非粘结海洋复合软管铺设分析方法研究

代志双， 孟德军， 杨 强， 陈 星， 袁晓燕

(1.天津大学 材料科学与工程学院， 天津 300072；2.天津市海王星海上工程技术股份有限公司， 天津 300384)



非粘结海洋复合软管铺设分析方法研究

代志双1,2， 孟德军2， 杨 强2， 陈 星2， 袁晓燕1

(1.天津大学 材料科学与工程学院， 天津 300072；2.天津市海王星海上工程技术股份有限公司， 天津 300384)

软管相比钢管具有很多优势，其海上安装铺设过程中的安全性和便捷性要远远优于钢管，但是软管的铺设分析与钢管同样复杂。以某气田的输气软管为例，介绍了软管海上铺设分析的步骤，针对软管铺设过程中的几个关键点进行了研究。并且采用数据等效和软件模拟等方法得到了软管的抗挤压能力、铺设拉力、弯曲半径以及软管触泥点位置等关键数据，为海上施工提供了可靠的理论数据支持，对软管铺设分析的进一步研究提供了思路。

复合软管；铺设；有效拉力；弯曲半径

0 引言

海洋复合软管的应用越来越广泛，在我国渤海和南海海域，已经铺设了多条软管。软管作为一种新型管道结构，与传统的钢管相比具有很多优势。从结构上讲，非粘结复合软管是由多层不同材质的带状结构按照一定间隙缠绕而成，因此其弯曲半径比钢管小很多，所以在海上铺设时，可以将软管储存在储管池之中。软管在海上铺设时，有多种接头形式可选择，如法兰、焊接和快速接头。软管的焊接量相对钢管要少很多，海上铺设时间会大大缩短，节约安装成本，降低油田的整体开发费用。

软管虽然在海上铺设时比钢管快捷，但也需要控制很多数据以保证其铺设时的安全性，因此软管铺设分析显得尤为重要。软管铺设分析主要有以下几个关键点：(1) 软管的最小弯曲半径； (2) 软管的抗挤压能力； (3) 张紧器能力； (4) 软管铺设所允许的最小拉力和最大拉力； (5) 特定环境条件下软管的铺设拉力和弯曲半径； (6) 软管起铺造弯所需要的最小直线段长度； (7) 软管跨越管线时的受力分析(若路由存在跨越点)； (8) 软管首尾末端与立管对接时的牵拉力。

这些关键点缺一不可，得到的相关数据直接对软管的海上铺设施工起指导作用。下面以某软管为例，对铺设分析中的主要关键点进行介绍。

1 软管最小弯曲半径

非粘结海洋复合软管的结构如图1所示。软管各层都会有对应的最小弯曲半径数值，非金属层通过应变来确定，金属层通过互锁状态下的弯曲半径来确定，因此软管的最小弯曲半径即为各层材料达最小弯曲半径时的最大值[1]。

图1 软管基本结构图

对软管各层的最小弯曲半径分别进行计算[2]，得到相应各层的最小弯曲半径，见表1。

表1 软管各层最小弯曲半径

从表1得到软管的最小弯曲半径为2.683 m，软管储存弯曲半径为最小弯曲半径的1.1倍，软管在操作状态下的弯曲半径为储存弯曲半径的1.5倍。一般认为操作状态包括软管的安装状态，因此软管安装状态下的最小弯曲半径确定为4.43 m。

2 软管抗挤压分析

软管截面模型比较复杂，在建立有限元模型时可通过等效的方法将抗压截面转换成普通单壁管截面。骨架层为S型截面，抗压铠装层为矩形钢带，两者均按照一定节距和角度螺旋缠绕而成，骨架层需互锁缠绕，下面以骨架层为例进行等效介绍。骨架层的等效示意图如图2所示。

图2 骨架层的等效示意图

在图形软件中读取出S型骨架层截面的惯性距参数，通过圆环形截面惯性距公式得到其相应的壁厚，公式如下[3]

(1)

(2)

式中：t为等效壁厚； Ixreal为读取的骨架层截面惯性距； Areal为读取的骨架层截面面积； Emod为模型弹性模量； nw为骨架层S型钢带个数； Esteel为骨架层材料弹性模量； p为缠绕节距。

抗压铠装层的等效方法与骨架层相同。由于抗拉层主要起抗拉作用，不考虑其抗压作用，其他层为非金属聚合物层，为管状结构、可直接进行建模，按照规范要求考虑0.2 %的初始椭圆度[2]。

