基于OrcaFlex软件的柔性管缆正常铺设计算分析

孙 锟，李雪松，陈晓东，石锦坤

(1 深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067；2 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

基于OrcaFlex软件的柔性管缆正常铺设计算分析

孙 锟1，李雪松2，陈晓东1，石锦坤1

(1 深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067；2 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

海上铺设柔性管缆是海洋油气开采技术的重要环节之一，而能够准确评估管缆铺设参数以确定作业天气窗口是其关键问题。基于集中质量法，分别从模型建立条件、模型数据输入、作业接受标准、施工作业参数等方面考虑，明确柔性管缆铺设分析施工参数，建立简化的正常铺设分析模型和分析方法，并以工程项目为实例，进行layback敏感性、轴向压力、最大作业海洋环境等分析。根据作业接受标准确定合适的作业天气窗口为2.5 m有义波高、30°浪向内。分析表明：选取合适的layback有利于海上施工作业；实际施工中应避免出现轴向压力；对于浅水电缆铺设，最小弯曲半径是决定海上最大作业海况的主要限制条件。

柔性管缆；正常铺设；OrcaFlex模拟；集中质量法；轴向压力

0 引 言

柔性传输管道、电缆以及脐带缆等柔性管缆用于连接平台设备与海底设备，传输液体、气体、电力或信号，是海洋油气资源开发活动中必不可少的。柔性管缆项目一般包括设计、原型测试、制造、安装、调试和运行等阶段[1-4]，其中海上安装铺设作业是一项重要的活动，铺设方法有：卷筒式(Reel-lay)、转盘式(Carousel-lay)、垂直铺设(Vertical-lay)等[5]。从安装角度来说，这几种铺设方式的主要区别在于：甲板作业原理、设备和方法、管缆的入水方式不同，导致管缆的实际受力状态和空间形态略有区别；但模拟分析中，均可以采用有限差分法、有限元法、集中质量法、多刚体法等计算方法，实现特定工况的静动力分析。

对于细长体结构的整体分析，早期使用悬链线理论，在忽略弯曲刚度的前提下，仅能解决静力拉伸问题；随着有限元方法的发展，柔性管缆的静、动态分析技术进入了数值模拟的新阶段，Patel等[6-7]对这类结构的分析理论与技术进行了较为全面的回顾。在分析解决细长体结构几何非线性、载荷非线性问题方面，集中质量法获得广泛关注[8-9]。目前国外柔性管缆的分析技术发展得相对成熟，已开发出如OrcaFlex、Flexcom、Riflex 等专业软件，但国内柔性管缆设计、建造和安装研究才刚刚起步。OrcaFlex是在集中质量法基础上发展出来的、用于解决三维空间细长体结构静力和动力分析问题的非线性时域有限元软件程序，可用于柔性管缆的海上安装铺设分析[10]。本文基于该软件，拟从工程实际应用角度，归纳总结柔性管缆正常铺设分析要点，明确国内现行铺设柔性管缆项目的施工分析参数，为柔性管缆安装铺设项目和其他铺设工况分析提供借鉴。

1 正常铺设模型

模型一般包括安装船舶、虚拟张力绞车(模拟张紧器)、下水结构(如下水桥或斜道、垂直铺设塔、艉滚筒)、柔性管缆等。这里的简化模型只包括安装船舶和柔性管缆。研究对象是柔性管缆这一细长体结构，其上部连接到安装船舶，下部有一段位于海床上。如图1所示建立正常铺设分析模型，采用整体坐标系Gxyz定义模型各部分相对初始位置、海洋环境方向；采用局部坐标系Vxyz定义作业船舶；采用节点坐标系Nxyz定义柔性管缆。

图1 柔性管缆正常铺设模型示意图Fig.1 Illustration for the normal laying model of flexible line

基于集中质量法[10]，将柔性管缆等效为许多段，每段有两个质量点，质量点数量与网格划分密度有关。每一分段的质量、重力、浮力等性质的一半分别施加到两端的质量点上，质量点之间采用自由伸缩且可以扭转的弹簧相连模拟轴向刚度和扭转刚度，分段和质量点之间采用转动弹簧模拟弯曲刚度。

