深海J型铺管法管线参数敏感性分析*

王知谦　杨和振　杨　启

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240)

深海J型铺管法管线参数敏感性分析*

王知谦杨和振杨启

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240)

摘要：J型铺管法是适用于深海管线铺设安装的先进技术之一，研究J型铺管过程中管线的参数敏感性分析有助于认识J型铺管法的技术难点和评估安装的安全性.通过理论解析计算法和有限元法对J型铺管过程中的管线进行了整体静、动力学对比分析，比较总结了不同铺设条件和海洋环境参数下管线的力学响应规律和程度.研究结果表明：管线顶部与触底点区域是至关重要的区域；水深和管线下放初始倾角对力学性能影响很大，初始倾角参数需得到精确控制.

关键词：管线；安装；J型铺管法；静力分析；动力响应

王知谦 (1991- )：男，硕士生，主要研究领域为海洋工程结构分析

0引言

海底管线运输作为海上油气输送最经济的运输方式，在海洋油气开发过程中起着无可替代的作用.随着海洋油气资源的开发逐渐步入深海领域，对海底管线铺设安装技术的要求也不断增大，传统适用于近海和浅海的管线铺设方法(如S型铺管法)开始显现弊端.J型铺管法依靠其特有的深海管线铺设优势，发展前景较好.J型铺管法将导管架以近似垂直的角度置于铺管船上，管线沿导管架以自然下垂的形式下放铺设，在重力和浮力作用下管线呈现自然的J型，见图1.

图1　J型铺管法示意图

相比传统S型铺管法，J型铺管法取消了S型铺管法船尾部的托管架.因此，在S型铺管过程中极易产生严重塑性变形的拱弯段不复存在，管线顶部应变和应力得以改善.同时，管线接近垂直下放，张紧器所需提供的水平张力相应减小，对铺管船水平动力的需求大幅降低，使船的动力定位较容易实现.J型铺管法在深海管线铺设中有着众多优势，但其实际应用也面临诸多挑战，管线的力学特性分析将会十分复杂，亟待深入研究.

国内外学者对J型铺管法进行了相关研究.M.Pulici等[1]基于2002年的BlueStream黑海管线铺设项目，通过有限元模型对管线在J型铺管法铺设过程中的静态整体构型和弯矩分布进行分析.Lenci[2]建立了适合研究J型铺管法管线力学问题的解析计算模型，包括3种用于管线整体分析的边界类型.M.Szczotka[3]提出运用刚性有限元模型分析J型铺管过程中的管线力学问题，研究了触底点到船舶不同的水平距离和管线顶部运动对竖直和水平张力的影响.王立忠等[4]在Lenci解析方法基础上，提出研究J型铺管法管线力学特性的数值计算方法，以水深、均匀流速、顶部悬挂角度和弹性海床刚度参数分析管线的静力学性能.谢文博等[5]采用基本悬链线法得到J型铺管过程中管线对船舶的近似动态模型，给出随船体运动的管线所受作用力和构型的变化规律.H.Shiri[6]分析不同海床模型和底部边界条件对J型铺管法铺设时管线触底点区域的静态应力影响，比较总结了不同模型的计算结果.触底点区域指管线与海床面开始相接触点附近的相邻管线区域.

目前，对J型铺管过程中的管线力学特性的研究大多进行初步静力学分析，却对海洋环境载荷所引起管线力学特性变化的影响考虑较少.同时，现有分析往往仅得出管线整体的受力状况和参数变化影响的一般规律，至于各参数对J型铺管法的影响程度分析则很少涉及.

针对J型铺管法的铺设特点，本文构建了相对完整的管线力学特性分析方法，分别讨论了水深和管线铺设初始倾角参数对J型铺管过程中管线静力学特性的影响程度.结合海洋环境水动力载荷，对管线在J型铺管过程中的关键位置进行了详细动力响应计算，对管线力学特性在不同海况参数下的响应进行了讨论.

1J型铺管法管线力学分析模型

1.1管线构型和力学解析模型

J型铺管过程中，管线自然悬垂，在水中管线悬垂段的受力见图2.

图2　水中管线悬垂段受力图

以管线铺设下放的入水点作为坐标系原点，则管线弧长即为管线的计算截面到海平面范围内的管线的弧长.x轴沿海面水平指向管线的触底点方向，z轴垂直海面向上.

对悬垂段管线微元进行力和力矩平衡，忽略方程中的高阶项，得：

dV=Ftdlsinθ-Fndlcosθ-wdl

(1)

dH=Ftdlcosθ+Fndlsinθ

(2)

dM=Vdlcosθ-Hdlsinθ

(3)

式中：V，H和M分别为管线微元上端截面所受垂向分力、水平分力和弯矩.dl为管线微元弧长；w为单位长度管线的水中重力；θ为管线微元顶部轴线方向与水平方向的夹角；Ft和Fn分别为单位长度水动力载荷沿管线轴向和法向的分量.