张紧器的履带夹持形式分为两履带和四履带两种，其中两履带为V型，四履带为平板型。根据张紧器履带对软管的实际挤压方式将履带模型同样建立在软管模型之中，各层材料属性按照线弹性来考虑。软管各层之间、履带与软管之间建立接触对，最终得到软管的ANSYS有限元模型以及校核结果，如图3所示。

图3 软管挤压强度有限元计算结果

张紧器所用油缸产生的油压与履带作用在软管上的压力存在一定比例关系，这需要结合张紧器详细参数和挤压实验来进行标定，该项目所使用张紧器为两履带单台油缸，最大油压3.5 MPa，四履带最大油压10 MPa。油压和履带压力的关系通过实验标定，张紧器履带与软管外层最小摩擦系数通过实验取得。最终，得到软管挤压强度以及张紧器施工能力结果，见表2。

表2 软管挤压强度和张紧器施工能力分析

由表2可知，两种履带形式的张紧器均满足最大负载要求，即张紧器的油缸推力达到最大时，软管也不会挤压破坏。这里需要注意一点，根据API规范，挤压实验需要满足椭圆度的要求，即软管外径最大椭圆度不允许超过3%。经过计算，软管达到挤压强度时的椭圆度远小于3%，同样经过反向模拟，当软管椭圆度达到3%时，骨架层已经超过其最大许用应力要求，不满足规范要求。

3 软管铺设分析

软管铺设分析采用Orcaflex软件进行模拟计算，得到软管顶端所受轴向有效拉力，软管下弯点最小弯曲半径，以及软管在静力状态下产生或接近软管安装状态下最小弯曲半径的铺设拉力，此拉力为软管铺设时的最小允许拉力。

在进行铺设分析之前还需要确定能作业的最大环境条件。由于施工船舶通过锚泊定位来进行软管铺设，因此能作业的最大环境条件需要通过系泊分析来确定。本处系泊分析通过moses软件的时域分析方法进行，其中波浪谱采用JONSWAP谱，谱峰升高因子γ取3.3，风谱采用NPD风谱[3]，风速选取每个风级区间的最大值。总体来讲，环境参数的选取是相对保守的。

通过施工月份以往年份的环境参数统计，结合蒲氏风速波高表和系泊分析结果，得到环境参数，见表3。

表3 施工海域风波流参数选取表

为了得到准确的数据，还需要对铺设作业的船舶进行水动力分析，以便得到其在相应海况条件下的运动参数。水动力分析可通过专业软件进行，比如AQWA、moses或sesam等，这些软件与Orcaflex软件有接口，能将计算结果导入船体特性中，使计算结果与实际结果契合度较高。

由于船体形状为左右对称，因此只选取了0°、45°、90°、135°和180°五个方向进行水动力分析。通过moses频域分析得到响应幅值算子、附加质量、阻尼矩阵、平板波浪力和QTF等计算结果。考虑铺设过程中船舶吃水的变化，共选取起始、中间和末尾三个吃水状态进行水动力分析并分别将结果导入Orcaflex模型中进行时域分析。通过静态模拟得到软管铺设所需要的最小拉力，调整入水点的位置来得到符合软管截面特性和悬链线特性的最小弯曲半径下的入水点位置和悬链线姿态，从而得到软管铺设所需要的最小拉力，分析模型如图4所示。由于已知船舶的最大施工条件为6级风，因此铺设模拟最大的环境条件同样采用6级风来进行动态模拟。动态计算所需结果与静态相同，得到在6级风下施工所需要的软管最小铺设拉力，从而得到软管铺设所需要的最小拉力范围。

图4 铺设分析模型

需要注意的是，软管在正常铺设过程中会有接头，而不同的接头形式有不同的重量和刚度。因此，在正常铺设工况中需要选取一段合适的长度模拟接头，并施加相应的重量和刚度。尤其应在着泥点处进行模拟，能有效地得到软管接头触泥时的弯矩和受力，保证软管铺设时的安全。

根据铺设经验，理想状态下软管的触泥点位置距离船艉应该在30 m～40 m之间，这时软管的姿态和拉力能保持在一个较好的状态，通过模拟得到的软管受力结果见表4。

表4 软管铺设分析结果

软管在两种流向(东南流和西北流)下的铺设姿态和张力时程图分别如图5、图6所示。

图5 软管在两种流向下的铺设姿态

图6 软管正常铺设中在两种流向下的张力时程图

通过分析结果可以看到，软管铺设弯曲半径最小为10.5 m，这一数值大于软管安装所允许的最小弯曲半径(4.43 m)，因此软管的金属层应力和聚合物层的应变均在规范允许范围之内。

