王友义（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

基于ABAQUS的S型铺管法应力分析

王友义
（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

目前海洋管道铺设数值模拟大多依赖于OFFPIPE专业铺管软件；提出了一种新的S型铺管法应力分析方法。该方法基于abaqus软件，完全摒弃了悬链线理论；通过控制管道落地端的水平位移改变管道形态，从而获得不同管道形态下的张紧力，找出管道铺设的正常形态，得到相应的铺管船允许张紧力。

海底管道；S型铺管法；有限元

目前海洋管道铺设数值模拟大多依赖于 OFFPIPE 专业铺管软件［1］；除了使用OFFPIPE软件，悬链线法也是一种较常用的方法，国内外也有很多学者采用该法对J型铺管做了较为全面的分析和计算［2］。如Gu［3］提出了用扩展的悬链线法模拟逼近型铺管的垂弯段，通过算例分析证明了该法的有效性和正确性，龚等［4］分别采用自然悬链线和刚悬链线理论分别计算了海底管道型铺设的形态，Croll［5］将修正的管道端部边界层理论和悬链线理论结合起来，改善了管道端部的计算精度。悬链线理论将管道假设为质量按长度均匀分布的梁，但实际中的管道铺设时质量分布并不是均匀的，从而影响了计算结果的精度。

本文提出了一种新的模拟方法，该方法完全摒弃了悬链线理论。铺管过程中，船和管道整体的运动可以简化为匀速运动，因此决定管道形态的主要因素不是铺管船的速度，而是铺管船施加给管道的张紧力，基于这种思想，在有限元模型中，通过改变管道落地端的位移控制铺管船张紧力，获得不同张紧力大小下的不同管道铺设形态，找出管道铺设的正常形态，得到相应的铺管船张紧力允许范围。

1　有限元模型

1.1几何模型

托管架模型参照了中国海洋石油工程股份有限公司的深水铺管船DPV7500，对 DPV7500的托管架设计而言，在深水铺设的情况下，其脱离角度达到82.2°，需要提供的曲率半径为73m，托管架应形成70°的圆弧。这里主要考虑的是管道的应力应变，因此在有限元模型中将托管架简化为钢性面，有限元模型如图1、2所示。

图1　管道有限元模型

1.2单元划分及材料参数

单元采用剖面为环形的二次梁单元，管道外径200mm，壁厚10mm。托管架和平面 A为刚性平面。管道长度为1 500m，划分为500个单元。

1.3分析步骤

初始状态时，管道平铺在平面A上。

（1）第一个分析步设置管道与托管架和平面 A 的接触属性，并将管道的 M 端、托管架固定。

图2　托管架模型

（2）第二个分析步给平面 A 施加-Z 方向的位移约束，使其下降到海底，下降深度为1 200m，并加载管道的湿重，该分析步完成后，有限元模型如图3所示。

图3　第三个分析步初始状态

（3）第三个分析步施加管道 N 端的水平位移约束，该约束通过 40 个小步加载，逐渐调整管道垂弯段的曲率。

整个分析过程没有考虑管道与海底间的摩擦，另一端的位移约束使管线产生了约束力，该约束力已经包含了摩擦力的效果。

2　结果分析

分析结果如图4～图7所示：可以看出，随着 N 端向+X方向移动，管道垂弯段的曲率变小，管道 M 端的张紧力变大；管道弯曲曲率变小，减少了管道截面的椭圆化程度，但是随着N端向+X 方向移动，管道开始逐渐脱离托管架，管道与托管架的接触面积逐渐减少；这使得管道的局部应力增大，有可能导致管道上端因为应力集中而失效。而且管道的轴向应力的大小也可能超过屈服应力的水平（为了方便计算，模型中对托管架做了平滑处理，没有反映局部应力的大小）。

图4　管道与托管架分离临界状态管道整体结构

图5　管道与托管架分离临界状态管道顶部结构

3　结论

管道的垂弯段的曲率是由铺管船张紧力控制的，因此铺管船张紧力应在一定的范围内，使管道截面的椭圆度符合要求，而管道又不会脱离托管架。

图3为管道最大弯曲曲率状态，此时的张紧力为最小张紧力，管道下端曲率小于上端曲率，符合管道曲率要求。图4、图5为管道脱离托管架的临界状态，此时的张紧力为最大允许张紧力。因此铺管船张紧力范围为364 624～476 816N。

图6　管道与托管架分离状态管道整体结构

图7　管道与托管架分离状态管道顶部结构

［1］ 海洋石油工程设计指南 编委会.海洋石油工程设计指南［M］.北京：石油工业出版社，2011：11-14.

［2］ 朱礼云.深水海底管道S型铺管法安装分析［D］.哈尔滨工程大学，2011.

［3］ Gu Yongning.Analysis of pipeline behaviors during laying operation［J］. China Ocean Engineering，1989.

［4］ 龚顺风，陈源，金伟良，等.深水海底管道型铺设形态分析［C］.//第十四届中国海洋工程学术讨论会论文集.内蒙古：2009.

［5］ Croll L A.Bending boundary layers in tensioned cables and rods［J］. Journal of Engineering for Industry，ASME，1967.

收稿日期：2016-05-12

作者简介： 王友义（1992—），男，湖北潜江人，硕士研究生在读，主要研究方向为工程力学和油气储运安全。

S-Lay Installation Analysis for Subsea Pipeline based on ABAQUS

Wang You-yi

Now，the numerical simulation of S-Lay Installation is mostly dependent on OFFPIPE.This paper proposes a new analysis method.Completely abandoned the catenary theory，the method is based on ABAQUS and gets different tension force from different pipe forms by changes the horizontal displacement on pipe fall to the ground.Then the good form of pipe is found and the tension force referring to is gotten.

subsea pipeline；S-lay pipe-laying；finite element method

TE973

A

1003-6490（2016）05-0035-02

2016-05-01

王强生（1979—），男，山西吕梁人，工程师，主要从事天气预报工作。