1.1 模型建立说明

关于模型建立说明如下：(1)模型忽略铺设方式的差异，仅考虑柔性管缆上部相对于安装船舶的悬挂位置不同；(2)重力和浮力沿着管线均布，不考虑管缆的非线性轴向刚度、非线性弯曲刚度和弯曲迟滞以及扭转；(3)管缆下端点固定在海床上，保证卧链长度足够，不考虑触地段管缆与海床发生滑动；海床是平坦的，采取线性刚度模型；(4)安装船舶只考虑1阶波浪运动，不考虑管缆本身对船舶运动的影响；(5)采用线性波浪理论模拟波浪，海流采用定常剖面流，不考虑风力，暂取波浪和海流的方向一致；(6)需明确安装时内部是否注入液体；(7)仅考虑瞬态铺设工况动力分析，忽略船速；(8)对于柔性管缆上附属构件如拖拉头、浮力模块、弯曲限制器等，可在此模型修改添加。

1.2 模型输入数据

正常铺设分析所需的数据有：(1)海洋环境统计数据，包括水深、风、波浪、海流、土壤、内波等数据；(2)柔性管缆自身数据，包括名义直径、单位空气中重量、单位水中重量、刚度参数、轴向拉力和弯曲半径关系曲线、最大容许轴向压力、最大容许径向挤压力等数据；(3)柔性管缆附属构件数据，比如拖拉头、弯曲限制器、浮力模块等；(4)作业船舶数据，包括主尺度参数、推进器功率、船舶局部坐标系的定义、甲板布置图、水下机器人(ROV)最大作业半径、船舶运动响应等数据；(5)铺设作业系统数据，包括作业设备布置位置、规格书等数据，比如对于转盘有外径、中心轮毂直径、有效高度和容量及转盘最大缠绕工作能力，对于垂直铺设系统有铺管塔架、塔顶导向装置、张紧器、悬挂平台、AR绞车等相关性能参数；(6)其他要求，如业主、船舶作业方、第三方提出的要求。

1.3 作业接受标准

为了确定作业最大容许海况，保证海上施工作业能够安全进行，柔性管缆正常铺设的作业接受标准[1-4]可分为四大类。

(1)张力限制条件，即要求铺设时上部悬挂位置处的张力不得大于某限值。张力限制条件主要取决于张紧器的能力、柔性管缆的轴向抗拉强度、径向挤压力、下水桥或者塔顶导向装置的半径。对于浅水铺设来说，柔性管缆的轴向抗拉强度Faxial远远大于实际铺设载荷。为了防止张紧器履带和柔性管缆外层、以及柔性管缆内层之间出现滑动，张紧器的径向挤压力有一个下限值：

当柔性管缆经过下水桥或者塔顶导向装置时，其容许的最大拉力为

Fmax=f2-track×R，

式中：f2-track为柔性管缆在2条履带作用下径向挤压力；R为下水桥或者塔顶导向装置半径。

实际铺设作业时上部悬挂位置处张力不得超过min(Faxial,Ftension,Fmax)。

(2)弯曲半径限制条件，即要求铺设时的弯曲半径不得小于某限值。具体来说，要求柔性管缆铺设用滚筒(转盘)半径大于静态储存弯曲半径；下水桥或者塔顶导向装置的半径大于动态铺设弯曲半径；在触地处的最小弯曲半径大于动态铺设弯曲半径。对于柔性管道，静态储存弯曲半径为最小弯曲半径(MBR)rmin，若有下水桥或塔顶导向装置支持，其动态铺设弯曲半径为1.25rmin；自由弯曲时，其动态铺设弯曲半径为1.5rmin。

对于国内厂商生产的电缆，其静态储存弯曲半径不小于15倍外径，动态铺设弯曲半径不小于20倍外径。

(3)轴向压力限制条件,即要求铺设时的轴向压力不得超过某限值。轴向压力现象是指所铺设柔性管缆在触地点出现轴向负压力的情形，可导致管线发生局部屈曲或者“鸟笼”现象等。轴向压力与船舶运动相关：船侧铺设，轴向压力与船舶横摇和升沉运动有关；月池船中铺设，轴向压力主要与船舶升沉运动有关；船艉铺设，轴向压力与船舶纵摇和横摇运动有关。柔性管线生产厂商应在技术规格书中给出轴向压力限值。

(4)其他限制条件,例如：柔性管缆存在最大扭转角度限值；所铺设管线不得和作业船舶舷侧或月池、其他海底设备设施发生碰撞；layback不得超过ROV作业半径；柔性管缆上其他附件在安装铺设时不得发生破坏；等等。

