深水双层保温海底管道终端舷侧安装研究

孙祥杰，于洪旭，刘极莉，郝双户，余志兵，张森

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

随着海洋油气勘探逐渐向深水挺进，南海油气资源开发对保障我国能源安全的意义愈发重要。管道终端PLET（pipeline end termination）作为海底连接系统的一个组成部分，在深水开发中发挥着重要作用。依据安装方式的不同，PLET安装主要有在线安装和舷侧安装两种。PLET舷侧安装是先铺设海管，再将海管端部由海床提升至施工船舶舷侧固定，将PLET与海管焊接完成后整体下放至海床完成PLET安装，通常适用于PLET重量和尺寸比较大的情况，在线安装是将PLET通过海管作业线安装，与舷侧安装PLET相比，在线安装可以缩短海上连接的时间，但对PLET的设计、安装有更高的要求[1]。

本文主要对带有双层管的PLET进行舷侧下放分析（J-lay），首先对分析流程进行系统介绍，然后给出一个具体计算案列，分析结果将为后期实际安装施工提供借鉴及参考。

1 分析流程

1.1 概述

PLET舷侧下放安装分析计算流程包括：基础数据选择、计算模型建立、静态/动态分析、校核、编制分析报告。结果分析主要是对管道强度进行校核，检验其是否满足所要求的标准或规范，典型分析流程如图1所示。

1.2 基础数据选择

对PLET舷侧下放安装分析计算之前，首先要选择基础数据，包括环境参数、海管参数、PLET参数、铺管船参数等，具体如下：

环境参数：水深、海水密度、海流、波浪、土壤参数等。

海管参数：结构类型（单层管、双层管等）、材料等级、尺寸（管径、壁厚）、物理特性（杨氏模量、泊松比、最小屈服强度、密度等。

PLET参数：长、宽、高、重心、空气中重量/水中重量、水动力等参数（拖曳面积、拖曳系数、附加质量系数、升力系数等）。

铺管船参数：船长、船宽、型深、吃水、RAO（Response Amplitude Operator）、A&R绞车性能等。

图1 分析流程图

1.3 建立计算模型

PLET与海底管道端部在舷侧焊接连接完成后，再通过舷侧下放系统PLS（PLET Launching System）下放到海床，如图2、图3所示。

图2 PLET与海管起始端连接

图3 PLET着泥点处

PLET舷侧下放安装计算模型是基于海洋工程结构有限元分析软件ocraflex建立[5]，应合理选择单元类型，模拟船体、海底管道、PLET、Yoke臂、A&R缆等。PLET与海底管道的约束设置应符合实际连接情况，模型边界条件，如与海床连接的海底管道在海床着泥点后保留一定长度处可考虑为固定约束。

根据实际项目要求及分析类型，PLET舷侧下放建立有限元数值模型对关键位置进行分析。整个分析应完整模拟PLET下放安装过程，从PLET悬挂在舷侧开始，终止于PLET着泥。关键位置筛选是指不考虑环境荷载，在静水条件下基于分析模型，根据管道应力/应变结果对舷侧下放过程进行准动态模拟，然后选取若干危险位置，PLET典型位置可在悬挂点、飞溅区附近、着泥点处等进行选择，也可根据经验直接选取关键位置[6]。

1.4 静态和动态分析

关键位置选取后，在不考虑环境荷载的情况下，进行静态分析，计算带有海管的PLET在此状态下的受力和平衡型态。

将各关键位置处静态模型作为基础分析模型，考虑波、流以及船舶运动等环境荷载进行动态分析：

考虑0°～360°，在45°增量下的波浪工况组合矩阵。

船体运动通常依据RAO计算，对于DP船舶，可以不考虑低频运动。

波浪可以采用规则波或不规则波理论，计算结果应尽量规避平衡建立前的瞬态效应。

输出的计算结果包括但不限于：管道顶部张力、最大Von Mises应力、底部张力、最大A&R有效张力、最大管道应变、投影距离、PLET角度等。

1.5 强度校核

基于静态和动态分析模型和结果，按照规范DNV-OS-F101 Section5,D600中的组合荷载准则—荷载控制条件对管道进行强度校核。

2 PLET舷侧下放系统

对于海洋石油201船，PLET舷侧下放系统将与焊接在A甲板上的基座连接，布置在右舷，包括以下内容：

主体框架结构包括两条支撑杆和一个横梁。

一个A&R滑轮位于横梁中心。

液压缸系统，可将框架从水平调整至探出舷外110°（与水平夹角）。

PLET平台，用于在安装期间放置锁紧PLET。

PLET调整液压缸，此液压缸可调整PLET的精确位置，以便在焊接之前进行管道对中，PLET可以沿轴向和垂直轴向的方向进行调整。

典型的舷侧下放系统如图4所示。

PLS系统被设计用来将PLET提升到适当的工作位置，以便在PLET和管道之间进行对准操作。该系统的主要特点如下：

满载和空载时角度连续可变旋转。

PLS两侧的液压气缸将同步模式工作，以避免结构变形。

当管道偏离角度范围为60°到100°（与水平夹角），PLET可以安装在侧面。

图4 PLET舷侧下放系统

在无负载或满载情况下，框架可自适应平衡。

当出现断电、电气故障、系统故障等情况时，失效安全模式自启动。

安装了软着陆装置和缓冲装置，以保护防护装置在装载时不受损坏。

PLS系统允许PLET保持稳定的位置，并提供位置调整，以使连接能在在四个方向（包括角度、水平、高度和间距调整、纵向）都可调整进行焊接。

PLS系统悬挂平台和PLET之间有足够的间距供PLET升降调整（离悬挂夹具中心线4m的间距）。

管道端部将采用J-collar（一种用于舷侧海管固定的辅助安装装置），用于管道悬挂以与PLET进行焊接。由于是对整体进行动态分析，J-collar不包括在此分析模型中，但可以提取出J-collar位置的全局响应，用于其详细的有限元分析。

