鐘文軍 何 寧 王 輝 楊 偉 李少杰 康 莊

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 哈爾濱工程大學船舶工程學院 黑龍江哈爾濱 150001)

J型鋪設是一種利用鋪設塔將管線以接近垂直的形態(tài)下放至海底的鋪設方式，具有懸掛長度小、管線張力小的優(yōu)點，對于超深水管線鋪設具有天然的適用性[1-3]，并可以通過調整鋪設塔的工作角度改善管線觸底點區(qū)域的彎曲應力，以適應鋪設水深變化[4]。

很多學者對J型鋪設過程中管線的受力分析進行了相關研究。Lenci 等[5]基于懸鏈線理論提出3種考慮海床剛度的靜態(tài)計算模型并進行對比驗證，分析了鋪設角和水深對管線上張力與應力的影響；康莊 等[6]基于懸鏈線理論和大變形梁理論建立了一種分段力學模型，對深水剛懸鏈立管J型鋪設過程進行靜態(tài)分析；Senthil 等[7]采用軟件OrcaFlex進行鋪設過程中管線的時域動態(tài)分析；張榕恬 等[8]利用軟件Moses建立了船體-托管架-管線的全耦合動力定位模型，分析海底管線J型鋪設過程中的影響因素；周帥 等[9]運用軟件OrcaFlex建立了包含船體、張緊器、管線、絞車的鋪設系統(tǒng)模型，進行靜態(tài)和動態(tài)鋪設過程分析。這些研究多以管線鋪設到海底后的力學影響因素為研究對象，而管線由水面下放至海底過程的分析卻較少涉及。通常情況下，管線J型鋪設速度為1～1.5 km/d，而超深水管線的J型鋪設由于從水面下放至海底過程經歷的時間較長，因而分析這一過程管線應力狀態(tài)及影響因素十分必要。

目前，我國擬建造一座半潛式J型鋪管平臺，可在3 000 m水深進行φ609.6 mm管線的鋪設。本文以該鋪管平臺為研究對象，采用軟件OrcaFlex建立包含鋪管船、鋪設塔上垂向滾輪、托管架的有限元模型，在靜態(tài)和動態(tài)條件下研究管線由水面下放鋪設至海底過程中，鋪設角、流向角和船舶運動對管線受力的影響。

1 鋪管模型建立

以我國擬建造的半潛式J型鋪管平臺為目標船，研究鋪設塔工作角度和船體運動對管線下放過程中力學性能的影響。該船長180 m，型深48 m，型寬98 m，在滿載鋪管工況下吃水24 m。目標船上鋪設塔及設備的布置見圖1a。鋪設塔高94.5 m，可滿足1×6節(jié)點(73.2 m)管段的下放鋪設，工作角度65°～90°。由于管段長度大，為了防止平臺運動引起的管段與鋪設塔之間的碰撞，在鋪設塔上布置4個垂向滾輪以控制管段的橫向運動。鋪設塔底部布置1個小型托管架，托管架與鋪設塔工作角度一致，用于輔助鋪設塔調整管線入水角[10]。托管架總長22 m，在距離甲板12.5 m和17.5 m處布置2個導向卡環(huán)以支撐管線。

利用軟件OrcaFlex建立包括鋪管平臺、鋪設塔、垂向滾輪、托管架和管線的鋪設系統(tǒng)模型(圖1b)。其中，鋪管平臺水動力參數由軟件ANSYS AQWA的計算結果導入。為了保證計算結果準確性，設定管線與鋪設塔、托管架接觸段單元長度1 m，觸底點附近單元長度5 m，其余部分的單元長度10 m。管線頂端與船體設置為剛性連接。鋪設管線和海洋環(huán)境相關參數見表1。

圖1 管線J型鋪設計算模型Fig .1 Computational model of pipeline lowering by J-Lay

表1 管線和海洋環(huán)境參數Table 1 Key parameters of pipeline and marine environment

2 靜態(tài)條件下管線應力影響分析

管線鋪設至海底的過程可分為2個階段：管線下放至海底階段，即管線由水面逐漸下放至其底端與海床接觸，無躺底段；管線鋪設至海床階段，即隨管線下放長度增加鋪管船向前移動，出現躺底段。進行管線下放至海底階段的分析時，在管線底端放置質量為10 t重物，以減小流載荷作用下管線的漂移距離。

