高　爽，孟祥伟，孙友义，刘巍巍，汤　珂，倪明晨，王　军，王法承

(1.北京高泰深海技术有限公司，北京 100029；2.海洋石油工程股份有限公司 安装公司，天津 300452；3.中海石油(中国)有限公司 北京研究中心，北京 100028)



专题研究

海洋石油201水下管汇在线安装极限能力评估

高爽1，孟祥伟2，孙友义3，刘巍巍1，汤珂1，倪明晨1，王军1，王法承1

(1.北京高泰深海技术有限公司，北京 100029；2.海洋石油工程股份有限公司 安装公司，天津 300452；3.中海石油(中国)有限公司 北京研究中心，北京 100028)

水下管汇在线安装是指将水下管汇、海底管道终端、三通等结构物在铺管船作业线上与管道连接，并随管道通过托管架安装到海底的过程。结合海洋石油201船特性，根据其几何限制、能力极限条件及管道强度要求等，针对水深、管径、结构物湿重及长度对海洋石油201船的水下管汇在线安装的极限能力进行评估，并形成极限能力包络线。采用OrcaFlex通用有限元软件，分析过程分为裸管分析、关键位置筛选分析、详细静态分析以及结果后处理。已知设计基础数据包括水深、管道外径和壁厚、水下管汇长度和湿重，通过查阅海洋石油201船的水下管汇在线安装能力包络线，对水下管汇的安装方案做出预判，为工程实践提供参考。

水下管汇；在线安装；铺管船；极限能力评估

海洋石油201船(以下简称HYSY201)是一艘深水动力定位双层甲板铺管起重船，作业水深可达3 000 m，满足DP2/DP3要求，船艉装有4 000 t主起重机，可铺设ø152.4～ø1 524 mm(6～60 in)管道，总体技术水平和作业能力在国际同类工程船舶中处于领先地位。

水下管汇安装方法可分为绞车安装法、月池安装法、滑轮安装法、悬垂安装法以及在线安装法等5种方法。其中，绞车安装法和在线安装法适用于HYSY201。对于尺寸较大以及质量较重的结构物适合采用绞车安装法，即通过吊机与绞车的联合作业对结构物实施安装；对于尺寸较小、质量较轻的结构物通常适合在线安装方法，即在铺管船作业线上将结构物与下放管道连接就位，并连同管道通过托管架铺设到海底[1-2]。

水下管汇的在线安装是一个复杂的力学问题，涉及结构物与管道、托管架、浮筒以及吊机等的相互作用。本文拟对HYSY201的水下管汇在线安装能力进行评估，并形成水下管汇在线安装能力包络线，可为工程项目实施提供指导。

1　分析流程与方法

HYSY201水下管汇在线安装能力的评估流程如图1所示，可分为4个阶段。

图1　海洋石油201船的水下管汇在线安装能力评估流程图

1)阶段一。裸管铺设能力分析[2-3]。根据设计基础数据，包括常用管道参数集ø152.4～ø1 524 mm(6～60 in)、水深参数集(300～3 000 m)与HYSY201相关技术参数。对裸管进行压溃分析及正常铺设分析，生成对应水深允许铺设的最大管径及相应最小壁厚的裸管能力参数集。

2)阶段二。水下管汇与管道关键位置筛选分析。根据阶段一筛选后的裸管能力集合及水下管汇参数集，建立管道与水下管汇耦合模型，通过准静态分析识别耦合模型在完整铺设过程中易发生破坏的关键位置。

3)阶段三。水下管汇与管道静态分析。采用与阶段二相同的裸管能力集合，将水下管汇放置在关键位置，对耦合模型进行静态分析，确定不同水深工况下允许水下管汇在线安装的能力参数集，即当水深、管道参数(外径和壁厚)已知，评估允许在线安装的水下管汇参数(长度和湿重)限值。

4)阶段四。结果后处理和生成能力包络线。对水下管汇与管道静态分析结果进行后处理，最终生成海洋石油201船的水下管汇在线安装能力包络线。

2　计算模型

通过OrcaFlex软件模拟水下管汇在线安装过程中水下管汇与管道、托管架、浮筒以及吊机等的相互作用，并进行相应力学分析。OrcaFlex分析模型如图2所示。在船体上，采用shape单元模拟支撑存放管道的甲板。通过win单元连接铺管船模拟张紧器的放管过程。管道和水下管汇通过托管架安装到海底，忽略托管架几何结构，采用support类型模拟辊轮，托管架半径为定值。当水下管汇在托管架上时，需要定义外加载荷来模拟吊机力；当水下管汇离开托管架时，被释放的浮筒用来抵消水下管汇重力并抑制管道旋转。浮筒和水下管汇采用6D buoy单元进行模拟。

