管道终端舷侧安装动态分析

王 猛， 孙国民

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

在深海油气田开发项目中，管道终端(pipeline end terminal, PLET)是常用的水下设施。PLET安装方法包括管道铺设时在作业线同步安装和船舶舷侧安装等。舷侧安装是将对预先铺设的管道回收至舷侧悬挂后，在舷侧的管道处理系统(pipeline handling system, PHS)上与PLET焊接，通过船舶移位和缆绳释放协同作业，将管道和PLET回铺至海床设计位置。相较于管道在线铺设安装，舷侧下放可安装更大尺寸和重量的PLET。

近年来国内外学者对管道结构物安装进行了研究。尹汉军等[1]对水下PLET各安装步骤进行了分析，动力效应通过动力放大系数(dynamic amplification factor, DAF)计算；邢广阔等[2]对管道在线铺设安装进行了静态有限元分析，发现最大应变发生在PLET与管道连接位置；林秀娟等[3]研究了波流联合作用下水下采油树下放过程中的关键因素；龚铭煊等[4]建立了波浪、海流和平台位移的共同作用下的水下采油树安装力学模型。余志兵等[5]采用频域方法对PLET在线安装进行了分析；Luis[6]介绍了在委内瑞拉湾恶劣海况下采用浮筒进行PLET在线安装的方法。

本文对PLET舷侧安装过程进行研究，并建立了耦合系统的时域计算模型。对悬挂状态和下放过程进行了静态和动态分析，以确定影响管道强度的主要因素。

1 PLET舷侧安装方法

PLET功能要求决定其结构形式、尺寸和重量等。在一般情况下，PLET由防沉板、主结构、Yoke、吊耳等组成，其中主结构包括阀门、管道、结构框架等。南海某项目的PLET如图1所示。

图1 管道终端Fig.1 Pipeline end terminal

舷侧安装主要施工设备为管道处理系统(PHS)，如图2所示。PHS上设有固定框架，用于固定PLET。

在下放前，PLET重量由固定框架承受。PLET与管道焊接后下放，重量全部转移至A/R缆。PHS的转动和平移由液压系统控制，可调整PLET位置以便保证与管道对接焊时的对口精度。

图2 管道处理系统Fig.2 Pipeline handling system

舷侧的悬挂平台和悬挂管卡用于悬挂回收的管道。PLET和管道的对接工作在悬挂平台上完成。管卡采用管领形式，通过液压控制打开或关闭，管卡也可独立调整位置和角度，以调整管道和PLET对接焊时的对口精度。

通过PHS和船舶侧推协同作业，安装过程主要分为三步：管道回收、管道与PLET对接和系统下放。安装工序如下：

(1) 回收预先铺设在海床上的管道至舷侧，悬挂于PHS的卡子上。

(2) 吊装PLET并将其固定在PHS上。

(3) 管道与PLET焊接，并进行节点防腐涂敷。

(4) 如需要，在Yoke上连接浮力块。打开悬挂管卡和PLET固定机构，管道和PLET重量全部转移至A/R缆。

(5) 外推PHS并释放A/R缆，船舶侧推进，开始下放。PLET和管道的下水过程由ROV进行监控。

(6) 系统继续下放直到PLET到达预定位置上方，控制下放速度并缓慢将PLET放置于海床。

回收预铺设管道时，管顶无结构物。通过分析确定合理的悬链线形态，管道应力可满足规范要求，该工序不是安装的关键工序。由于PLET重量比管道单位重量重(如南海某项目PLET水下重是管道单位水下重的489倍)，对接后管道的管顶弯曲刚度、边界条件以及动力响应发生变化。此外，从施工的时间考虑，与PLET对接的管道一般为冶金复合管。管道和PLET焊接采用自动焊机，焊接工艺要求高，焊接时间相对于普通碳钢管较长，南海某项目管径为219.1 mm，管道与PLET焊接用时近6个小时；加上焊缝检验和涂敷时间接近24个小时。管道与PLET对接后，管顶弯曲刚度发生变化(可认为是刚性固定)。开始下放后，整个系统会经历不同水深，波流载荷随水深变化。因此对接后系统的悬挂状态和下放过程是两个主要工序。本文考虑管道与PLET焊接后的工序过程，研究管道系统悬挂状态和下放过程的管道强度问题。