1.4 施工作业参数

在进行柔性管缆正常铺设时，主要关注的参数有：作业水深、悬挂张力、顶部偏离角度、layback、触地点、海洋环境、船舶运动。使用声学传感器或者ROV测量水深。张紧器夹持力的实时记录可用于验证顶张力计算分析结果：对于垂直铺设，张紧器夹持力为悬挂张力；对于水平铺设，考虑到在下水桥存在摩擦力，张紧器夹持力小于悬挂张力。使用高分辨率实时声呐系统或者ROV连续监控触底点位置，根据现场实测计算出实际layback，从而保证柔性管缆的整体空间形态。基于作业区域海况预报数据或现场实测数据，由船方、作业方和业主三方根据所选天气窗口进行判断决定是否作业。现场所获得的这些参数值可以作为模拟计算分析的反馈数据，从而针对计算精度作进一步的优化。

2 工程实例

以国内某电缆铺设项目一条电缆为例，其电缆参数说明如表1所示。铺设作业水深为80 m，铺设总长度为19 km。铺设采取转盘方式，如图2所示。张紧器能力为10 t。下水桥布置在船舶右舷，其半径为3.49 m。分析软件为OrcaFlex 9.8D。

2.1 layback分析

在同一海洋环境工况下，当layback增大时：下水桥处电缆张力增大；下水桥处电缆偏离竖直方向角度增大；触底点处电缆最大张力增大；触底点处电缆最小弯曲半径减少；电缆最大轴向挤压力增大，如图3所示。实际上，这4种layback均可以应用于实际铺设作业中。但是考虑到：(1)layback较小时，弯曲半径受到限制，不利于提高作业海况；(2)layback较大时，一方面要求增大ROV作业活动半径，另一方面顶部张力将变大，会使得对张紧器的性能要求提高。为此宜采用适中的layback进行作业，推荐在100 m水深左右使用25 m或35 m的layback。

表1 电缆参数

图2 电缆铺设示意图Fig.2 Illustration for cable normal laying

2.2 轴向压力分析

轴向压力分析结果如图4和图5所示。由图4和图5发现：(1)随着layback的增大，可以降低轴向压力出现概率，但是一旦出现轴向压力，在相同海况下轴向压力幅值随着layback增大而增大；(2)横浪时易于出现轴向压力，说明船舶横摇运动对轴向压力现象影响剧烈；(3)随着波高的增大，轴向压力出现的概率增大，而且轴向压力幅值也随之增大。在海上作业时无法测量和监视触底点处的轴向压力，因此为了避免或降低轴向压力，建议采取较大的layback，同时保持船舶艏向与波浪方向夹角不超过30°。对于该电缆铺设来说，依据轴向压力接受标准，合适的作业天气窗口为2.5 m有义波高、30°浪向内。

图4 轴向压力随海洋环境变化Fig.4 Axial compression force varies with environmental conditions

图5 不同layback下的轴向压力变化Fig.5 Axial compression force with different laybacks

2.3 海洋环境作业条件分析

海洋环境最大作业条件的确定是模拟计算的核心问题。根据实际作业情况进行建模，计算得到整个系统的响应，基于管缆的响应分析判断是否符合安装限制条件，进而确定海洋环境的最大作业条件。铺设作业限制条件主要根据前三个作业接受标准。图6和图7分别给出张力安全因数(最大容许张力/模拟最大张力)和最小弯曲半径安全因数(模拟弯曲半径/动态铺设最小弯曲半径)随海洋环境变化的曲线。由图6和图7发现：(1)在80 m水深左右铺设电缆时，最大张力限制条件是恒满足的；(2)相比张力，最小弯曲半径随着环境方向变化更为敏感；(3)随着波高的增大，张力和弯曲半径的安全因数逐渐降低；(4)横浪海况下，随着波高的增大，可能不满足最小弯曲半径条件。保守起见，选取最小弯曲半径安全因数为2或者以上，那么合适的作业天气窗口为3.5 m有义波高、30°浪向内。综合三个作业接受标准，则合适的作业天气窗口为2.5 m有义波高、30°浪向内。

图6 张力安全因数随海洋环境变化Fig.6 Safety factor for tension varies with environmental conditions

图7 最小弯曲半径安全因数随海洋环境变化Fig.7 Safety factor for MBR varies with environmental conditions

