基于OFFPIPE的海底管道S型鋪設計算機輔助優化設計技術

白 寧，趙冬巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

基于OFFPIPE的海底管道S型鋪設計算機輔助優化設計技術

白 寧，趙冬巖

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

OFFPIPE是海底管道鋪設設計中廣泛使用的功能強大的鋪管分析軟件，但是，該軟件也存在對托管架建模不夠精確、手動操作過程較繁瑣以及輸出結果難于被數據處理軟件讀取等缺點。文章論述了采用Delphi開發了一套針對OFFPIPE的輔助優化設計軟件，具有對托管架精細建模、OFFPIPE外部程序自動控制、OFFPIPE輸出文件讀取等技術特點，使繁瑣的人工設計調整過程完全自動化。該軟件大大提高了OFFPIPE的使用便捷性和效率，在海底管道鋪設設計領域有很高的應用價值。

海底管道鋪設；OFFPIPE軟件；Delphi軟件；優化設計

0 引言

OFFPIPE是一款基于有限元方法的用于海底管道鋪設分析的專業軟件，由于其功能強大，運算迅速，在海底管道鋪設設計工作中得到了廣泛的應用。OFFPIPE在海底管道鋪設設計中一般用于計算管道的應力應變狀態，工程師可根據計算結果不斷調整作業線形態，以得到最佳的施工參數。這是目前國內最常用的海底管道鋪設設計方法。這種傳統的設計方法原理簡單，容易操作，因此得到了廣泛的應用，但是由于OFFPIPE本身的限制，這種方法也存在一定的局限性。在國內，關于海底管道鋪設設計方面的工作主要集中在鋪管應力應變分析領域[1-5]，與本文類似的關于設計輔助優化方面的工作介紹還未見到。

（1）OFFPIPE提供了若干種作業線建模方法，但是功能都比較簡單粗略，最精確的一種建模方法也僅僅是要求用戶直接輸入各個滾輪支撐點的精確坐標。但是要根據某條鋪管船得到一組可用的滾輪支撐坐標值是一件非常費時費力的工作，一般的步驟是，采用CAD軟件來建立鋪管船和托管架的模型，然后手動調整托管架角度和支撐滾輪高度等參數，使所有滾輪都能接觸到管道，這時作業線的配置參數以及相應的滾輪支撐坐標就能夠用于實際施工。應該注意到，這種方法至少有兩個明顯的局限性。第一，在淺水作業中，托管架通常只有一段或兩段，這種較簡單的結構使得通過手動調節方式得到可用參數成為可能。但是在深水作業中，托管架的結構要復雜得多，通常會由三段甚至四段組成，這時傳統的手動調節方式就會失效，得到可用參數非常困難。第二，對于淺水管道鋪設，管道的應力水平一般遠遠低于管道鋼材的屈服應力。由于對于絕大多數可用參數，相應的管道應力水平都遠遠在屈服應力以下，完全可以用于施工，因此就沒有必要保證作業線的參數配置最優化。而在深水鋪管作業中，管道的應力水平較接近屈服應力，這時保證作業線的形狀最優化就變得非常重要。但是上述的傳統手動調節方法無法實現這一點。

（2）OFFPIPE是用FORTRAN語言開發的基于DOS系統的程序，已經有20多年歷史，只能用鍵盤進行操作，參數必須手動輸入，輸出的圖表無法保存，數據文件格式也比較復雜，很難被數據處理軟件讀取。而在設計工作中，往往需要對各項參數進行多次調整，OFFPIPE的這些特點使得設計人員只能重復地手動調整輸入參數，再人工觀察輸出文件中的計算結果，如此反復直到得出可用的設計結果為止。這種簡單勞動的重復進行會浪費大量的人工，而且意義不大，完全可以利用計算機自動完成。

針對OFFPIPE的上述局限性，本文用Delphi開發了一套針對OFFPIPE的輔助優化設計軟件，該軟件能夠根據輸入的管道彎曲半徑自動計算得到可用的作業線形狀配置參數和滾輪坐標，并可以自動生成OFFPIPE的輸入文件，控制OFFPIPE進行自動計算，還能夠過濾掉其輸出文件中的多余信息，對運算結果進行分析并用圖表顯示。只要用戶設定好求解最優化配置參數的范圍，該軟件就能夠自動選擇出最佳的作業線形狀。在某種意義上，這套軟件代替了工程師的大部分重復性設計工作。下面就給出該軟件的主要編制流程。

1 軟件主要原理和流程

1.1 作業線滾輪坐標計算技術

為了得到準確的支撐滾輪坐標，必須建立精細的作業線模型，包括船上的張緊器及其之后的作業線部分。

管道、管道支撐以及有限元模型的坐標都是在如圖1所示的坐標系中定義的。在這個坐標系中，X軸是水平的，位于靜止的水面上。X軸與管道鋪設的方向平行，并且位于管道鋪設路徑的正上方，X軸的正向指向管道鋪設的方向。

Y軸是豎直的，并且垂直于水面。Y軸指向正上方，在水面處其坐標為零，在水面上其坐標為正，水面下為負。整條鋪設中的管道都位于X-Y平面內。

船尾板與水面的交點被定義為原點。在本文中，整個問題都是在X-Y平面這個二維系統內進行分析的。

為了精確描述托管架的結構，考慮到計算的方便，需要在每段托管架上建立局部坐標系，這里以托管架段的最左端支撐滾輪柱與上懸桿中線的交點為原點，X坐標軸與上懸桿中線平行，Y軸與上懸桿垂直向上。如圖2所示。