2 计算模型

2.1 动力方程

系统动力方程如下：

M(p，a)+C(p，v)+K(p)=F(p，v，t)

(1)

式中：M(p，a)为系统惯性力；C(p，v)为系统阻尼力；K(p)为系统刚度；F(p，v，t)为外部载荷；p，v和a分别为位移、速度和加速度；t为时间。

根据PLET的结构形式，可将其近似为块体；对于带防沉板的PLET，可考虑为两个块体，以提高计算精度。其受到的水动力按Morison方程计算。

(2)

式中：Cm为惯性力系数；Ca为附加质量系数，Ca=Cm-1,按DNV-RP-C205[7]表6.2计算，计算时需将垂直流速方向的截面近似为正方形；Δ为流体置换PLET体积质量；af为流场加速度；ab为PLET加速度；ρ为流体密度；Cd为拖曳力系数；A为拖曳力面积；vr为PLET与流场相对速度。

2.2 边界条件

PLET与管道对接后，管顶弯曲刚度、边界条件以及动力响应发生变化。PLET重量、刚度与管道相差较大。南海某项目中PLET重约60 t，弯曲刚度可将管顶弯曲刚度近似为无限大。

施工船舶的运动应在动态分析中予以考虑。本文使用幅值响应算子(response amplitude operator， RAO)来计算船舶运动。

海床考虑为弹性土壤模型，法向和剪切刚度均取100 kN/m/m2进行计算。

3 PLET安装分析

3.1 模型参数

本文使用OrcaFlex软件对南海某项目的PLET安装过程进行时域分析。在该项目中，管道外径为219.1 mm， PLET总重为60 t，作业水深为745 m，其他模型参数如表1所示，波散布图和90%超越概率流速如图3和图4所示。

表1 模型参数

(续表)

图3 波散布图

Fig.3 Wave scatter diagram

图4 流速曲线Fig.4 Current velocity profile

3.2 悬挂分析

3.2.1 静态分析

静态模型不考虑波流载荷和船舶运动，如图5所示。静态分析的目的是确定PHS的倾斜角度、A/R缆张力、管顶张力和弯矩等以及影响管道强度的主要因素。静态计算结果如表2所示。计算表明当PHS倾斜角度为20°时，管顶弯矩最小。管道弯矩和管道有效轴力分别如图6和图7所示，管道的最大弯矩出现在触地区。

图5 静态模型Fig.5 Static model

表2 悬挂静态分析结果

图6 管道弯矩Fig.6 Bend moment along pipeline

图7 管道轴力Fig.7 Effective force along pipeline

影响管道静态强度的主要因素包括PHS的倾斜角度、PLET重心位置以及PLET与A/R缆连接形式(吊耳或Yoke)等；由于假设管顶弯曲刚度无限大，应找到适宜的PHS倾斜角，使管顶弯矩达到最小；在一般情况下，PLET重心不在其几何中心，这是由于PLET主结构上阀门、管道、结构钢等无法完全对称布置，而PLET重心与管道重心不共面，会在管顶产生附加弯矩；如PLET采用吊耳连接A/R缆，由于吊耳和管道共轴，对管顶附加弯矩较小。如采用Yoke吊装，通常Yoke旋转点与管道不同轴，管顶附加弯矩较大。

对PHS倾角、Yoke旋转点和PLET偏心等影响管道强度的因素进行敏感性分析，以确定各因素对管道强度的影响程度。以静态分析中的模型为基本工况，PHS倾角变化±2°和±1°，Yoke旋转点相对于管轴线偏移±0.2 m， PLET偏心±0.2 m，计算结果如表3所示。可以看出，PHS倾角和Yoke旋转点位置对管顶弯矩影响相对较大，PLET偏心对管顶弯矩影响相对较小。管道弯矩分布发生变化，最大值出现在管顶。在静态工况下，管顶轴力主要由管重决定，对PHS倾角和PLET结构形式的变化不敏感。

