深水J型铺管系统塔架动态分析试验研究

王 鹭

（沈阳航空航天大学，沈阳 110136）

深水J型铺管系统塔架动态分析试验研究

王 鹭

（沈阳航空航天大学，沈阳 110136）

J型铺设是适用于深水管道铺设的重要方法。塔架作为J型铺设系统的关键部位，其结构性能尤为重要。本文通过建立塔架的三维力学分析模型，研究在复杂海况下J型铺设系统塔架的动态响应。通过搭建深水J型铺管系统模型试验台，对J型铺设系统进行模型实验研究，研究塔架的应力分布情况，对比数值模拟的结果。研究结果表明，波向角在0°～90°变化时，波向角越大，塔架的应力、应变越大，最大应力出现在底部桁架过渡位置。

J型铺设 塔架 模态分析 瞬态分析

引言

随着陆地油气资源日趋枯竭，越来越多的国家把目光转向了海洋。由于作业水深不断增加，传统的铺设方法已不能满足我国南海海底管道铺设的要求。因此，S型和J型铺设广泛地被应用到深水管道铺设工程中[1]。S型铺设的托管架随着水深而增长，使危险性提高[2]。为弥补S型铺设的局限性，采用J型铺设可以满足其在南海3000米水深作业的要求[3]。塔架作为整个J型铺设系统的主体，具有120多米的高度，串联系统各个机构。它在恶劣海况中的动态响应，将直接影响铺管船的稳定和铺设作业的效果[4]。

1 船体运动特性

J型铺设系统中，塔架的基座部分与铺管船船体固定。在海洋环境中，复杂的风、浪、流综合作用下，塔架随着船体做六自由度运动。横荡、纵荡和垂荡对塔架影响相比于船体横摇、纵摇和艏摇来说较小，因此重点分析船体摇摆运动。海浪的波向角是影响船体摇摆运动最重要的参数。为研究其对船体影响，将实际海况按波向角的不同分为六种工况，分别为波向角为0°、60°、90°、120°、150°和180°的情况。

2 J型铺设系统在船体运动下的力学分析

2.1 塔架有限元模型的建立

J型铺设系统的力学模型计算采用大型有限元分析软件ANSYS进行，利用经典pipe 16单元进行模拟铺设塔架桁架结构，三维厚度壳shell 63单元模拟铺设塔架与船体连接处的支撑板结构，三维拉弯组合经典梁beam 189单元模拟角度调节器结构。建立塔架的有限元分析单元结构，如图1所示。

图1 J型铺设系统的有限元分析模型

2.2 塔架的模态分析

塔架随着船体做周期性运动，因此必须分析各工况下塔架的动态响应。提取塔架的前10阶固有频率，如表1所示。可见，J型铺设系统塔架的最低阶频率远高于波浪的频率，无发生共振的危险。

表1 J型铺设系统固有频率

提取塔架的前5阶固有振型，如图2所示。J型铺设系统第1阶固有振型为水平转动效应。J型铺设系统第2阶固有振型为前后摆动效应。J型铺设系统第3阶固有振型为顶部结构的水平转动和顶部桁架结构的左右运动效应。J型铺设系统第4阶固有振型为非同步上下运动效应。J型铺设系统第5阶固有振型为顶部桁架结构的左右运动，顶部盖板结构的上下运动，中部角度调节器连接部位的竖直面内旋转等复杂的运动效应。各个振型均无畸变点，动态性能良好。

图2 塔架前5阶固有振型

2.3 塔架的瞬态响应

由于J型铺设系统的塔架固定于船体上，船体受风浪流的影响发生摇摆运动，并直接传递给塔架系统，因此在分析时可直接加载位移和转动载荷。因无法避免恶劣天气，所以在六种工况下均取极限载荷，在转动角度为7°的情况下进行计算。

取各个工况下计算结果的应力云图，如图3所示。可知，当波向角由0°～180°变化时，铺设系统所受的应力大致呈现出先增大后减小，且以波向角90°为对称轴的对称分布的趋势。当波向角为90°时，J型铺设系统所受到的应力达到最大，其极限最大应力约164MPa，小于材料屈服强度。