2.1 下放至海底階段

管線鋪設總長度設定為3 800 m，分別研究管線下放500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 m時，鋪設角、流向角對管線彎曲應力、最大von Mises應力的影響。當管線下放2 000 m時，不同流向角管線最大彎曲應力和最大 von Mises應力隨鋪設角的變化如圖2a、b所示；當流向角為180°時，不同管線下放長度管線最大彎曲應力和最大von Mises隨鋪設角變化如圖2c、d所示。

圖2 鋪設角和流向角對不同長度管線最大彎曲應力和最大von Mises應力影響Fig .2 Influence of laying angle and flow direction on maximum bending stress and von Mises stress of different length pipeline

由圖2a、b可知，在相同鋪設角下，管線最大彎曲應力和最大von Mises應力隨流向角的增加而迅速減小；在相同的流向角下，管線最大彎曲應力和最大von Mises應力隨鋪設角的增加而降低。這是由于相同的海流拖曳力與托管架傾斜方向使管線在托管架處的彎曲應力減小，并且鋪設角與管線自然懸掛角相近時，減小了管線在托管架處的彎曲應力。當流向角為180°時，隨著鋪設角增大，管線最大彎曲應力和最大von Mises應力出現了明顯的先減小后增加趨勢，說明鋪設時存在最佳鋪設角。由圖2c、d可知，在迎流鋪設時，管線最大彎曲應力和最大 von Mises應力的極值隨下放長度變化趨勢相似，均為先減小后增大，意味著存在最佳鋪設角，且最佳鋪設角隨管線下放長度的增加而增大。這是因為管線自重隨其長度的增加而增大，此時管線在流體作用下產生的頂部偏移角有所減小。因此，鋪設塔工作角度應隨管線下放長度的增加而及時調整，以減小管線上彎曲應力。

分析管線長度為2 000 m、鋪設角87°、流向角180°時管線彎曲應力和最大von Mises應力沿長度的分布(圖3)。可以看出，彎曲應力的變化較為復雜，但總體趨勢為管線在托管架底端出現最大彎曲應力；最大von Mises應力先減小后增加，這是由于有效張力沿管線減小，海水壓力沿管線增加導致的。

圖3 管線下放2 000 m時彎曲應力和最大 von Mises應力沿管線長度的分布Fig .3 Distribution of bending stress and max von Mises stress along pipeline at length of 2 000 m

2.2 鋪設至海床階段

當管線鋪設至海床后，管線底端與海床鉸接，頂端有效張力最大，觸底點區(qū)域彎曲應力和最大von Mises應力出現極值[11-12]。因此在分析觸底點區(qū)域應力變化時，可取觸底點上方10 m處(水深2 990 m)的應力來表示觸底點區(qū)域應力響應[13-14]，結果見圖4。

由圖4可知，當管線鋪設至海床時，管線頂部有效張力隨鋪設角的增加而減小，觸底點區(qū)域彎曲應力和最大von Mises應力增加。這是由于鋪設角的增加意味著管線越來越接近以垂直狀態(tài)入水，管線懸跨段長度減小則觸底點附近曲率增加。當鋪設角超過84°后，觸底點區(qū)域的彎曲應力迅速增加，因此鋪設角不應超過84°，避免因鋪設塔工作角度設置誤差而導致的管線觸底點區(qū)域應力大幅增加。

圖4 管線鋪設至海床時鋪設角對管線受力的影響Fig .4 Influence of laying angle on pipeline stress at laid to the seabed

分析迎流狀態(tài)下，鋪設管線長度3 800 m、鋪設角84°時，管線的彎曲應力、最大von Mises應力及管線垂向位置沿管線的變化(圖5)?？梢钥闯?，管線上彎曲應力和最大von Mises應力隨其入水深度的增加逐漸增大，并在觸底點區(qū)域到達最大值。

圖5 管線J型鋪設至海床階段應力和垂向位置沿管線的變化Fig .5 Stress and vertical position along the pipeline at pipeline laying by J-Lay to seabed stage

根據靜態(tài)分析的結果可知，采用J型鋪設進行管線鋪設時，鋪設角的選擇對管線應力影響較大。因此在管線下放鋪設過程中，應不斷調整鋪設塔的工作角度以保證管線的順利鋪設。流向角180°時的鋪設塔最佳工作角度、管線上最大彎曲應力和最大von Mises應力如表2所示。根據標準API RP 2RD—2006可知，管線最大von Mises應力和彎曲應力均小于許用應力，滿足鋪設強度要求。