为了得到软管铺设所需的拉力范围，还需要计算出软管铺设所允许的最大拉力。软管在铺设中拉力越大，通过尾部托管架作用在尾部托架上的压力越大。将尾部托架近似看作一个平板，可以认为软管受到此平板的挤压力，该挤压力不能超过软管所能承受的允许挤压力。因此，需要计算出软管在尾部托架上达到挤压极限时的拉力，这个拉力在最新版的API规范中已经给出[4]，见式3。

(3)

式中：Fplan为软管允许的最大平板压力；Rstring为船舶托管架的弯曲半径。

通过式(3)得到软管铺设允许的最大拉力为37.8 t，该拉力已经远远超过了本次施工所用张紧器能提供的最大牵拉力，因此软管铺设是安全的。

4 特殊工况计算

以上计算中，基本包括了软管铺设分析的要点，为了进一步完善铺设分析，也需要进行一些特殊工况下的计算，比如软管的起铺造弯，跨越分析，弃拾管以及首末两端与立管的牵拉等工况。这部分计算主要与海底土壤的参数有关，因此在没有详细准确的土壤参数，无法判断软管与海底泥面之间的摩擦系数时，可通过API规范所给的摩擦系数计算。一般情况下软管与海底泥面之间的摩擦系数可按照轴向0.2～0.3、侧向0.4～0.5进行估算。如果想得到准确的数值结果，可通过施工海域准确的土质资料，计算出土壤对软管的侧向和轴向摩阻力。

需要注意三点：(1) 在计算起铺造弯时需要得到准确的软管水平段残余拉力，可以通过铺设分析结果得到；(2) 在进行软管跨越分析时，需要提前计算出软管的VIV结果，得到软管在海底所允许的最大悬跨间距，并在做软管跨越分析时予以考虑；(3) 在做首末端软管牵拉时，可通过增加浮子来抵消软管和接头在水中的重量，同时考虑海流对浮子的作用力，保证软管的坐底稳性，进而控制浮子数量，以免浮子太多起到反作用，增大软管牵拉力。

5 结语

通过对海洋复合软管的计算分析，得到软管在铺设时所需要的最小和最大牵拉力以及相应工况下软管所能出现的最小弯曲半径和着泥点水平距离，从而保证软管在铺设时满足规范要求。在实际铺设时，以铺设分析的结果为标准，对软管的牵拉力进行实时监测，水深较深的海域可通过水下ROV来观测软管着泥位置的姿态，以保证软管的正常铺设。

[1] API-RP-17J. Specification for Unbonded Flexible Pipe, Fourth Edition[S]. 2014.

[2] 白海洋,沙勇,周巍伟,等.非粘结海洋复合软管最小弯曲半径计算方法研究[J].建筑技术开发，2013,40(11):20-21.

[3] José R M, Gilberto B E, Edison C P, et al. Local mechanical behaviour of flexible pipes subjected to installation loads[C].20th International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering, Rio de Janeiro, 2001.

[4] API-RP-2SK. Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S]. 2005.

[5] API-RP-17B. Recommended Practice for Flexible Pipe, Fifth Edition[S]. 2014.

Researches on Analysis Method of Unbonded Flexible Pipe Laying

DAI Zhi-shuang1,2, MENG De-jun2, YANG Qiang2, CHEN Xing2, YUAN Xiao-yan1

(1. School of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Neptune Offshore Engineering Development Co., Ltd, Tianjin 300384, China)

Compared with steel pipe, flexible pipe has a lot of advantages, especially on the installation case, flexible pipe is more convenient. However, the analysis method of flexible pipe laying is as complex as steel pipe. The paper focuses on a gas hose, explores the main steps and keypoints of flexible pipe laying, adopts equivalent data and creates model simulation to get the extrusion pressure resistance, effective tension, bending radius and touchdown point of flexible pipe. These results are very useful for the installation of flexible pipe laying.

flexible pipe； laying； effective tension； bending radius

2015-02-12

国家科技重大专项课题资助项目(2011ZX05026-005)。

作者简介： 代志双(1984-)，女，工程师。

1001-4500(2016)05-0073-07

TE973

A