水下管汇形式各异，为使评估过程具有广泛的指导意义，对数值模型采用如下的简化假设：

1)忽略水下管汇底部到管道底部的垂直偏移。

a　水下管汇处于托管架上(吊机力扶正)

b　水下管汇离开托管架(浮筒扶正)

2)假设管道接头与管道同径，抗弯刚度取为5×106kN·m2。

3)假设水下管汇中心线与管道轴线同轴。

管道结构采用line单元进行模拟，管道材料属性如表1所示，考虑材料的非线性。

表1　管道材料参数

水下管汇简化为长方体结构，仅考虑结构物的几何尺度及有效湿重。由于HYSY201托管架宽度方向的尺寸限制，结构物宽度取为1.5 m；高度取为3 m。结构物长度是影响在线安装的重要因素，由于结构物刚度远大于相连管道，与托管架半径作用会产生几何位移，使管道与结构物连接端产生较大的弯矩。结构物长度为4～12 m，湿重力为100～800 kN。

3　裸管铺设能力分析

为评估HYSY201水下管汇在线安装的极限能力，首先应对裸管铺设极限能力进行评估，即确定在不同水深(300 m～3 000 m)工况下，允许铺设管道的最大外径及对应最小壁厚。

1)裸管压溃分析。

根据DNV-OS-F101规范[5]，管道任意点处的外压应满足式(1)要求：

(1)

式中：pe为外部压力；pmin为最小内压；γm为材料抗力系数，取1.5；γsc为安全等级抗力系数，取1.04；pc(t1)为压溃压力特征值，取1.04。

2)裸管正常铺设分析。

基于DNV-OS-F101规范[5]的简化铺设标准进行裸管正常铺设分析。对于上弯段需满足表2中X65钢标准I要求，即应变结果(包含弯曲应变、轴向应变以及局部辊轮载荷引起的应变)小于0.250%。

表2　简化铺设标准(上弯段)

下弯段及托管架尖端处管道应力需满足式(2)的要求，即小于390 MPa。

σeq<0.87·fy

(2)

式中：fy为钢材的屈服强度。

通过上述两步分析确定不同水深工况下，允许铺设裸管的最大外径及对应最小壁厚的能力集合如表3所示。

表3　裸管筛选能力参数集

4　水下管汇与管道关键位置筛选分析

通过准静态分析，对水下管汇与管道关键位置进行筛选。首先在计算模型中赋予船舶行进速度，近似模拟真实铺管工况，并记录整个铺设过程中管道易发生破坏的关键位置。其中，上弯段管道主要受托管架弯曲变形的几何位移控制，对于承受纵向压应变(包括弯矩和轴力引起的应变)和外压的上弯段管道任意横截面需满足DNV-OS-F101规范[5]位移控制工况DCC(Displacement controlled condition)要求，即DCC校核值≤1.0；下弯段管道主要承受弯矩、有效轴向力和外压荷载属于荷载控制情况，下弯段管道任意横截面应满足DNV-OS-F101规范[5]载荷控制工况LCC(Load controlled condition)要求，即LCC校核值≤1.0。因此，关键位置记录即为对DCC校核值和LCC校核值出现峰值位置的识别。

1)上弯段关键位置。

不同水深工况下上弯段管道准静态分析DCC校核值结果如图3所示。从图中可以看出，水下管汇每经过一个辊轮位置，将产生一个峰值；对于每一水深工况，水下管汇经过每个辊轮处形成的峰值相近。由于托管架半径为定值，理想情况下，经过托管架半径的弯曲应变为定值。因此上弯段处关键位置取在托管架弧度中点辊轮处。

图3　上弯段DCC校核值-时间曲线

2)下弯段关键位置。

图4所示为1 000 m水深工况下下弯段管道准静态分析LCC校核值结果。从图中可以看出，下弯段关键位置出现在距离泥面约1 m处。其他水深工况均可得到相同的结论。

图4　下弯段LCC校核值-水深曲线(1 000 m水深工况)

5　水下管汇与管道静态分析

基于准静态分析识别出的两处关键位置，采用与阶段二相同的裸管能力集合，将水下管汇放置在关键位置，对耦合模型进行静态分析，确定不同水深工况下允许水下管汇在线安装的能力参数集。

以水深1 000 m，托管架半径125 m，管道外径558.8 mm(22 in)、壁厚24 mm的工况为例。表4为水下管汇长度为4 m时，对应水下管汇湿重100～800 kN的敏感性结果。由于吊机和浮筒的辅助作用，计算结果对水下管汇的湿重并不敏感，其他水下管汇长度工况可以得到相同结论。表5为水下管汇湿重为100 kN，对应水下管汇长度4～12 m的结果。由于水下管汇刚度远大于相连接管道刚度，当水下管汇长度方向与托管架弧度接触会在水下管汇两端产生位移差，并导致管道应变增大，水下管汇长度越长，管道应变增大越显著，当水下管汇长度达到6 m时，558.8 mm(22 in)管道DCC校核值将达到1.0。

