2024年4月28日发(作者：)

第

27

卷第

4

期

2009

年

11

月

文章编号

:1005

2

9865

(

2009

)

04

2

0087

2

09

　　

海洋工程

THEOCEANENGINEERING

Vol.27No.4

Nov.2009

深水海底管道

S

型铺设参数敏感性分析

龚顺风

1

,

何　勇

1

,

周　俊

1

,

金伟良

1

,

李志刚

2

,

赵冬岩

2

,

何　宁

2

(

1.

浙江大学结构工程研究所

,

浙江杭州　

310058;2.

海洋石油工程股份有限公司

,

天津　

300452

)

摘　要

:

以深水海底管道

S

型铺管法为研究对象

,

运用悬链线理论建立管道的静平衡微分方程

,

通过理论分析给出了迭代求解

管道整体形态的数值计算方法

,

并开发相应的计算分析程序

,

分析了不同参数对张紧器张力和管道极限铺设水深的影响。结

果表明

,

随着管道铺设水深、管径和壁厚、混凝土配重层厚度的增加

,

所需张紧器张力明显增大

;

当托管架底部倾角较大时

,

控

制应变越大管道所需张力越小

;

当托管架底部倾角较小时

,

管道初始倾角越大、托管架半径越小管道所需张力越小。此外

,

管

道的浮重度、托管架长度和半径、张紧器张拉能力、管道初始倾角对极限铺设水深有着重要的影响。

关键词

:

海底管道

;S

型铺管法

;

悬链线理论

;

托管架

;

极限铺设水深

中图分类号

:TE973.1

　　　文献标识码

:A

ParametersensitivityanalysisofS

2

laytechniquefordeepwatersubmarinepipeline

GONGShun

2

feng

1

,HEYong

1

,ZHOUJun

1

,JINWei

2

liang

1

,LIZhi

2

gang

2

,ZHAODong

2

yan

2

,HENing

2

(

uteofStructuralEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;reOilEngineeringCo.,LTD.,Tianjin

300452,China

)

Abstract:Dwingtothesevereoceanenvironmentconditioninthedeepsea,thesubmarinepipelinesinevitablyneedsustainthecombinedac

2

tionofhighexternalhydrostaticpressure,axialtensionandbendingmomentduringlayingoperation,thereforeitssafetyhasbecomeanimpor

2

paperthespecialstudiesarefocusedonthedeepwaterS

2

ffenedcatenarytheoryisapplied

toestablishthestaticequilibriumgoverningdifferentialequationofapipeelement,andthesolutionequationsoftotalconfigurationofthe

pipelinefromalay

2

fterthenumericaliterationmethodforsolvingpipeline

configurationisintroducedindetails,andthecorrespondingprogramsaredevelopedtocarryouttheanalysisofeffectsofvariousparameterson

thetensionoftensionerinlay

2

ultsshowthatasthelayingwaterdepth,diameterandthickness

ofpipe,thicknessofconcreteweightedcoatinglayerincrease,thelargertensionshouldbeappliedonthepipelinebythetensioner;whenthe

inclinedangleatthelowerendofstingerisratherlarge,thelargercontrolstrainmayreducethetension;whentheinclinedangleatthelower

endofstingerisrelativelysmall,largeinitialpipelayition,

thesubmergedweightofpipe,lengthandradiusofstinger,tensioncapacityoftensionerandinitialpipelayinganglehaveanimportanteffect

onultimatelayingwaterdepth.

Keywords:submarinepipeline;S

2

laytechnique;catenarytheory;stinger;ultimatelayingwaterdepth

近年来随着我国经济的快速发展

,

能源的需求量也迅速增加

,

目前我国陆上原油的可开采量逐年减少

,

已有油田的稳产工作难度也越来越大

,

同时海洋已探明油气资源十分丰富

,

其中绝大部分集中在南海深水海

收稿日期

:2008

2

09

2

23

基金项目

:

国家高技术研究发展计划

(

863

计划

)

资助项目

(

2006AA09A105

)

作者简介

:

龚顺风

(

1975-

)

,

男

,

浙江义乌人

,

副教授

,

博士

,

从事深水海底管道铺设施工工艺和计算分析技术的研究。

Email:sfgong@zju.

通讯作者

:

何　勇

,

男

,

讲师。

Email:heyong-ise@

88

海　　洋　　工　　程第

27

卷

域

,

因此油气资源开采向海洋尤其是南海深水进军成了必然趋势。虽然我国已拥有丰富的浅海海底管道铺

设技术和工程经验

,

但国内深水海底管道铺设技术方面的研究才刚刚起步

,

许多工作有待进一步深入开展

,

进行这方面的研究工作无疑对我国未来能源战略的成功实施具有重要的意义。由于深水海洋环境条件较为

复杂

,

管道在施工铺设过程中不仅受到巨大的静水压力

,

同时也受到轴向拉力和弯曲的作用

,

其安全性受到

很大挑战

[1]