在静力分析过程中，水动力载荷不做考虑，即Ft和Fn为0，力平衡方程简化为

dV=-wdl

(4)

dH=0

(5)

代入力矩平衡方程，对方程做无因次化改写，可得如下方程

(6)

J型铺管法适用于深海管线的铺设，因此，无因次弯曲刚度α2相比其他系数较小，即在构型计算过程中可不考虑弯曲刚度的影响，方程可简化为基本悬链线方程.

通过基本悬链线方程可推导出水下管线悬垂段的力学关系如下：

TH=(T-pgzA)cosθ

(7)

(8)

(9)

式中：TH为管线海面处所受的水平张力；T为管线截面轴向张力；ρgzA为轴向浮力修正；z为管线计算截面到海面的垂直位置，为负值；d为水深；X为管线入水点距海床上管线计算末端的水平距离.

根据弯曲计算理论和假设可推导出弯矩M=EIκ.式中，κ为管线的整体曲率.

通过对基本悬链线方程的求解，可以得到J型铺管过程中管线的整体构型和所受到的截面力.

1.2管线在铺管过程中的应力分析

J型铺管过程中管线的应力分析一般考虑下述应力及其组合[7]

1) 轴向应力σl主要由截面轴向张力和弯矩所引起的应力.计算式为

(10)

式中：EA为管线抗拉刚度；Wz为管线截面抗弯系数.

2) 周向应力σh：由内外压强差产生的应力.计算式为：

(11)

式中：Pi为管内流体压强；Po为管外静水压强；D为管线外径，t为管线壁厚.

3) 等效应力σe：

(12)

式中：τ是管线截面剪应力，计算结果较小，可忽略.

2J型铺管过程中管线力学特性参数化分析

2.1J型铺管过程中管线模型及参数

在J型铺管过程中，铺管船前进速度相对较慢，因此，在瞬时可以将铺设管线的悬垂段构型近似看作悬链线.钢制管线和海水参数见表1.海床为刚性水平面.

表1　管线及海水参数

2.2J型铺管过程中管线整体静力分析

进行J型铺管过程时，管线整体构型虽取消了如S型铺管法中极易发生塑性变形的拱弯段，但仍存在较危险的触地点区域.因此，研究深海J型铺管过程中管线整体力学特性至关重要.

2.2.1水深参数对管线力学特性的影响

研究选取水深800,900,1000m和1 100m，保持管线铺设初始倾角为80°不变，不考虑海洋环境水动力载荷，对在J型铺管过程中管线整体的力学特性进行静力学计算，结果见图3～5.

图3　不同铺设水深下截面轴向张力沿弧长分布图

由图可知，在J型铺管过程中，沿管线弧长截面最大轴向张力出现在顶部，且随铺设水深的增加截面轴向张力均逐渐增大.管线截面弯矩最大值沿弧长分布出现在管线触底点区域，随水深的增加，截面弯矩逐渐减小.管线最大等效应力沿管线弧长通常出现在触底点区域，但随水深增加，管线顶部等效应力逐渐增大，触底点区域等效应力则逐渐减小.水深越深，对管线的应力状况的改善越有优势，但相应会增加对张紧器所要提供的张力需求.

图4　不同铺设水深下截面弯矩沿弧长分布图

图5　不同铺设水深下截面等效应力沿弧长分布图

2.2.2铺设初始倾角参数对管线力学特性的影响

张紧器极限张力确定时，在特定水深下进行J型铺管法铺设工程，为确保铺设安全，应选择合适的下放初始倾角，使管线整体的力学性能满足规范要求，并提高铺设效率.

选取下放初始倾角78°,80°,82°和85°，在水深为1 000m的情况下，对J型铺管过程中管线的力学特性做静力学分析.计算结果见图6～8.

图6　不同初始倾角下截面轴向张力沿弧长分布图

由图可知，随着管线在J型铺管过程中的下放初始倾角逐渐增大，管线截面轴向张力逐渐减小，但减小的幅度有限，可见通过调整初始倾角可以改变对张紧器所需提供张力的控制，但无法起到重大调整作用.当初始倾角越接近垂直90°时，管线触底点区域的弯矩和等效应力有十分显著的增加.

图7 不同初始倾角下截面弯矩沿弧长分布图

图8　不同初始倾角下截面等效应力沿弧长分布图

2.3J型铺管过程中管线动力响应分析

由J型铺管过程中管线整体静力分析可得，管线顶部出现最大轴向张力；触底点区域弯矩最大，等效应力也最大.因此，在J型铺管过程中，管线顶部和触底点区域均是铺设工程中的关键位置.目前，针对管线在不同海况联合作用下的动力响应分析已逐步得到开展，傅俊杰等[8]对深海钢悬链立管进行了多工况下的非线性动力响应分析，探讨触底点区域的疲劳分析特征.杨和振等[9]对钢悬链立管在海洋环境水动力载荷下的时域疲劳寿命进行了预估和研究.王爱军等[10]对深水脐带缆安装参数的影响进行动力响应分析，着重探讨不同海洋环境载荷对此的影响作用.