表2 管線J型鋪設下放過程最佳鋪設角時的管線應力Table 2 Stress on pipeline at suitable laying degree of J-Lay lowering process

3 動態(tài)條件下管線應力影響分析

在時域動態(tài)條件下，研究船舶垂蕩、縱蕩、橫搖和縱搖運動對管線J型鋪設有效張力和彎曲應力的影響，管線下放至海底階段和鋪設至海床階段的各參數從表2中選取。設定動態(tài)分析的時間步長為0.1 s，模擬時長為1 200 s。利用軟件ANSYS AQWA在頻域下計算目標船的運動響應函數，并將計算結果導入軟件OrcaFlex中，得到鋪管平臺運動時歷曲線(圖6)。

圖6 J型鋪管平臺運動時歷曲線Fig .6 Motion time history curve of J-Lay platform

3.1 下放至海底階段

由靜態(tài)分析結果可知，在管線下放至海底的過程中，管線與托管架接觸處的彎曲應力最大。因此在進行管線由水面下放至海底階段的動態(tài)分析時，設定管線下放長度2 000 m，鋪設角 87°，流向角180°，研究垂蕩、縱蕩、橫搖、縱搖4種船舶運動對此處彎曲應力和頂部有效張力的影響，結果如圖7所示。

由圖7a可以看出，鋪管船垂蕩對于頂部有效張力影響較大，而縱蕩幾乎沒有影響。這是由于鋪管船的縱蕩只能帶動小范圍的管線運動，因此不會引起管線頂部張力的較大變化。由圖7b、c可以看出，船體運動對管線在托管架處彎曲應力影響較大。這是由于在鋪設塔和托管架的作用下，托管架以上的管線會與鋪管船運動一致，而托管架以下的管線在流體拖曳作用下發(fā)生運動延時，托管架處管線曲率的增大導致該處彎曲應力隨鋪管船運動產生較大的波動。由圖7d可知，在時歷計算過程中，船體橫搖和縱搖對托管架處管線彎曲應力有較大影響，管線其他位置彎曲應力變化不明顯。

圖7 船體運動對管線下放至海底階段受力影響Fig .7 Influence of ship motion on the stress of pipeline in the stage of lowering to sea bottom

3.2 鋪設至海床階段

當管線鋪設至海底出現觸底段后，管線彎曲應力在觸底點區(qū)域最大。由于鋪管船橫搖和縱搖運動對遠離托管架處管線的彎曲應力影響較小，因此在進行管線鋪設至海床階段的動態(tài)分析時，設定管線長度3 800 m，鋪設角84°，流向角180°，研究船舶垂蕩和縱蕩對管線頂端有效張力和觸底點上10 m處彎曲應力的影響，結果如圖8所示。

圖8 船體運動對管線鋪設至海床階段受力影響Fig .8 Influence of ship motion on stress of pipeline laying to seabed

由圖8可知，在管線鋪設至海床階段，鋪管船垂蕩引起的管線頂端有效張力和彎曲應力均產生較大波動，且波動時歷與船運動時歷相似，而鋪管船縱蕩對管線頂端有效張力和彎曲應力的影響較小。這是由于鋪管船垂蕩會帶動管線隨之運動，管線自重使其頂端張力產生較大波動，管線鋪設形態(tài)的變化引起觸底點區(qū)域彎曲應力的變化。鋪管船的縱蕩幅值相比水深而言較小，因而無法對管線應力產生較大的影響。因此，當管線鋪設至海床后，應重點監(jiān)測船舶的垂蕩運動。

4 結論

1) 管線J型鋪設的靜態(tài)分析表明，鋪設角和流向角對管線受力有較大的影響。在海流拖曳力作用下，管線在托管架接觸處產生較大彎曲應力，應盡量選擇在迎浪時進行鋪設。管線J型鋪設中存在最佳管線鋪設角，因此隨著管線下放長度的增加，應通過調整鋪設角的方式改善管線受力情況。

2) 管線J型鋪設的動態(tài)分析表明，下放至海底階段，鋪管船垂蕩引起管線頂端張力產生較大波動，垂蕩、縱蕩、橫搖和縱搖引起托管架處彎曲應力產生較大波動；鋪設至海床后，船舶垂蕩會導致管線頂端張力和觸底點區(qū)域彎曲應力產生較大的波動，波動時歷與船舶運動時歷相近，在鋪設時應監(jiān)測鋪管船垂蕩，防止管線頂端張力出現較大波動。