表3 静态敏感性分析结果

3.2.2 动态分析

动态分析的目的是确定可施工的环境条件窗口期。将波的离散角取30°,保守考虑波流共向。计算结果如表4所示，从结果可以看出，在波向/流向为120°时，管道应力已超过许用强度。对应的有义波高为2.5，谱峰周期为9 s。分析船舶RAO在120°方向，船舶横摇(见图8)峰值周期为9.186 s，与波周期很接近，船舶横摇幅值几乎达到峰值，使管道受力显著地增加。

表4 悬挂状态动态分析结果

图8 船舶横摇幅值-120°方向Fig.8 Roll Amplitude of vessel at 120° direction

3.2.3 下放分析

下放过程是一个连续的过程，A/R缆释放和船舶侧移协同作业，以保证管道悬链线状态可控。对下放过程进行动态分析，需把整个过程离散为若干个安装步，对每个离散步进行静态分析。筛选静态分析结果，选择控制工况进行动态分析。本文将下放过程离散为15个安装步，如图9所示。

图9 下放过程安装步Fig.9 Lowering step

A/R缆释放速度和船舶侧移需要进行初步计算，以确定每个安装步中船舶的侧推位移。在南海某项目中，A/R缆释放速度约为0.1～0.15 m/s。通过静态分析找到适宜的船舶侧推速度。本文取A/R缆下方速度为0.12 m/s，当船舶侧推速度为0.11 m/s时，A/R缆张力曲线如图10所示。可以看出，缆绳张力逐渐减小，整体平滑，存在两次突变，分别为第3个离散步t=187 s时，由于PLET受到浮力作用，张力发生突变；第15个离散步t=7 136 s时，PLET放置在海床后，缆绳张力完全释放。

图10 A/R缆张力Fig.10 A/R wire tension

下放过程的静态分析结果如表5所示。A/R缆累计释放长度为883 m，船舶累计侧移为800 m。安装步中的第1、第4和第14安装步分别为开始下放、PLET入水后和PLET近海床。这三个安装步是下放阶段中的关键工况。对其进行动态分析，计算结果如表6所示。从计算结果可以看出，在第4个安装步中，管道强度接近许用强度值。这是由于PLET完全入水后，波流和船体运动对PLET施加载荷最大，PLET运动传递至管道导致的。在第14个安装步中，触底区管道的最小轴力最小。这是由于随着PLET接近海床，悬挂段管道长度较短，PLET运动导致管道出现轴向压力。过大的管道轴向压力，可能会引起管道屈曲。因此，可通过优化PLET重量、减小其水动力和运动幅值并适当增大A/R缆的张力等方法，避免管道出现轴向压力。如表6所示，在第14步，船舶单步位移修改为120 m后，管道触地区最小轴力为正。

表5 下放过程静态分析

表6 下放过程动态分析

4 结 语

通过对PLET舷侧安装过程的研究，建立了耦合系统时域分析模型。对管道悬挂状态和下放过程的计算表明：

(1) PHS的倾斜角度、PLET重心位置以及PLET与A/R缆连接形式(吊耳或Yoke)是影响管顶弯矩的主要因素。在设计过程中应找到适宜的PHS倾斜角、降低PLET偏心程度以及Yoke旋转点与管轴的偏移距离，以减少静态下管顶附加弯矩，使管道能承受更高的环境载荷。

(2) PLET舷侧下放对船舶的横摇敏感。在波流斜向作用下，当波浪周期与船舶横摇周期接近时，管道受力显著增加。因此，安装过程中应避免在该海况下施工。

(3) 系统刚入水区，由于波流载荷和船体运动作用显著，是整个下放过程的关键区。在该区域内，管道受力明显高于深水区。

(4) PLET接近海床时，管道悬挂段长度较短，PLET运动对管道强度影响显著。应确保A/R缆张力足够，避免由于PLET运动导致管道出现轴向压力。