过程的有限元仿真可为保证管线铺设安全可靠地执行、降低海洋工程作业的风险提供参考.

关键词： 管线； J型铺设； 作业效率； 参数； 动态分析； 结构完整性； 风险

中图分类号： TP391.9文献标志码： B

Abstract： To improve the offshore engineering operation efficiency and cope with the changing environment on the sea， the finite element simulation model is built for pipeline Jlay installation， which includes vessel， pipeline and seabed. The interaction of the three parts is realized. The static and dynamic analysis is performed to implement the selection of key operation parameters and the evaluation on structural integrity of pipeline. Based on static analysis， the laying posture and equivalent stress distribution of pipeline under different residual tension are obtained， which can be adopted to guide the offshore engineering operation efficiency and improve the operation efficiency. The dynamic analysis method is used to evaluate the effect of environmental conditions on engineering operation. The finite element simulation on the Jlay installation process can provide reference for the guarantee of the safe and reliable execution of pipeline installation and the decrease of risk during the offshore engineering operation.

Key words： pipeline； Jlay installation； installing efficiency； parameter； dynamic analysis； structural integrity； risk

收稿日期： 2014[KG*9〗02[KG*9〗10修回日期： 2014[KG*9〗05[KG*9〗05

作者简介： 魏巍（1981—），女，山西左云人，讲师，硕士，研究方向为计算机软件与工程应用以及计算机仿真，（Email）weiwei2000here@126.com0引言

人类对能源的需求日渐提高，以石油、煤炭和天然气为代表的化石能源仍占据能源构成的主体地位.随着海洋工程技术的进步，海洋油气开采从浅海迈向深海，在全球范围内掀起海洋开发的热潮.

我国的海岸线较长，海洋中蕴藏着丰富的油气资源，对海洋尤其是水深超过-300 m的深水海域能源的开发，已经成为支撑我国经济社会发展的重要战略.与陆地开发相比，海洋开发的风险和投资较大，需要大型海洋工程船舶资源，安装费用高.以管线铺设为例，大型的铺管作业船舶将数十、数百公里的管线铺设到海底，用于油气的输送.[1]浅水管线铺设国内多采用S型铺设方式[2]，深水管线国际上广泛采用J型铺设方式.

为提高工程作业效率，应对海上多变的环境条件，有必要对铺设作业流程及其关键参数进行理论分析.[3]在国内，沙勇等[4]采用ORCAFLEX对J型铺设进行动态分析，校核管线的完整性和铺设张力；叶茂等[5]采用Abaqus对船体与环境耦合下的J型铺设管道动态受力特性进行分析.在国外也有学者采用商业软件对带有水下结构物的J型铺设进行研究.[3，6]由此可见，对于管线J型铺设采用计算机软件开展有限元仿真的方法已经成熟.

文献中的研究均在固定的铺设张力下进行分析，未考虑不同张力的影响.本文建立各部件有限元模型，并考虑各部件之间的相互作用，研究不同铺设参数下相应的安装特性，对保证海上工程作业的安全可靠具有重要意义.

1作业流程

深水管线铺设作业流程按照进行阶段，可分为初始铺设、正常铺设和弃管终止操作等3个阶段.其中，初始铺设在铺管开始时进行，弃管终止操作在铺管完成时或者遇到特殊情况需要终止操作时进行，这2类都是临时性操作，工程作业大部分时间都在正常铺设阶段[7]，是分析的关注点[8].深水J型铺管作业见图1.管线J型铺设的主要设备是管线的输送装置和安装塔架.在正常铺设工况下，输送装置负责将管道连续地输送给船上的安装塔架[8]，在塔架上的工作站中进行管线的对中、焊接、检验和涂装等操作，然后通过一定的入水角度下放管线，同时不断移动船舶位置使管线下落到预定位置：如此循环操作可完成管线的铺设.在整个操作过程中，需要在管线中控制一定的水平残余张力，以保证管线的铺设姿态，使得铺管船上的管线不受大弯矩作用破坏.水平残余张力由管线的质量和塔架上的张紧器夹紧提供.

2仿真模型

为保证海上工程铺管作业的顺利进行，在正常铺设工况下，工程作业人员应时刻保证船舶及其硬件资源和海管的结构完整性[9]，并做好应对环境变化的预案.随着有限元方法在海洋工程领域成熟应用，可根据工程背景组织和建立仿真模型，见图2.

