深水海底管道S型铺设影响因素分析*

周巍伟 张恩勇 曹 静

(中海油研究总院 北京 100028)

深水海底管道S型铺设影响因素分析*

周巍伟 张恩勇 曹 静

(中海油研究总院 北京 100028)

为了更全面系统地评估深水海底管道S型铺设过程中面临的高张力状态、高弯曲应力、大曲率变形、强接触作用以及管道整体几何线型等非线性因素的影响，结合海底管道铺设校核准则，针对我国南海典型海域环境条件，采用三维非线性梁单元对深水海底管道S型铺设开展动态有限元分析，得到了管道有效张力、等效弯矩、等效应力、等效应变的分布情况。对影响深水海底管道S型铺设的重要影响因素，包括托管架角度、管道铺设状态、管道壁厚等级等进行了分析。结果表明，目标工程托管架最优角度为25°；深水海底管道S型铺设应慎重选择充水铺设方式；管道壁厚对S型铺管有显著影响，实际铺设时应深入评估壁厚的影响。本文研究对深水海底管道S型铺设工程有一定的借鉴意义。

深水；海底管道；S型铺设；三维非线性梁单元；托管架角度；铺设状态；管道壁厚等级

S型海底管道铺设可实现高效并行焊接，并适用于更大的海管直径。研究表明，与J型铺设相比，S型铺设效率更高，典型铺设速率可达3～5 km/d[1]。S型铺设的海底管道在铺设过程中呈悬链线状，其一端由铺管船上张紧器提供张力，一部分置于托管架之上，其余部分自由悬垂直至海底。置于托管架上的过弯段和触地点之上的悬垂段弯曲曲率较严重，是管道铺设过程中应重点关注的关键位置[2-3]。随着水深增加，S型海底管道在铺设过程中将面临更严重的弯曲曲率，同时受弯曲控制的组合应力占比可能更加严重。在深水环境下，波浪和流载荷对管道S型铺设影响更为显著，此时应充分考虑海底管道的非线性条件。龚顺风 等[4]采用数值计算方法对深水海底管道S型铺设开展了研究，分析了不同铺管参数对张紧器和管道极限铺设水深的影响。谢鹏 等[5]以“海洋石油201”铺管船为例，研究了超深水海底管道S型铺设时管道截面局部变形及应力分布情况。孙丽萍 等[6]采用集中质量法推导了管道受力计算公式，并最终得到了垂荡和纵荡运动下管道的受力变化。本文针对我国南海典型海洋环境条件，并考虑深水海底管道S型铺设时的非线性因素，采用三维非线性梁单元，开展海底管道S型铺设研究，深入分析铺管的影响因素，以期为深水铺管工程提供参考。

1 南海海域海底管道S型铺设分析

1.1 基本设计参数

选取我国南海典型海域S型铺管工程为例开展研究。工程案例设计水深1 250 m，目标管道为深水回接输气管道，两端均为管道终端结构，管道外径323.9 mm，壁厚19.1 mm，材质为X65，最小屈服应力448 MPa，外涂层为3LPE，涂层厚度4 mm。铺管船具备动力定位能力，其焊接工艺线位置和托管架可以根据需要进行调整，铺管船参数见表1。

1.2 管道铺设形态

通过调整铺管船张紧器履带高度、支撑履带高度、托管架滚轮支撑高度和托管架角度，保证管道在正常铺设过程中处于几何平顺状态，避免在某个支撑点发生几何畸变和大曲率。最终调整后的管道在导管架上的构型如图1，托管架角度为实际铺设角度25°，管道为空管状态。

表1 S型铺管船参数

图1 S型铺设管道在托管架上的形态

1.3 非线性塑性本构

深水海底管道S型铺设受高弯曲应力、大曲率变形、高张力状态、强接触作用以及管道整体几何线型等影响，因此，选取能正确反映管道力学状态的非线性材料本构关系至关重要[7]。针对深水海底管道铺设工程，线性胡克定律材料本构不再适用，因此，须采用非线性塑性材料本构[8]。三参数Ramberg-Osgood非线性本构方程[9]可以较好地模拟钢质结构的塑性特性，表达式如下：

(1)

式(1)中:ε为海底管道所受应变；σ为海底管道所受应力，MPa；E为材料线弹性模量，MPa；σy为0.7E所对应的应力值，MPa；n为材料的硬化系数;X65管材硬化系数n取10.7，此时σy为413.9 MPa。拟合的三参数Ramberg-Osgood非线性本构曲线如图2。