。因此

,

开展深水海底管道

S

型铺设的参数敏感性分析

,

可以为深水海底管道设计和安装铺设提

供理论基础。

为了研究深水海底管道

S

型铺设的形态及其相关影响参数

,Dixon

等人

[2-3]

对原有的自然悬链线理论加

以改进

,

引入了刚悬链线理论进行管道铺设形态的分析

,

并尝试用数值方法迭代求解。顾永宁

[4]

将只适用于

垂弯段的刚悬链线方法扩展到包括拱弯段在内的

S

型管道铺设的全部管长。

Claus

等人

[5-6]

研究了铺设过

程中管道、托管架和铺管船之间的相互作用

,

并为托管架的优化设计提供了依据。为了探讨管道铺设形态的

变化规律

,Guarracino

[7]

尝试用解析方法计算管道形态

,

但其可靠性和准确性受到质疑。对于受到众多因素

影响的深水海底管道

S

型铺设技术

,

比较系统全面的参数敏感性分析显得尤为重要。

以水深适应性较强的

S

型铺管法为研究对象

,

运用悬链线理论建立了管道的静平衡微分方程

,

用数值方

法对方程进行求解

,

并结合中间段和托管架部分由双重迭代确定管道升离点和反弯点的位置进而求得管道

的整体铺设形态

,

最后以管道铺设形态为基础计算出管道所需施加的张紧器张力、管道极限铺设水深和管道

各点的弯矩与轴力。在理论分析的基础上应用数值方法开发了相应的计算分析程序

,

对影响张紧器张力和

管道极限铺设水深的各参数进行了敏感性分析

,

得到了不同初始参数下张紧器张力和管道极限铺设水深的

变化规律

[8]

。这在目前国内外已发表的学术文献中没有见到

,

与当前国际上管道受力分析软件如

Offpipe

、

OrcaFlex

等又有所不同

,

而且本研究工作是在实际工程的基础上进行

,

体现了实际深水管道铺设工程设计和

施工的需求。图

1

为

S

型铺管法的铺设形态图

,

自上而下分为三部分

,

分别是托管架部分、升离点和反弯点

之间的中间段和反弯点至海床部分。

图

1

　

S

型铺管法示意

Fig.1

　

PipeconfigurationforS

2

laytechnique

1

　理论分析和程序开发

1.1

　悬链线理论

悬链线法是一种用来确定

S

型铺管法反弯点以下部分形态的计算方法

,

可分为自然悬链线法和刚悬链

线法。自然悬链线法忽略了管道的弯曲刚度

,

利用管单元的平衡微分方程求出反弯点以下的解析解

,

然后通

过迭代得到管道的形态

,

它一般只适用于计算深海的管道铺设。刚悬链线法考虑了管道的弯曲刚度

,

其计算

精度较高但计算过程比较复杂

,

由于无法直接求解平衡微分方程而需要对一系列表达式进行迭代求解并使

之收敛

,

所以它无法计算出反弯点以下管道形态的解析解而只能求出一系列参数

,

然后利用这些参数迭代解

出管道的近似形态。由于刚悬链线法的计算结果对深海和浅海都具有较好的精度

,

所以本研究工作以刚悬

链线法为基础。

首先建立管单元的静平衡微分方程

,

图

2

为反弯点以下管道的示意图

,

设管道与海床的接触点为原点

第

4

期龚顺风

,

等

:

深水海底管道

S

型铺设参数敏感性分析

89

O,

管道任意点至海床的距离为

s,

分别沿水平和竖直方向建立

x

和

y

轴

,

在反弯点以下任意处点取管单元

,

管单元中

H

表示管道张力的水平分量

,V

表示管道张力的竖向分量

,W

为管道的浮重度

,

也就是单位管长在

水中的重量

,M

为作用在管道上的弯矩。

图

2

　管单元的受力平衡

Fig.2

　

Forceequilibriumdiagramofapipeelement

由管单元的力矩平衡可列出平衡微分方程为

[9]

H

sin

θ

d

s+M-V

cos

θ

d

s-

(

M+

d

M

)

-W

(

d

s

)

2

cos

θ

/

2

=

0

　　忽略高阶项并对式

(

1

)

进行无量纲化

,

得到无量纲化的平衡微分方程为

d

2

θ

v

α

θθ

v

-z

sin

v

=

0

2

+h

cos

d

z

2

(

1

)

(

2

)

2

θ

式中

:

α

=

EI/

(

WL

3

b

)

为无量纲化刚度

,

L

b

为反弯点以下管道的长度

,

v

为管单元相对竖直方向的倾角

,

z

为

管单元的无量纲化弧坐标

,

h

=

H/WL

b

为无量纲化水平分力。

式

(

2

)

求解考虑了管道抗弯刚度的影响

,

变得较为复杂

,

无法直接求出

h

和

L

b

,

需要通过数值方法对式

(

2

)

进行迭代求解

,Plunket

提出了用渐进展开式来近似求解刚悬链线平衡微分方程的方法

,

得到如下三个关

系式

[2]

21

/

4

(

h

2

+