表4　水下管汇湿重敏感性分析结果

表5　水下管汇长度敏感性分析结果

6　结果后处理和生成能力包络线

水深-管径-水下管汇长度极限能力参照表6，其中“×”表示此参数组合工况不适合在线安装；“√”表示此参数组合工况适合在线安装。理论上，水下管汇湿重在100～800 kN，已知水深、管道外径，水下管汇长度满足表6要求，水下管汇均可以安全的在线安装。

表6　水深-管径-水下管汇长度极限能力参考值

海洋石油201船水下管汇在线安装能力包络线如图5所示。粗实线为裸管能力包络曲线，粗实包络线上以及以下各点(水深，管道外径)，表示该工况下裸管可以安全铺设；细标记线为不同水深，管径-水下管汇长度能力包络曲线，细标记包络线上及以下各点(管道外径，水下管汇长度)，表示该工况下水下管汇可以安全在线安装。

图5　海洋石油201船的水下管汇在线安装能力包络线

以500 m水深，558.8 mm(22英寸)管径，水下管汇长度8 m为案例说明能力包络线的使用方法。首先，根据水深、管径参考图6判断裸管的安装能力，数据点(500 m，558.8 mm)在粗包络线下部阴影区域，判定500 m水深，558.8 mm(22英寸)管径裸管可以铺设；第2步，根据水深、管径、水下管汇长度参考图7判断水下管汇在线安装能力，数据点(558.8 mm，8 m)在500 m水深包络线以下阴影部分，判定500 m水深、558.8 mm(22英寸)管径、水下管汇长度8 m的情况下，水下管汇可以在线安装。

图6　裸管能力判断

图7　水下管汇与管道在线安装能力判断

7　结论

结合海洋石油201船特性，通过多参数敏感性分析对海洋石油201船的水下管汇在线安装能力进行了评估，形成了多参数能力参照表及包络线。对于已知设计基础数据，包括水深、管道外径和壁厚、水下管汇长度和湿重的情况下，可以查阅海洋石油201船水下管汇在线安装能力包络线，对水下管汇的安装方案做出预判，从而在工程项目初始阶段起到指导作用。

[1]叶茂，段梦兰，徐凤琼，等.S-lay型和J-Lay型铺管船的功能扩展研究[J].石油矿场机械，2014，43(2)：7-14.

[2]李刚，尹汉军，姜瑛，等.基于S-Lay的水下在线管汇安装方法[J].船海工程，2014，43(2)：131-134.

[3]龚顺风，何勇，周俊，等.深水海底管道S型铺设参数敏感性分析[J].海洋工程，2009，27(4)：87-95.

[4]党学博，龚顺风，金伟良，等.深水海底管道极限承载能力分析[J].浙江大学学报(工学版)，2010，44(4)：778-782.

[5]Offshore Standard DNV-OS-F101[S].Norway：Det Norske Veritas，2010.

HYSY 201 Work Capacity Assessments on In-Line Manifold Installation

GAO Shuang1，MENG Xiangwei2，SUN Youyi3，LIU Weiwei1，TANG Ke1，NI Mingchen1，WANG Jun1，WANG Facheng1

(1.COTEC，Beijing 100029，China；2.Install Company，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China；3.CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China)

In-line manifold installation means that manifold，PLET or in-line Tee is connected to pipeline on the fireline and then installed by stinger to seabed.Combined with characteristics of HYSY 201，within its geometry limitation，capacity limitation and strength capacity of pipeline，capacity assessment on in-line manifold installation is carried out，and then capacity envelope curve is generated about water depth，diameter of pipeline，wet weight and length of in-line manifold，provided reference for engineering practice.OrcaFlex software is adopted.Analysis procedure includes pure pipeline analysis，critical position screening analysis，detailed static analysis and results post process.Based on given design basic data including water depth，diameter and wall thickness of pipeline，wet weight and length of in-line manifold，by referring to capacity envelope curve，the installation schemes of subsea manifold can be estimated.

subsea manifold；in-line installation；pipe-laying barge；capacity assessment

1001-3482(2016)05-0001-07

2015-11-03

工业信息化部海洋工程装备科研项目“水下生产系统设计及关键设备研发”(E-0813C003)

高爽(1984-)，女，吉林长春人，硕士研究生，2010年毕业于中国石油大学(华东)结构工程专业，主要从事海洋工程海管结构研究与设计工作，E-mail：sgao@cotecinc.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.001