孫祥杰，于洪旭，劉極莉，郝雙戶，余志兵，張森

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

隨著海洋油氣勘探逐漸向深水挺進(jìn)，南海油氣資源開發(fā)對保障我國能源安全的意義愈發(fā)重要。管道終端PLET（pipeline end termination）作為海底連接系統(tǒng)的一個組成部分，在深水開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。依據(jù)安裝方式的不同，PLET安裝主要有在線安裝和舷側(cè)安裝兩種。PLET舷側(cè)安裝是先鋪設(shè)海管，再將海管端部由海床提升至施工船舶舷側(cè)固定，將PLET與海管焊接完成后整體下放至海床完成PLET安裝，通常適用于PLET重量和尺寸比較大的情況，在線安裝是將PLET通過海管作業(yè)線安裝，與舷側(cè)安裝PLET相比，在線安裝可以縮短海上連接的時間，但對PLET的設(shè)計(jì)、安裝有更高的要求[1]。

本文主要對帶有雙層管的PLET進(jìn)行舷側(cè)下放分析（J-lay），首先對分析流程進(jìn)行系統(tǒng)介紹，然后給出一個具體計(jì)算案列，分析結(jié)果將為后期實(shí)際安裝施工提供借鑒及參考。

1 分析流程

1.1 概述

PLET舷側(cè)下放安裝分析計(jì)算流程包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇、計(jì)算模型建立、靜態(tài)/動態(tài)分析、校核、編制分析報(bào)告。結(jié)果分析主要是對管道強(qiáng)度進(jìn)行校核，檢驗(yàn)其是否滿足所要求的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，典型分析流程如圖1所示。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇

對PLET舷側(cè)下放安裝分析計(jì)算之前，首先要選擇基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括環(huán)境參數(shù)、海管參數(shù)、PLET參數(shù)、鋪管船參數(shù)等，具體如下：

環(huán)境參數(shù)：水深、海水密度、海流、波浪、土壤參數(shù)等。

海管參數(shù)：結(jié)構(gòu)類型（單層管、雙層管等）、材料等級、尺寸（管徑、壁厚）、物理特性（楊氏模量、泊松比、最小屈服強(qiáng)度、密度等。

PLET參數(shù)：長、寬、高、重心、空氣中重量/水中重量、水動力等參數(shù)（拖曳面積、拖曳系數(shù)、附加質(zhì)量系數(shù)、升力系數(shù)等）。

鋪管船參數(shù)：船長、船寬、型深、吃水、RAO（Response Amplitude Operator）、A&R絞車性能等。

圖1 分析流程圖

1.3 建立計(jì)算模型

PLET與海底管道端部在舷側(cè)焊接連接完成后，再通過舷側(cè)下放系統(tǒng)PLS（PLET Launching System）下放到海床，如圖2、圖3所示。

圖2 PLET與海管起始端連接

圖3 PLET著泥點(diǎn)處

PLET舷側(cè)下放安裝計(jì)算模型是基于海洋工程結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ocraflex建立[5]，應(yīng)合理選擇單元類型，模擬船體、海底管道、PLET、Yoke臂、A&R纜等。PLET與海底管道的約束設(shè)置應(yīng)符合實(shí)際連接情況，模型邊界條件，如與海床連接的海底管道在海床著泥點(diǎn)后保留一定長度處可考慮為固定約束。

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求及分析類型，PLET舷側(cè)下放建立有限元數(shù)值模型對關(guān)鍵位置進(jìn)行分析。整個分析應(yīng)完整模擬PLET下放安裝過程，從PLET懸掛在舷側(cè)開始，終止于PLET著泥。關(guān)鍵位置篩選是指不考慮環(huán)境荷載，在靜水條件下基于分析模型，根據(jù)管道應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)果對舷側(cè)下放過程進(jìn)行準(zhǔn)動態(tài)模擬，然后選取若干危險(xiǎn)位置，PLET典型位置可在懸掛點(diǎn)、飛濺區(qū)附近、著泥點(diǎn)處等進(jìn)行選擇，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接選取關(guān)鍵位置[6]。

1.4 靜態(tài)和動態(tài)分析

關(guān)鍵位置選取后，在不考慮環(huán)境荷載的情況下，進(jìn)行靜態(tài)分析，計(jì)算帶有海管的PLET在此狀態(tài)下的受力和平衡型態(tài)。

將各關(guān)鍵位置處靜態(tài)模型作為基礎(chǔ)分析模型，考慮波、流以及船舶運(yùn)動等環(huán)境荷載進(jìn)行動態(tài)分析：

考慮0°～360°，在45°增量下的波浪工況組合矩陣。

船體運(yùn)動通常依據(jù)RAO計(jì)算，對于DP船舶，可以不考慮低頻運(yùn)動。

波浪可以采用規(guī)則波或不規(guī)則波理論，計(jì)算結(jié)果應(yīng)盡量規(guī)避平衡建立前的瞬態(tài)效應(yīng)。

輸出的計(jì)算結(jié)果包括但不限于：管道頂部張力、最大Von Mises應(yīng)力、底部張力、最大A&R有效張力、最大管道應(yīng)變、投影距離、PLET角度等。

