宋环峰，徐彻，林强，常野，郭建志

(1.中国船舶科学研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011)



深水S型铺管作业参数敏感性分析

宋环峰1,2，徐彻1,2，林强1,2，常野1,2，郭建志2

(1.中国船舶科学研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011)

基于集中质量法原理，考虑海床、离散型托管架和海流等边界条件，忽略阻尼、摩擦和扭转，分析水深、管径、壁厚、托管架半径和长度等参数变化对S型铺设管线力学性能影响的一般规律，为深水S型铺设作业设计提供参考。

敏感性分析；S型铺管；集中质量法；离散托管架

海底管线作为最经济的油气运输方式之一，其铺设需求量越来越多[1]。S型铺管方法是目前海底管道铺设最常用的方法，在管线铺设作业时，由于管线受到的载荷非线性、边界条件非线性，以及管线本身材料的非线性，难以求解。为了更精确地求解管线受力，不少学者建立理论模型来解决该问题。常用的理论模型有悬链线理论、弹性细长杆理论、非线性梁理论，以及集中质量法理论；或者根据管线受力及变形特点，将其中几种模型结合使用[2-4]。集中质量法有数学模型简单、运算速度快、易求解、易收敛等特点，能很好地模拟波浪、海流、海床及托管架等边界条件对管线铺设作业的影响。铺设作业时，由于管线受到的载荷复杂多变，各参数影响铺设的方式有所不同，需要分析系统对环境参数和铺设参数的变化的影响，以便在设计和实际作业过程中及时调整施工参数，以保证管线安全。本文基于集中质量法原理，考虑海床、离散型托管架和海流等边界条件，忽略阻尼、摩擦和扭转，对深水S型铺设作业管线进行敏感性参数分析，分析水深、管径、壁厚、托管架半径和长度等参数对深水S型铺设的影响。

1 数学模型及数值方法

规定水面的z向坐标值为0，竖直向上为正，张紧器x向坐标值为0，建立笛卡尔坐标系，见图1。

图1 坐标系

根据集中质量法理论，将管线用一组无质量弹簧和集中质量点模拟，对于每个单元的轴向拉力及弯矩分别用拉伸弹簧和弯矩弹簧模拟，将管线单元的质量均匀分布到节点上，节点的位移向量用y1,y2,y3表示，见图2。

图2 单元示意

假设未变形前的管线是直的，管线受力平衡方程为[5-6]

(1)

式中：T和P分别为轴向和弯矩弹簧的力；W为管线所受重力(在海里为湿重，离开海水为干重)；Fsb为海床接触力；Fs为托管架接触力；FD为流体阻尼力。

管线单元的轴向拉力和弯曲剪力可分别写为

(2)

(3)

海底接触力为

(4)

托管架接触力为

流体力为[7-8]

(6)

2 算例

以某深水S型铺管船为例，张紧器距水面高度9m，托管架滚轴数量为13个，托管架滚轴半径0.262m，托管架刚度15 000kN/m，保证计算中每个滚轴都与管线接触，其他计算参数见表1，海流方向与铺管方向相同。

表1 计算参数

2.1 水深

水深取800，1 000，1 200，1 400 m，管线长度为2 200 m，管线以及铺管船其他参数不变，计算结果见图3～5。

图3 管线形态

图4 弯矩沿弧长分布图

图5 有效张力沿弧长分布图

由图3～5可以看出，随着水深的增加，管线分离角越来越小，但是由于水深关系，触地点反而远离铺管船。管线弯矩随水深变化不明显，触底点附近，管线弯矩随水深增加而减小。这是因为由于管线在托管架上的形态基本是一致的，这就导致了虽然水深在变化，但是管线在托管架上弯矩几乎不变。虽然触底点处，水深增加管线形态变陡，但是由于水深关系，弯矩反而降低。由于随着水深增加，悬垂段管线长度明显增加，所以管线的张力也越来越大，所以随着水深的增加管线的张力尤其是张紧器的张力变化剧烈，在设计的时候需要主要考虑不同水深对张紧器带来的影响。

2.2 管径

管线的管径的变化会影响流体对管线的作用力，以及管线自身的刚度和自重。分别选取管径为22、24、26和28 in，壁厚取1.5 in，具体结果见图6～8。

图6 管线形态

图7 托弯矩沿弧长的分布

图8 有效张力沿弧长的分布

由图6可见，随着管径的增加，管线形态变化不大。图7中，托管架段的弯矩变化较大，这是由于管线壁厚一定时，弯曲刚度随着管径变大而变大。图8中有效张力随着管径增加降低，这是因为虽然管径增加管线空气中重量增加，且受到的流体力增加，但管线水中重量却呈减小趋势，在流速较小时，管线有效张力随着管径的增加而减小。

可见壁厚一定时，随着管径的增加，托管架段弯矩值迅速上升，设计中需要考虑管径增大时，托管架段的管线应力是否在规范要求范围内。

2.3 壁厚

管线壁厚的变化直接影响管线自身的刚度和自重。选取管线壁厚1.00、1.25、1.50、1.75 in，管径取22 in，结果见图9～11。

图9 管线形态

图10 弯矩沿弧长的分布

图11 有效张力沿弧长的分布

由图9可见，随着壁厚的增加，管线形态变化不大。由图10可见，托管架段的弯矩随着壁厚增加而增大。这是由于管径一定时，弯曲刚度随着壁厚变大而变大。图11中，由于管径一定，壁厚越大，管线重量越大，故有效张力随着壁厚增加而增大。