图3 各工况下塔架应力云图

通过以上6种工况最大应力云图可以看出，当波向角为0°和180°时，J型铺设系统的最大应力出现在底部与船体连接板连接的桁架位置处。这是因为在该种工况条件下，船体主要承受纵荡波浪力作用，船体对铺设塔架的作用力此时也主要表现为纵向的惯性力。因此，在底部桁架过渡位置处，其受力较大，属于受力危险区域。同理，当波向角为其他角度时，并考虑到塔架张紧器的张力作用，铺设塔架于船体的连接位置为受力最大位置，也属于受力危险区域。

3 J型铺设系统动态响应试验

3.1 J型铺设系统试验台

为进行J型系统的塔架动态响应试验，设计并建立J型铺设系统试验系统，如图4所示。试验台可完成J型铺设系统模型试验样机的功能性验证、强度校核和弃置回收等试验。试验台主要由振动平台、控制台、仪器安放桌构成。实验模型固定在振动平台上，振动平台可以模拟船舶的六自由度振动，从而完全模拟实际工况。

图4 J型铺设系统试验台示意图

试验模型是按照缩尺比1:30进行加工制造，并安装调试完成的。J型铺管塔模型样机与底座之间采用铰支的连接方式。铰支座在J型铺管塔样机本身重力及船体运动产生的惯性力作用下产生剪应变，并结合有限元分析结果，系统受力危险区域分别为底部桁架过渡位置和塔架于船体的连接位置。因此，本试验选择测量两处危险位置的应力分布情况。应变片测量位置如图5所示。

图5 塔架模型及应变片位置

3.2 实验结果

通过调节六自由度振动平台的工作参数以模拟6种海况，并在各个工况下进行模拟实验。塔架底部过渡位置的应力测试结果如表2所示。可知，过渡位置的应力随着波向角的变化先减小后增大，实验结果与数值分析结果的分布趋势相同。其中，最大应力为波向角为90°时，实验结果略小于模拟，相差约9%。当波向角为0°时，应力大于180°时，这是因为塔架自身的偏转角度对惯性造成了影响。

表2 塔架底部过渡应力分布

塔架与船体连接位置的应力分布，如表3所示。由实验结果可知，塔架与船体的连接位置应力较小，这是由于实验时没有模拟塔架所受管道的重力的原因。连接处应力的变化趋势与过渡位置一致，最大应力出现在波向角90°时。

表3 与船体的连接位置应力分布

4 结论

（1）利用有限元分析软件ANSYS建立了J型铺设系统塔架的三维力学模型，进行模态分析，得出前10阶固有频率与振型，且塔架系统无共振危险。

（2）当波向角在0°～90°变化时，波向角越大，塔架的应力与应变越大；当90°～180°时，波向角越大应力应变越小；系统的应力在90°时达到峰值，J型铺设塔架系统的最大应力出现在底部桁架过渡位置。

（3）搭建了J型铺设系统试验台，进行模型试验印证了分析结果；实验结果与数值模拟结果基本吻合，实验中，应力最大处位置与模拟结果相同，应力值相差9%。

[1]何宁，徐崇崴，段梦兰，等.J型铺管法研究进展[J].石油矿场机械，2011，40（3）：63-67.

[2]叶茂，段梦兰，徐凤琼，等.S-lay型和J-lay型铺管船的功能扩展研究[J].石油矿场机械，2014，43（2）：7-14.

[3]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）：135-142.

[4]韩峰，王德国，曹静，等.深水海底管道J型铺设塔设计研究[J].海洋工程，2012，30（1）：126-130.

J Type Deepwater Pipe Laying Test of Tower Dynamic System

WANG Lu
(Shenyang University of Aeronautics and Astronautics, Shenyang 110136)

J type laying is an important method for deepwater pipeline laying. As the key parts of J type tower laying system, its structural performance is particularly important. The tower is set up three-dimensional mechanical analysis model research in complex sea conditions J type dynamic response of tower laying system. By building a deepwater J-type pipelaying system model test bench, the J type laying system experiments were carried out to study the model, the tower is studied the stress distribution, comparison of the numerical simulation results. The results show that the wave angle at 0 degree to 90 degree change, wave direction angle is bigger, tower should stress and strain is bigger, the maximum stress appears at the bottom of the truss transition location.

J type laying tower, tower, modal analysis, transient analysis