3 PLET舷侧下放安装案例分析

3.1 概述

本文以南海某油田开发项目为例，使用Orcaflex V10.3d进行PLET舷侧下放分析。Orcaflex是由Orcina有限公司开发的船用分析软件，用于柔性线路和电缆的静态和动态分析。该程序是基于三维非线性时域有限元公式，计算波流荷载下的系统响应和基于船舶幅值响应（RAOs）或预先计算的船舶运动时间轨迹下外部施加的运动。

将海底管道参数（外径、壁厚、钢质等级、保温涂层厚度、防腐涂层厚度等）输入到有限元分析模型中，采用PLS下放带有双层海管的PLET结构可以用Orcaflex比较准确的模拟。

本案例主要对带双层管PLET下放的可行性开展分析。分析包括PLET从PLS下放到稳定在海床上的整个阶段，典型6个静态过程如下：

步骤1：PLET从PLS下放（空气中）。

步骤2：PLET在飞溅区附近。

步骤3：PLET在水面以下约10m处。

步骤4：PLET在整个水深约1/2处。

步骤5：PLET距离海床约20m处。

步骤6：PLET着泥处。

在6个静态分析中，将选择4个关键位置（步骤1、2、4、6）进行详细的动态分析。

3.2 基础数据

进行PLET舷侧下放分析时，必须考虑波流等环境作用参数，这些值的获取是基于长期的数值统计。波是通过波高及波周期进行定义，包括有义波高、谱峰周期等，而流则根据不同水层深度及方向等参数来定义，海洋中的流相对复杂，除了风诱导流、潮汐流等因素，对于该油田海域需要考虑内波流。

本文基于规则波理论进行时域动态分析，波浪模型至少考虑一个循环的起始阶段和后续的五个循环阶段。在计算稳定后，给出最后一个波浪周期的动态分析结果。

该油田最大水深约333.2m，本案例对其中一侧水深约284.2m处的PLET舷侧下放安装进行分析，分析中采用最大波高Hmax，Hmax与Hs的关系为Hmax=1.86×Hs。考虑波高1.5m、2.0m、2.5m。对应的波周期范围为7s～11s，荷载工况矩阵如表1所示。

表1 波浪工况组合矩阵

内波流分布见表2。

表1 波浪工况组合矩阵

分析中使用的艏向定义如图5所示，定义自船艏的波浪为180°，定义来自船尾的波浪为0°，定义沿船艏逆时针方向为正。

图5 艏向示意图

双层海底管道参数见表3。

表3 管道参数

杨氏模量 MPa 207000保温层 mm 45保温层密度 kg/m3 40～60外防腐涂层厚度 mm 3.5防腐涂层密度 kg/m3 900～940

海洋石油201船主要参数见表4，以保守考虑，分析时船舶RAOs的选取为空载（约10%剩余燃料）时的曲线。

表4 船体参数

PLET特性参数见表5。

表5 PLET特性参数

带防沉板的PLET配置示意图如图6。

图6 PLET配置示意图

A&R缆参数见表6。

表6 A&R缆参数

3.3 接受标准

PLET下放过程的接受标准需要满足DNVOS-F101 Section5,D600组合控制准则。

表7 管道极限准则—局部屈曲校核（UC）

表8 A&R缆极限准则

3.4 分析结果

PLET舷侧下放安装分析数值模型包括：船体、A&R缆、绞车、双层海管（18in+12in）、PLET、Yoke臂、挂钩等。对于双层海管，在模型中新建两条管道，输入相对应参数，采用line contact单元模拟；采用line模拟A&R缆；基于PLET实际的几何结构以及流体动力学特性，其模型用6D Buoy模拟，挂钩用3D Buoy模拟。具体参数计算模型单元类型及边界条件选择见表9。

表9 模型单元及边界条件

PLET下放过程如图7所示，其静态分析结果见表10。

图7 PLET下放过程

表10 PLET下放静态分析结果

3 277.06 212.55 176.061 257.419 730.21 280.99 -67.64 0.14 0.34 4 159.29 220.60 150.114 220.882 663.29 237.39 -52.24 0.10 0.26 5 23.76 257.22 125.329 189.607 557.09 104.43 -18.89 0.07 0.21 6 13.60 257.26 94.607 145.687 509.25 55.32 -7.72 0.04 0.14

对于动态分析，环境组合工况下的详细计算结果这里不再列出，最终的校核结果如表11。

表11 PLET下放动态分析结果

（4）采用规则波理论进行分析是相对保守的，对于PLET舷侧下放，根据DNV-OS-F101的许用极限准则，在给定的波浪工况组合矩阵条件下，校核结果满足规范要求。

本文对带双层管的PLET舷侧下放安装分析开展可行性研究，将对后期实际海上施工起到指导作用，为今后与之相关的工程应用提供一定理论基础。实际工程安装设计阶段还需要进行海管回收和海管疲劳分析，以及铺管船位置、PLET角度等因素的敏感性研究，以此来确定对安装施工的影响程度。

4 结论

（1）从分析结果可以看到，带双层海管的PLET总重量小于A&R缆许用张力值，因此可以直接采用A&R缆下放PLET的方案。

（2）对于PLET舷侧安装，最大张力和弯矩发生在起始阶段，即PLET刚从舷侧下放系统释放以及飞溅区附近位置。

（3）PLET接近着泥点处时，为避免出现局部屈曲问题，建议此处安装持续时间不要太长。