因此，随着管径的增加，管线的张力明显变大，在设计的时候需要主要考虑壁厚变化对张紧器带来的影响。

2.4 托管架半径

托管架半径的变化会直接改变托管架段管线形态和管线的分离角，从而影响托管架段管线的弯矩以及应力和应变以及悬垂段管线的管线的长度和张力，以及触底点的弯矩值。仍选用离散型托管架作研究对象，托管架长度为120 m，托管架曲率半径分别取100，110，120和130 m，其他参数不变。

管线形态随托管架半径的变化见图12。随着托管架半径增加，管线与托管架分离的分离角增大，悬垂段的管线长度增加，相应的，悬垂段管线增长，触地点位置远离铺管船。

图12 管线形态

由图13，托管架半径增加，在托管架上的管线弯矩随之减小，触地点区域，管线弯矩逐渐减小。由于悬垂段长度增加，管线的张力随着托管曲率半径的增加而增加，具体见图14。

图13 弯矩沿弧长的分布

图14 有效张力沿弧长的分布

总的来说，托管架曲率半径增加，会减小管线在托管架和触地点的弯矩，从而减小管线的应力和应变，但是会增加管线的张力。所以在铺设作业中，应在确保张紧器张力安全时，选取较大的托管架，减小铺设过程中管线的应力。

2.5 托管架长度

确定托管架长度时，需要综合考虑需铺设的管线参数、海况条件及船舶稳性等因素。托管架长度的变化会改变托管架段与管线的分离角，从而影响悬垂段管线的管线的长度、张力以及触底点的弯矩值。托管架半径取110 m，托管架长度分别取110、120、130和140 m。其他参数不变。

由图15～17可见，当托管架长度增加，管线与托管架的分离角减小，所以管线形态变陡，触地点位置向铺管船靠近，悬垂段管线长度减小，因此有效张力也随之减小。因为托管架半径为定值，所以在托管架段管线弯矩值变化较小，由于管线越来越陡，所以触底点管线的弯矩呈增大趋势，但是幅度有限。所以托管架长度的变化对管线弯矩和应力影响较小。

图15 管线形态

图16 弯矩沿弧长的分布

图17 有效张力沿弧长的分布

所以托管架长度主要影响的是管线的张力，而对管线的弯矩和应力影响较小，故设计过程中，应在确保张紧器张力安全时，尽可能增加托管架的长度，以减小张紧器提供的张力要求。但是托管架长度变化会影响船舶的稳性，需要综合考虑。

3 结论

1)水深、托管架长度对管线有效张力是高敏感参数，但对管线弯矩影响较小，所以铺管船设计时，铺设水深和托管架长度减小都会导致管线有效张力尤其是张紧器张力迅速增加，需考虑这些参数变化对张紧器的影响，以防张紧器张力不足而引发危险。

2)其他参数一定时，管线张力和弯矩对管径、壁厚变化均敏感，这主要是影响管线自身的刚度和自重变化引起的。

3)托管架半径对弯矩和有效张力均是敏感性参数，半径增大时，管线弯矩明显变小，有效张力显著增大，故铺设作业时需权衡考虑，在张紧器能力不够时，需减小铺设半径，减小张紧器所需提供的张力，在能保证张紧器张紧能力的情况下，尽可能选择大的铺设半径，以减小管线应力。

[1] 宋儒鑫.深水开发中的海底管道和海洋立管[J].船舶工业技术经济信息，2003(6):31-42.

[2] DIXON D A, RUTLEDGE D R. Stiffened catenary calculations in pipeline laying problem[J]. Journal of engineering for industry, ASME,1968,90(2):153-160

[3] BERNITSAS M M, VLAHOPOULOS, N. The three dimensional nonlinear statics of pipelaying using condensation in an incremental finite element algorithm[J]. Computers & Structure,1990,35:195-214.

[4] 康庄，张立，张翔.链线和大变形梁理论的J型铺设研究[J].哈尔滨工程大学学报，2015，36(9)：1170-1176.

[5] 宋环峰，艾尚茂，杜新光，等.深水S型铺管作业托管架多参数优化[J].中国造船，2015，56：142-150.

[6] 聂武，孙丽萍.船舶计算结构力学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

[7] 史政，严仁军，陈晓飞，等.海洋铺管力学模型的改进及有限元求解[J].船海工程，2009，38(6)：95-98.

[8] 缪国平.挠性部件力学导论[M].上海交通大学出版社，1996.

Sensitivity Analysis of S-lay Method for Deepwater Pipeline

SONG huan-feng1,2, XU Che1,2, LIN Qiang1,2, CHANG Ye1,2, GUO Jian-zhi2

(1.China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China;2.Shanghai Oriental Marine Engineering Technology Co.,Ltd., Shanghai 200011, China)

The sensitivity of parameters of S-lay was analyzed based on lumped mass method, considering seabed, discrete stinger and current boundary conditions, neglecting damping, friction and torsion. The influence of water depth, pipe diameter, wall thickness, radius and length of the stinger on the mechanical properties of pipeline was analyzed, which provides a reference for the design of S-lay installation in deepwater.

sensitivity analysis; S-lay method; lumped mass method; discrete stinger

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.040

2016-10-14

江苏省自然科学基金(BK20130109)

宋环峰(1989—)，男，硕士，工程师

研究方向：海洋油气及矿产资源开发技术

P754

A

1671-7953(2017)04-0173-05

修回日期：2016-11-03