3 结 语

对于柔性管缆正常铺设分析工况，从模型建立、计算分析、工程应用等方面做出详细的说明，明确正常铺设分析用于施工的一些关键点：模型简化、模型数据输入、作业接受标准、施工作业参数、计算结果分析等，并根据作业接受标准确定合适的作业天气窗口，可为实际工程项目其他铺设工况分析提供有效参考。通过工程实例分析可知：选取合适的layback有利于海上施工作业；对于浅水电缆铺设，最小弯曲半径是决定海上最大作业海况的主要限制条件，而最小弯曲半径出现的位置一般在触底点；在实际施工中应避免出现轴向压力，如果无法避免，建议根据柔性管缆生产厂家所提供的轴向压力限值确定最大作业海况。

针对实际工程计算分析，提出以下建议：(1)实际柔性管缆铺设分析所需的输入数据较多，建议业主在铺设项目运行初期提供相关安装分析输入数据文件，一方面可以保证相关数据来源的正确性，另一方面可以提高安装方和业主之间沟通效率，便于推进编制相关计算分析文件。(2)由于波浪周期选择区间较大，因此导致计算工况较多。建议针对正常铺设工况的波浪周期进行研究[11]，以便搜索到不同环境方向下不利波浪周期，减少计算工况数量，提高计算分析效率。(3)拖曳力系数的选取是计算分析中的一个重大问题[12-13]。对于柔性管缆，其法向拖曳力系数一般取值为0.7～1.2，保守选取1.2，但建议实际分析中，针对拖曳力系数进行敏感性分析，评估拖曳力系数的变化对柔性管缆整体响应的影响。对于带有浮力模块等附属构件的柔性管线，建议进行浮力模块的水动力实验研究，给出其可靠的拖曳力系数和附加质量系数，用于模型输入。

[1] International Organization for Standardization. ISO 13628-11. Flexible pipe systems for subsea and marine applications[S]. 2007.

[2] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe[S]. 2008.

[3] Des Norske Veritas. DNV-RP-J301. Subsea power cables in shallow water renewable energy applications[S]. 2014.

[4] Noble Denton Technical Standards Committee. GL 0029/ND. Guidelines for submarine pipeline installation[S]. 2013.

[5] 黄维平, 曹静, 张恩勇. 国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势[J]. 海洋工程, 2011, 29(1): 135.

[6] Patel M H, Seyed F B. Review of flexible riser modelling and analysis techniques[J]. Engineering Structures, 1995, 17(4): 293.

[7] Jain A K. Review of flexible risers and articulated storage systems[J]. Ocean Engineering, 1994, 21(8): 733.

[8] 孙丽萍, 宋环峰, 艾尚茂. 基于集中质量法的深水S型铺管动力响应研究[J]. 中国海洋平台, 2015, 30(2): 70.

[9] 王自发, 朱克强, 徐为兵, 等. 海洋管道S型铺设过程研究[J]. 海洋工程, 2014, 32(3): 78.

[10] Orcina. OrcaFlex Manual, version 9.8a[M]. Cumbria: Orcina, 2009.

[11] Zhang Y, Tan Z, Hou Y, et al. A study for worst periods and load cases selection in dynamic analysis of flexible riser[C]. ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. 2013: V04BT04A006.

[12] Des Norske Veritas. DNV RP C205. Environmental conditions and environmental loads[S].2014.

[13] Des Norske Veritas. DNV RP H103. Modelling and analysis of marine operations[S].2014.

NormalLayingAnalysisofFlexibleLineUsingOrcaFlex

SUN Kun1, LI Xue-song2, CHEN Xiao-dong1, SHI Jin-kun1

(1.COOEC Subsea Technology Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518067, China; 2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Installation of flexible lines, such as pipe, cable and umbilical, is an important part of offshore operation for exploring oil and gas, and the key issue is how to assess the installation parameters accurately and determine the weather window. A simplified model and the corresponding analysis method for normal laying of flexible line are presented based on lumped mass method with the considerations for the modeling, the input data of the analysis, the acceptance criteria of the operation and the important parameters used in the operation. Taking a cable installation project as an example, the sensitivity analysis for the layback, the analysis of the axial compression, and the determination of the maximum environmental condition for the operation are performed. The proper weather window is 2.5 m significant wave height and 30° wave direction. The results show that selecting a proper layback is good for offshore operation; it is suggested to avoid the axial compression; for laying cable in shallow water, minimum bending radius (MBR) is the main limiting criterion to decide the maximum allowable environment condition.

flexible line; normal laying; OrcaFlex simulation; lumped mass method; axial compression

2016-03-12

孙锟(1990—)，男，硕士，助理工程师，主要从事船舶与海洋工程方面的研究。

P751

A

2095-7297(2016)02-0129-06