1.5 強(qiáng)度校核

基于靜態(tài)和動態(tài)分析模型和結(jié)果，按照規(guī)范DNV-OS-F101 Section5,D600中的組合荷載準(zhǔn)則—荷載控制條件對管道進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2 PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)

對于海洋石油201船，PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)將與焊接在A甲板上的基座連接，布置在右舷，包括以下內(nèi)容：

主體框架結(jié)構(gòu)包括兩條支撐桿和一個橫梁。

一個A&R滑輪位于橫梁中心。

液壓缸系統(tǒng)，可將框架從水平調(diào)整至探出舷外110°（與水平夾角）。

PLET平臺，用于在安裝期間放置鎖緊PLET。

PLET調(diào)整液壓缸，此液壓缸可調(diào)整PLET的精確位置，以便在焊接之前進(jìn)行管道對中，PLET可以沿軸向和垂直軸向的方向進(jìn)行調(diào)整。

典型的舷側(cè)下放系統(tǒng)如圖4所示。

PLS系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來將PLET提升到適當(dāng)?shù)墓ぷ魑恢?，以便在PLET和管道之間進(jìn)行對準(zhǔn)操作。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

滿載和空載時角度連續(xù)可變旋轉(zhuǎn)。

PLS兩側(cè)的液壓氣缸將同步模式工作，以避免結(jié)構(gòu)變形。

當(dāng)管道偏離角度范圍為60°到100°（與水平夾角），PLET可以安裝在側(cè)面。

圖4 PLET舷側(cè)下放系統(tǒng)

在無負(fù)載或滿載情況下，框架可自適應(yīng)平衡。

當(dāng)出現(xiàn)斷電、電氣故障、系統(tǒng)故障等情況時，失效安全模式自啟動。

安裝了軟著陸裝置和緩沖裝置，以保護(hù)防護(hù)裝置在裝載時不受損壞。

PLS系統(tǒng)允許PLET保持穩(wěn)定的位置，并提供位置調(diào)整，以使連接能在在四個方向（包括角度、水平、高度和間距調(diào)整、縱向）都可調(diào)整進(jìn)行焊接。

PLS系統(tǒng)懸掛平臺和PLET之間有足夠的間距供PLET升降調(diào)整（離懸掛夾具中心線4m的間距）。

管道端部將采用J-collar（一種用于舷側(cè)海管固定的輔助安裝裝置），用于管道懸掛以與PLET進(jìn)行焊接。由于是對整體進(jìn)行動態(tài)分析，J-collar不包括在此分析模型中，但可以提取出J-collar位置的全局響應(yīng)，用于其詳細(xì)的有限元分析。

3 PLET舷側(cè)下放安裝案例分析

3.1 概述

本文以南海某油田開發(fā)項(xiàng)目為例，使用Orcaflex V10.3d進(jìn)行PLET舷側(cè)下放分析。Orcaflex是由Orcina有限公司開發(fā)的船用分析軟件，用于柔性線路和電纜的靜態(tài)和動態(tài)分析。該程序是基于三維非線性時域有限元公式，計(jì)算波流荷載下的系統(tǒng)響應(yīng)和基于船舶幅值響應(yīng)（RAOs）或預(yù)先計(jì)算的船舶運(yùn)動時間軌跡下外部施加的運(yùn)動。

將海底管道參數(shù)（外徑、壁厚、鋼質(zhì)等級、保溫涂層厚度、防腐涂層厚度等）輸入到有限元分析模型中，采用PLS下放帶有雙層海管的PLET結(jié)構(gòu)可以用Orcaflex比較準(zhǔn)確的模擬。

本案例主要對帶雙層管PLET下放的可行性開展分析。分析包括PLET從PLS下放到穩(wěn)定在海床上的整個階段，典型6個靜態(tài)過程如下：

步驟1：PLET從PLS下放（空氣中）。

步驟2：PLET在飛濺區(qū)附近。

步驟3：PLET在水面以下約10m處。

步驟4：PLET在整個水深約1/2處。

步驟5：PLET距離海床約20m處。

步驟6：PLET著泥處。

在6個靜態(tài)分析中，將選擇4個關(guān)鍵位置（步驟1、2、4、6）進(jìn)行詳細(xì)的動態(tài)分析。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