结合J型铺管法铺设安装特点，下面就着重探讨管线在波流联合作用下力学特性变化的规律度.J型铺管法铺设水深恒定为1 000m，管线下放初始倾角为80°，管线在刚性海床平面上的边界条件定义为简支，顶部下放点处为固支.动力分析时长定为800s，计算步长为0.5s，选取中间稳定段输出计算结果.

2.3.1不同流速下管线动力响应分析

研究流速参数对管线力学特性的影响时，选取恒定不变的波浪参数：波高2m，周期6.89s.研究选取不同表层流速vb为0.3,0.4,0.6和1.0m/s，并改变海流方向，流速为正表示顺流铺设，为负表示迎流铺设.运用限元方法进行了动力响应分析，计算结果见图9～10，表2.

由计算结果可知，随顺流铺设表层海流速度的增加，管线顶部轴向张力随时间的均值逐渐增加，而触底点区域最大弯矩随时间的均值逐渐减小；迎流铺设正好相反.

图9　表层流速0.3 m/s时顶部张力响应

图10　表层流速0.3 m/s时触底点区域最大弯矩响应

vb/(m·s-1)Tav/kNMav/(kN·m)-1.01182.97262.35-0.61183.95261.13-0.41184.20260.81-0.31184.33260.650.31184.36260.600.41184.49260.440.61184.73260.141.01185.27257.53

2.3.2不同波高下管线动力响应分析

波浪载荷是重要的海洋环境水动载荷之一.研究在恒定的流速分布(见表3)和波浪周期为13s不变的条件下，分别选取波高Hw为4,6 和9 m，对管线做动力响应分析，结果见图11～12，表4.

表3　流速沿水深分布表

图11　波高6 m时顶部张力响应

图12　波高6　m时触底点区域最大弯矩响应

Hw/mTmax/kNMmax/(kN·m)41184.546260.5561184.554260.6191184.580260.63

由计算结果可知，随着波高的增加，管线顶部轴向张力和触底点区域最大弯矩随时间的最大值均逐渐增大.总体看来，波高参数的变化对J型铺管过程中管线整体的力学特性影响较小.

3结束语

1) 在J型铺管过程中，管线的顶部和触底点区域是两个重要的力学特性控制位置.管线顶部呈现最大轴向张力，而触底点区域是管线整体弯矩和等效应力最大的位置.

2) 铺设水深和下放初始倾角是J型铺管法中重要的控制参数，两者都能够对管线的力学特性带来巨大影响.但是，调整这2个参数在改善管线顶部力学特性的同时，会使得触底点区域的更加危险.铺设下放初始倾角参数对管线最大等效应力的影响很大.

参 考 文 献

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[2]LENCIS,CALLEGARIM.SimpleanalyticalmodelsfortheJ-layproblem[J].ActaMechanica, 2005,178(1/2):23-39.

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[4]WANGL,YUANF,GUOZ，etal.NumericalanalysisofpipelineinJ-layproblem[J].JournalofZhejiangUniversitySCIENCEA,2010(11):908-920.

[5]谢文博, 付明玉, 陈翠和, 等. 铺管船定位作业时的建模与分析[J].中国造船,2011,52(3):101-108.

[6]SHIRIH,SADEGHIA.SeabedinteractioneffectsonstressdistributionalongtheJ-laypipelines[C]∥Proc.oftheTwenty-second(2012)InternationalOffshoreandPolarEngineeringConference.Rhodes:InternationalSocietyofOffshoreandPolarEngineers(ISOPE),2012.

[7]BAIY,BAIQ.Subseapipelinesandrisers[M].Amsterdam:ElsevierLtd., 2005.

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[9]杨和振, 李华军. 深海钢悬链立管时域疲劳寿命预估研究[J]. 振动与冲击, 2010, 29(3): 22-25.

[10]王爱军, 杨和振. 海底地形对脐带缆深水安装影响分析[J]. 海洋技术学报, 2010, 29(3): 59-63.

中图法分类号：P751

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.022

收稿日期：2014-00-00

ParametricSensitivityAnalysesof
PipelineDuringDeepSeaJ-LayInstallation

WANGZhiqianYANGHezhenYANGQi

(School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering,

Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：J-Lay method is one of the most advanced methods for deep sea pipeline installation. Parametric sensitivity analysis of pipelines during J-Lay installation can help understand technical difficulties of J-Lay method and evaluate the safety. With the application of analytical calculation method and finite element method, the static and dynamic contrastive analysis of pipeline is conducted. The law and extent of pipeline mechanical response with different installation condition and ocean environment parameters are compared and summarized. The results of the analysis are shown that the top zone and touchdown region are the most important region during J-Lay installation; water depth and departure angles can make great effects on pipeline mechanical property and the departure angle parameter should be under accurate control.

Key words：pipeline; installation; J-lay method; static analysis; dynamic response

*国家自然科学基金项目(批准号：51009093，51379005)、国家自然科学重点基金项目(批准号：50739004)资助