图2 X65 Ramberg-Osgood非线性本构曲线

1.4 环境参数

管道铺设过程中，实际的极值流速和波浪方向与铺管船前进方向一致，流速剖面如图3所示。波浪选用Stokes V波理论，有义波高1.5 m，谱峰周期为6.6 s。

图3 南海海域典型流速分布

1.5 铺管结果分析

采用三维梁单元开展计算，分析管道在铺设过程中的有效张力、等效弯矩、等效应变、等效应力的分布情况,分析结果是敏感性分析的基础。校核准则采用挪威船级社海底管道规范DNV OS F101[10]中提供的应变校核准则、应力校核准则和局部屈曲失效模式校核。过弯段弯曲曲率和张力均较大，为应变控制条件，采用应变校核[10]；悬垂段为应力控制，采用应力校核。

1.5.1 有效张力

有效张力可反映管道在铺设过程中实际所需张力[11]，其定义为

Te=Tw-AiPi+AoPo

(2)

式(2)中：Te为有效张力，N；Tw为真实管壁张力(轴向应力乘以横截面积所得轴向应力的合力)，N；Ao、Ai为管道外、内截面积，m2;Pi、Po分别为管道的内、外部压力，Pa。有效张力完全由铺管船张紧器提供，是校核铺管船铺设能力的重要指标。

图4为管道有效张力分布情况。由图4可知，管道有效张力在张紧器附近较大，在触底区域较小。受管道重力影响，悬垂管段有效张力随水深减少而逐渐变大，在张紧器终止点附近达到最大，为1 002.3 kN。铺管船2台张紧器串联可提供4 000 kN张力，满足张力设计要求。

1.5.2 等效弯矩

管道在铺设过程中呈悬链线状，不同节点处弯矩分布状态不同，管道等效弯矩分布情况见图5。图5中横坐标为1 900 m处为管道在铺管船船首张紧器位置，横坐标为0处为管道在触地点附近区域。由图5可知，在铺设过程中管道过弯段和悬垂段附近弯矩较大，尤其是过弯段，受托管架滚轮的影响，局部弯矩较大；悬垂段靠近触地点区域管道弯曲曲率较大，弯矩也较大。整个管道最大等效弯矩发生在过弯段托管架滚轮附近，为525.3 kN·m。

图5 管道等效弯矩分布情况

1.5.3 等效应变

管道铺设过程中各节点等效应变分布情况与弯矩分布趋势大体一致，在托管架滚轮和悬垂段附近的节点等效应变较大。最大等效应变发生在托管架滚轮附近，为0.221%，小于0.305%，满足规范校核要求。

1.5.4 等效应力

管道铺设过程中各节点等效应力分布情况与弯矩分布趋势也大体一致，受管道曲率影响，托管架上管道节点等效应力较大，且呈现幅值跳跃突变趋势。管道悬垂段管节点等效应力呈平稳变化趋势，管道弯曲曲率依然是控制等效应力的主要因素。悬垂段管节点最大等效应力约112.5 MPa,小于DNV OS F101[10]校核准则中规定的临界最大等效应力389.76 MPa，满足设计要求。

1.5.5 局部屈曲失效模式校核

局部屈曲失效模式校核结果与管道节点张力和局部弯矩相关，最终计算得到2种组合校核的UC′a和UC′b值分别为0.96和0.88， 均满足DNV OS F101[10]的设计准则要求。

2 深水海底管道S型铺设影响因素分析

本节设计参数与前文保持一致，针对我国南海海域环境水深1 250 m海底管道S型铺管工程，开展托管架角度、管道铺设状态和管道壁厚等级等3个重要因素对铺管工程的影响研究。

2.1 托管架角度

对于深水S型铺管，托管架角度是决定载荷效应(应变、局部弯矩等)的重要因素[3]。针对本文目标铺管工程分析不同托管架角度对铺管的影响。托管架角度调整旨在优化管道铺设几何形状，为静态分析，暂不考虑波流载荷影响。铺管船托管架首先放置于最低位置，初始角度38°，从最低位置开始提升托管架，之后每增加一步托管架提升1°。

不同托管架角度管道最大有效张力、最大等效弯矩、最大等效应变、最大等效应力见图6。由图6可知，随着托管架不断提升，铺设管道悬链线长度逐渐增长，管道节点有效张力逐步增大。当提升角度为20°即托管架角度为18°时，管道节点有效张力最大，达1 236.6 kN。而管道节点的等效应变、等效应力和等效弯矩则随着托管架提升角度增大呈先减小后逐渐增大趋势。提升角度为13°时，等效应变、等效应力和等效弯矩达到最小值，分别为0.221%、426.8 MPa、522.3 kN·m，此时管道节点有效张力为918.5 kN，处于中等水平。由此可知，托管架从初始位置提升13°即托管架处于25°时，管道节点等效应变、等效应力和等效弯矩处于最小值范围内，有效张力处于中等水平，此时托管架角度为最优解，可作为工程推荐参数。

