拖拉法安装海底登陆管道过程中的计算与分析

李静 刘帅 蔡铮 方梁

摘要：本文结合荔湾3-1项目海底管道拖拉登陆前期的设计以及现场施工经验，总结和阐述了拖拉法在近岸海底管道铺设中的实际应用，并对拖拉登陆过程中海底管道的受力进行分析。主要包括拖拉方法的选择，拖拉力计算以及拖拉过程海管受力分析。其中海管受力分析通过AUTOPIPE软件模拟，并对各工况进行对比分析。

关键词：拖拉登陆、海底管道、底拖法、AUTOPIPE

近岸海底管道的铺设多数采用预挖沟、拖拉登陆的方法，拖拉登陆分为陆上拖管和海上拖管两种类型。作业中采用哪种方法铺设登陆管道，一般需要根据具体设备能力和登陆点的环境条件确定拖拉登陆的方法。本文主要通过对荔湾3-1项目海管拖拉登陆进行受力分析，并对拖拉系统设计和拖管计算进行较为详细的介绍和论述。

1 项目介绍及施工方法

荔湾3-1气田位于南中国海东部，北偏西距香港约300km，东北方向距离东沙群岛约170km。该项目的开发按照区域开发思路，新建一座中心平台，带动荔湾及周边气田的开发。根据此开发原则，需新建一条中心平台至高栏岛终端的30"外输管道，登陆点为珠海高栏岛。

拖管施工法包括以下几种方法：水面拖行（surface tow）、水面下拖行（below surface tow）離底拖（off-bottom tow）和底拖（bottom tow）。

2 拖拉受力分析

2.1 概述

结合荔湾3-1拖拉登陆项目，主要对其拖拉力进行计算以及拖拉过程中海管受力分析。通过计算确定拖拉设备的能力，进而提供选择设备的依据；海管受力分析可以通过数据清楚的查看拖拉过程中受力、变形等情况。

2.2 拖拉力计算

海底管道拖拉过程中会经过不同条件的海床，不同海床对管道产生不同的阻力。为简化计算分析，将拖拉路由上的海底土壤简化为一段，考虑管道与海底的摩擦系数和海流，波浪状况，用以预测拖管过程中拖力的变化和大小。在计算拖拉力前需确定如下内容

1）登陆段的长度，

2）管道，索具在空气中和海水中的单位重量，

3）管道上所加浮筒的浮力，

4）管道，索具与预挖沟底土壤的摩擦系数，

5）管道拖拉头形式，

6）拖拉时可能出现的不可预见性因素及潮位等

一般情况，海底管道拖拉力包括海水阻力、波浪力、管道和索具摩擦力、船舶张紧器拉力。

海水的阻力计算。单位长度海水阻力的计算公式是

式中，C-海水阻力系数，；

Re-雷诺数，Re =URD/ν；

D-结构物直径；

ν=1.007×10-6m2/s为水的运动粘度；

UR-水与管道间相对速度，UR =ut-uccosθ，ut为拖管速度，uc为海流流速，θ为海流流向。

登陆点线形绞车拖拉速度为1m/min，通过计算单位长度海水阻力仅0.004t。可不予考虑海水阻力影响。

管道贴近海底以及带有水泥涂层海管单位自重大、现场波浪对管道的作用很小，可不予考虑波浪影响。

因此拖拉力大小一般由下述公式确定：

式中：

图3.3 拖拉力计算示意图

铺管船船尾到拖拉封头最前端的距离为408.1m，从船尾到到管道着泥点的长度为99m，所以拖拉管线的总长 （ =43m）。

因此：

a、在不考虑浮筒提供浮力的情况下，最大的拖拉力为：

F = （266.1 x579.2 x 0.8 + 43 x 1276.3 x 1.0）x 1.5+43000

= （123300.096+54880.9） x 1.5+43000

= 267271.494+43000

= 310271.494≈310.28<400T

所提供的400t线性绞车满足拖拉力的要求，计划方案可行。

b、在考虑浮筒提供浮力的情况下，最大的拖拉力为：

F = （266.1 x251.12 x 0.8 + 43 x 1276.3 x 1.0）x 1.5+43000

= （53458.4256+54880.9） x 1.5+43000

= 162508.9884+43000

= 205508.9884≈205.51T<400T

项目所提供的400t线性绞车满足拖拉力的要求，计划方案可行。

2.3 拖拉过程海管受力分析

近岸段海底管道拖拉登陆是使用AUTOPIPE软件进行模拟分析。该软件专门用于管道的分析与设计，是世界上少有几个分析计算管道的功能强大而全面的有限元软件。它可以进行管道应力、法兰连接、管道支撑设计、管道与设备的连接分析等动态与静态计算。此外，该软件还可以根据API、ASME、ANSI、DNV等18种世界各地的管道规范进行校核。

3.4.1 拖拉过程认识

整个拖拉过程受力相当复杂。其海底管道的受力主要可分为三大部分：铺管船施加力、海管水下受力、线性绞车拖拉力。

1， 通过前期调研，铺管船有四组滚轮对作业线上的海管有支撑作用，软件中模拟为Y方向均布力载荷。船中张紧器提供张力模拟为X方向均布力载荷。

2， 海管水下受力主要有自身重量、水中浮力、海流波浪载荷、海床土壤支撑摩擦力、浮筒提供浮力根据各类别模拟载荷。

3， 线性绞车模拟为集中载荷。

3.4.2 建立模型

根据管道结构、环境参数，利用AUTOPIPE软件进行5种工况模型的建立。

1， 海管入水 由于海管在作业线位置上与海平面存有2m高度差。此过程主要依靠海管自身重量，产生弯曲下垂入水。（由附图可知，海管出船尾99m后拖拉封头接触海面）

2， 海管着泥 这一状态下海管主要受到自身重力、海水浮力、浮筒浮力，还有波浪流等环境荷载的影响。铺管船定位位置水深5m，作业线高度2m。所以海管拖拉封头初下沉7m，即着泥。

3， 海管拖拉 在拖拉过程中，还要模拟海床坡面、土壤对海管的影响等。

3.4.3 结果解析

通过AUTOPIPE软件模拟整个拖拉铺设过程，其上弯段和下弯段变形最大，应力也最大产生弯曲破坏的可能性最为严重。一般海管上弯段最大弯曲应力不超过85%最小屈服应力、下弯段不超过72%最小屈服应力。

3 结论

海底管道拖拉登陆过程受力比较复杂，本文阐述了主要有波浪，海流，管线周围土壤以及拖拉设备的作用，对其危险部位上弯段和下弯段进行AUTOPIPE软件的模拟分析。

因此，海底管线铺设施工前应对其路由进行详细调查，查明海底土壤性质及力学参数。对其过程进行分析研究。