Abaqus具备大位移作用下的非线性静态和动态分析功能，同时具有运动耦合能力.海洋工程铺管船模型和海床模型均采用RIGID单元；管道模型采用PIPE31单元，网格尺度为1 m.船管的相互作用主要为连接，通过LINK单元实现；管床相互作用为接触，通过建立接触对实现，且仅考虑法向的接触属性.环境条件主要考虑船舶受波浪影响引起的升沉运动.首先施加重力和残余张力进行隐式静态分析，得到正常铺设时的管道平衡状态，然后施加船舶的升沉运动进行显式动态分析.[10]

仿真模型见图3，其中：管道与水平面的夹角即为管线的入水角，管道模型与船舶模型的连接点处的受力即为铺设张力，管道水平段的末端所施加的水平力则为铺设的残余张力.静态计算通过2个载荷步收敛：第一步施加水平残余张力；第二步建立海床与管道的接触.动态分析将静态分析的结果作为初始计算状态，施加船舶动态位移载荷步收敛.

3仿真实现

对某深水工程项目进行分析，铺管直径为355.6 mm，壁厚为27.0 mm，材料为API X65，屈服强度为450 MPa，水深为-1 000 m.进行静态仿真得到船舶铺设参数，考虑整个管线的铺设姿态、铺管船所需张力和管线的入水角等安装特性，得到管线应力和应变等结构完整性指标.动态仿真模拟在波浪作用下船舶进行幅值为1 m，周期为5 s的三角函数正弦波升沉运动，考察环境因素对安装过程的影响.

3.1静态仿真

静态仿真考虑残余张力为100～1 500 kN的情况，船舶工程作业基本参数见表1.

由表1可知，工程所需的船舶铺设张力与管线残余张力基本按照线性变化，满足Tvessel=kTresidual+S式中：Tvessel为船舶所需张力；Tresidual为管线控制残余张力，经拟合得到；常数k=1.002 8，S=2 184.2.管道的铺设姿态见图4.由此可知：残余张力越大，悬链线的坡度越小.在不同的铺设张力下，管线上的等效应力分布见图5.由此可知：在水深-800 m以内时，残余张力越大，等效应力越大；在水深分别为-30和-900 m左右时，整个管线上存在2个大的应力突变点；上部应力突变点的变化幅值基本一致，J型铺设的管线弯曲点在接近海床部位，故管线下部存在应力突变点；残余张力为200 kN的应力变化幅值最大，500～1 000 kN的应力变化幅值接近，此时要注意压应力可能导致的管线屈曲.

在不同的铺设张力下，整条管线上的等效应变分布见图6.由此可见，距离在500～700 m时应变存在突变.这主要是由于管线接触海底弯曲的影响，尤其是残余张力较小，如在200 和500 kN时，由于管线悬链线较为陡峭，导致管线的变形较为剧烈，使得管线内侧压应变较大.

通过有限元分析，建议采用800 kN的控制残余张力，其应力和应变变化幅值较为平缓，同时能保证上部管段较小的等效应力和应变，此时管线入水角度为75°左右，船舶所需的张力为3 000 kN.

3.2动态仿真

在拟定铺设张力后，考虑环境作用，对作业过程进行仿真.在波浪作用下船舶的升沉运动方程为s=1.0sin 1.25t此时入水倾角、铺设的残余张力均保持不变，考察在5 s周期范围内铺设张力和管道的结构完整性.残余张力为500和800 kN时铺设张力时间曲线见图7.由此可知：由于船舶运动周期与管道自身周期的不同，铺设张力的变化范围较大，并呈现周期性变化的趋势.相对于静态分析时铺设张力分别为2 700和3 000 kN，动态分析时最大的铺设张力可达到5 000 kN左右.因此，在铺设时需要选择张力为5 000 kN的张紧设备或者张紧器要具备一定的升沉补偿功能，以满足环境条件变化的要求.

当残余张力为800 kN时，管线上靠近船舶固定点处的应力和应变随时间变化的曲线分别见图8和9.由此可见：应力和应变变化规律与张力变化基本一致；在整个时间范围内，应力最大值为180 MPa，应变最大值为0.09%，相对于静态工况下的应力最大值100 MPa和应变最大值0.055%，应力增大80%，应变增大64%；虽然应力和应变的最大值均控制在可接受的范围内，但要根据应力和应变的幅值变化需要及整个作业过程持续的时间，进行铺管过程中的管线疲劳寿命评定.

4结束语

采用有限元仿真方法，使用计算机软件对J型深水铺管的参数和安装特性进行模拟.根据主要工程对象铺管船、铺设管线和海床建立简化仿真模型，并定义船管和管床的相互作用，实现静态工况时不同的控制残余张力下铺设姿态、铺设作业关键参数和管线结构完整性评估.同时，考虑环境条件的影响，分析工程作业中一定残余张力和入水角度下铺设张力的变化以及管线的结构应力和应变的时域变化，可以对工程作业的流程提供理论指导和数据支持，有助于设计和施工人员加强对作业船舶能力的评估，全面掌握管线的结构完整性评价，并做好环境条件变化时的应对措施.仿真结果可用于指导海上工程作业，在提高作业效率的同时，从一定程度上降低海洋工程的作业风险.

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