2.2 管道铺设状态

实际管道铺设工程中，有时会将管道充满水，增加管道的重度以保证管道铺设时在海床上的稳定性。随着海底管道铺设逐渐走向深水，充水铺设海底管道是否可行成为业内关注的问题。本文分别选取管道内部未充水和充水100%(所充水为处理后密度为1 000 kg/m3的淡水)开展对比分析，结果如图7所示。由图7可知，空管铺设最大有效张力为1 002.3 kN，充水铺设最大有效张力为1 972.5 kN，远大于空管铺设时的最大有效张力，已接近单个张紧器所能提供的张力极限。如果需要随海底管道安装线内水下结构，单个张紧器无法提供足够张力，将大大限制海底管道铺设工程的适用性。同时，充水铺设时海底管道管节点最大等效应变和最大等效弯矩分别比空管铺设时大15%和5%。因此，深水铺管时宜采用空管铺设来完成管道铺设。

图6 不同托管架角度下管道最大有效张力、最大等效弯矩、最大等效应变及最大等效应力

2.3 管道壁厚等级

管道壁厚等级直接影响铺设过程中管道的构型和各项力学性能。下面针对空管铺设，就12.75 in(32.385 cm)壁厚等级分别为17.5、19.1、20.6 mm的海管开展对比分析，结果如图8所示。由图8可知，壁厚等级为17.5、19.1、20.6 mm的管道最大等效应变和最大等效弯矩分别为0.217%、0.221%、0.225%和484.9、525.3、561.1 kN·m，总体上壁厚越大，最大等效应力和最大等效弯矩越大。依据工程设计经验，局部屈曲失效校核受等效弯矩影响较为显著，因此，海底管道铺设过程中应深入评估壁厚的影响。

3 结论

1) 托管架角度对海底管道S型铺设各项力学性能影响显著，实际工程宜开展优化分析，本文1 250 m水深12.75 in(32.385 cm)海底管道S型铺设托管架最优角度为25°。

2) 深水海底管道充水铺设对张紧器要求更高，且管道等效弯矩、等效应变均较空管铺设时大，因此，深水海底管道铺设时应慎重选择充水铺设方式。

3) 管道壁厚对S型铺设影响较大，壁厚越大，最大有效张力、最大等效应变和最大等效弯矩越大。

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(编辑：吕欢欢)

Analysis of factors influencing deep water submarine pipeline S-lay operations

Zhou Weiwei Zhang Enyong Cao Jing

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

The critical tension, high bending stress, large curvatures, strong contaction and pipeline configuration should be comprehensively evaluated in deep water submarine pipeline S-lay operations. The 3-D FEA method with nonlinearity beam elements was applied in the analysis of deep water submarine pipeline S-lay operations based on the typical sea environment of South China Sea, and with the results being checked against relevant standard codes. The analysis outputs included the S-lay effective tension, equivalent bending moment, von Mises stress and strain. The factors influencing S-lay operations including stinger angle, pipe-lay condition and wall thickness were analyzed. The results show that the best stinger angle is 25° in this specific project, and that the flooded pipe-lay method must be used with discretion in submarine pipeline S-lay operations. The operations are very sensitive to pipe wall thickness, and in-depth evaluation of the correlation must be carried out before operations. The results obtained in this paper will be good references for deep water submarine pipeline S-lay operations.

deep water; submarine pipeline; S-lay, 3-D nonlinearity beam element; stinger angle; lay condition; pipe wall thickness

周巍伟，男，工程师，2010年毕业于大连理工大学船舶与海洋结构物设计制造专业，获硕士学位，现主要从事深水立管和海底管道结构工程设计和研究工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院2号楼(邮编：100028)。E-mail：zhouww4@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)02-0145-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.02.020

TE973.1

A

2015-02-10 改回日期：2015-10-21

*“十二五”国家科技重大专项“深水海底管道和立管工程技术(编号：2011ZX05026-005)、南海北部陆坡(荔湾3-1及周边)深水油气田开发工程设计(编号：2011ZX05056-001)”部分研究成果。

周巍伟，张恩勇，曹静.深水海底管道S型铺设影响因素分析[J].中国海上油气，2016,28(2)：145-150.

Zhou Weiwei，Zhang Enyong，Cao Jing.Analysis of factors influencing deep water submarine pipeline S-lay operations[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(2):145-150.