進(jìn)行PLET舷側(cè)下放分析時，必須考慮波流等環(huán)境作用參數(shù)，這些值的獲取是基于長期的數(shù)值統(tǒng)計(jì)。波是通過波高及波周期進(jìn)行定義，包括有義波高、譜峰周期等，而流則根據(jù)不同水層深度及方向等參數(shù)來定義，海洋中的流相對復(fù)雜，除了風(fēng)誘導(dǎo)流、潮汐流等因素，對于該油田海域需要考慮內(nèi)波流。

本文基于規(guī)則波理論進(jìn)行時域動態(tài)分析，波浪模型至少考慮一個循環(huán)的起始階段和后續(xù)的五個循環(huán)階段。在計(jì)算穩(wěn)定后，給出最后一個波浪周期的動態(tài)分析結(jié)果。

該油田最大水深約333.2m，本案例對其中一側(cè)水深約284.2m處的PLET舷側(cè)下放安裝進(jìn)行分析，分析中采用最大波高Hmax，Hmax與Hs的關(guān)系為Hmax=1.86×Hs?？紤]波高1.5m、2.0m、2.5m。對應(yīng)的波周期范圍為7s～11s，荷載工況矩陣如表1所示。

表1 波浪工況組合矩陣

內(nèi)波流分布見表2。

表1 波浪工況組合矩陣

分析中使用的艏向定義如圖5所示，定義自船艏的波浪為180°，定義來自船尾的波浪為0°，定義沿船艏逆時針方向?yàn)檎?/p>

圖5 艏向示意圖

雙層海底管道參數(shù)見表3。

表3 管道參數(shù)

楊氏模量 MPa 207000保溫層 mm 45保溫層密度 kg/m3 40～60外防腐涂層厚度 mm 3.5防腐涂層密度 kg/m3 900～940

海洋石油201船主要參數(shù)見表4，以保守考慮，分析時船舶RAOs的選取為空載（約10%剩余燃料）時的曲線。

表4 船體參數(shù)

PLET特性參數(shù)見表5。

表5 PLET特性參數(shù)

帶防沉板的PLET配置示意圖如圖6。

圖6 PLET配置示意圖

A&R纜參數(shù)見表6。

表6 A&R纜參數(shù)

3.3 接受標(biāo)準(zhǔn)

PLET下放過程的接受標(biāo)準(zhǔn)需要滿足DNVOS-F101 Section5,D600組合控制準(zhǔn)則。

表7 管道極限準(zhǔn)則—局部屈曲校核（UC）

表8 A&R纜極限準(zhǔn)則

3.4 分析結(jié)果

PLET舷側(cè)下放安裝分析數(shù)值模型包括：船體、A&R纜、絞車、雙層海管（18in+12in）、PLET、Yoke臂、掛鉤等。對于雙層海管，在模型中新建兩條管道，輸入相對應(yīng)參數(shù)，采用line contact單元模擬；采用line模擬A&R纜；基于PLET實(shí)際的幾何結(jié)構(gòu)以及流體動力學(xué)特性，其模型用6D Buoy模擬，掛鉤用3D Buoy模擬。具體參數(shù)計(jì)算模型單元類型及邊界條件選擇見表9。

表9 模型單元及邊界條件

PLET下放過程如圖7所示，其靜態(tài)分析結(jié)果見表10。

圖7 PLET下放過程

表10 PLET下放靜態(tài)分析結(jié)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

對于動態(tài)分析，環(huán)境組合工況下的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果這里不再列出，最終的校核結(jié)果如表11。

表11 PLET下放動態(tài)分析結(jié)果

（4）采用規(guī)則波理論進(jìn)行分析是相對保守的，對于PLET舷側(cè)下放，根據(jù)DNV-OS-F101的許用極限準(zhǔn)則，在給定的波浪工況組合矩陣條件下，校核結(jié)果滿足規(guī)范要求。

本文對帶雙層管的PLET舷側(cè)下放安裝分析開展可行性研究，將對后期實(shí)際海上施工起到指導(dǎo)作用，為今后與之相關(guān)的工程應(yīng)用提供一定理論基礎(chǔ)。實(shí)際工程安裝設(shè)計(jì)階段還需要進(jìn)行海管回收和海管疲勞分析，以及鋪管船位置、PLET角度等因素的敏感性研究，以此來確定對安裝施工的影響程度。

4 結(jié)論

（1）從分析結(jié)果可以看到，帶雙層海管的PLET總重量小于A&R纜許用張力值，因此可以直接采用A&R纜下放PLET的方案。

（2）對于PLET舷側(cè)安裝，最大張力和彎矩發(fā)生在起始階段，即PLET剛從舷側(cè)下放系統(tǒng)釋放以及飛濺區(qū)附近位置。

（3）PLET接近著泥點(diǎn)處時，為避免出現(xiàn)局部屈曲問題，建議此處安裝持續(xù)時間不要太長。