對于某條特定的鋪管船和托管架，使用表1中所列的參數，就能精確地建立整條作業線模型。

一般來說，托管架是由若干段構成的，段與段之間通過鉸接相連。鉸接點有可能位于托管架上懸桿，也可能位于下懸桿，圖3和圖4分別顯示了鉸接點位于上懸桿和下懸桿的兩種托管架段類型。在本文描述的方法中，鉸接點可以位于任何位置，位于上懸桿和下懸桿在算法上都沒有任何區別，甚至位于上下懸桿中間也可以。這種特點使本文的方法可以建立任何形狀的托管架模型。

從支撐滾輪柱的根部到管道的距離由兩部分構成，即滾輪高度和滾輪附加高度。圖5是典型的滾輪箱3D視圖，圖6顯示了這兩個參數的定義，滾輪高度是上懸桿中線到滾輪支撐旋轉軸的位置，而附加高度則是從旋轉軸到管道的距離。實際上，有可能是如圖中所示的由兩個滾輪箱構成一組滾輪支撐，也可能僅由一個滾輪箱構成一組滾輪支撐。只要知道滾輪箱的設計尺寸、管道的外徑以及管道的半徑，即可根據簡單的幾何公式求出滾輪高度和附加高度，在這里不再贅述。

表1 建立作業線模型的必需參數

在S型鋪管施工中，托管架上管道的理想形態就是標準圓弧，因此在本文描述的計算方法中，把該圓弧的半徑作為一個輸入參數，計算的目的就是要讓滾輪支撐都能貼合這個理想圓弧。計算滾輪支撐坐標的主要思路是：首先根據各個滾輪支撐的滾輪高度范圍計算出允許的管道圓弧所處的位置范圍，然后在這其中選擇一個最佳的圓弧位置以及最佳的托管架形態，最后根據此圓弧通過幾何方法計算出滾輪支撐坐標。

在計算過程中，最后需要確定托管架與管道圓弧的相對位置，而只要托管架段之間的鉸接點與圓弧的距離確定了，托管架與管道圓弧的相對位置也就確定了。于是在下面的計算過程中，托管架段之間的鉸接點，包括托管架與船之間的鉸接點與圓弧的距離是最核心的求解對象。

在這里需要定義兩個主要的子程序，命名為CalculateHitchRangeFromBarge和Calculate StingerInitialORange。第一個子程序CalculateHitch RangeFromBarge的功能為：依次根據船上每個支撐滾輪的高度范圍計算出一組允許的管道圓弧水平切點的位置范圍，將所有的位置范圍疊加后得到最終切點位置范圍，進而計算出托管架與船的鉸接點與管道的允許距離范圍，為下一步計算做準備。其具體計算流程見圖7。

第二個子程序CalculateStingerInitialORange的功能為：根據每個托管架上的滾輪高度范圍，計算出每段托管架的兩端鉸接點與管道圓弧的允許距離范圍，為最終選擇最優化參數做準備。具體計算流程是：首先根據托管架與船的鉸接點與管道的距離范圍計算出第一段托管架左端鉸接點與管道的距離范圍，這個鉸接點實際上就是第二段托管架的右端鉸接點；然后按照相同的方法順次計算出所有托管架段的左端鉸接點的距離范圍。對于一段托管架來說，根據右端鉸接點與管道的距離范圍計算左端的范圍與從左端計算右端得到的結果并不相同，因此在計算完所有鉸接點與管道的距離范圍后，還需要按照相反的程序，從左端向右端再計算一遍，這次計算的結果與第一次計算的結果疊加即可得到每個鉸接點與管道的真正允許距離范圍。該子程序的流程見圖8。

這兩個子程序都定義完成后，就可以通過引用這兩個子程序完成所有滾輪支撐坐標的計算。經過這兩個子程序的計算，就可以在其中選擇管道水平切點最偏右的位置作為最優化的管道圓弧位置，因為這可以使托管架末端處的管道角度盡可能大，有利于改善管道的應力分布情況。然后，可以依次為每個鉸接點選擇最偏下的位置作為最優化位置，這樣可以使末端滾輪與管道的接觸點盡可能偏下，同樣有利于降低管道的應力水平。最后，就可以根據幾何公式很容易地計算出所有滾輪支撐的坐標，同時還能計算出托管架的形態，甚至包括決定托管架之間角度的連接桿的長度以及每個滾輪的高度。整個計算程序的流程見圖9。

經過上述計算過程，就可以得到對應于某個管道彎曲半徑的一組支撐滾輪坐標，然后需要將這些坐標數據寫入OFFPIPE的輸入文件，供下一步使用。此處不存在需要說明的技術問題，不再贅述。

1.2 OFFPIPE外部控制技術

OFFPIPE只能用鍵盤進行操作，為了使程序自動完成OFFPIPE的運行過程，必須開發出利用外部程序自動控制OFFPIPE的方法。控制程序采用Delphi開發工具編寫并經過測試，最大化、最小化、顯示窗口、關閉窗口等窗口操作可以采用postmessage函數實現，向OFFPIPE輸入鍵盤字符可以使用全局鍵盤函數keybd_event實現。打開OFFPIPE后，實現OFFPIPE運行的主要命令行和說明如下：

上述程序為打開OFFPIPE之后的初始化程序，功能是尋找到OFFPIPE窗口并將其還原。接下來就需要按照上一節的方法計算出可用的滾輪坐標，并按照下面的程序用OFFPIPE計算。當然，根據預先設定的范圍，需要計算多個管道彎曲半徑對應的結果，于是下面的程序也將重復運行若干次。

1.3 OFFPIPE輸出文件過濾技術

OFFIPIPE的輸出文件格式比較復雜，包括了輸入數據反饋以及分頁表頭等內容，導致輸出文件無法被常用的數據處理軟件讀取制圖。而OFFPIPE生成的圖表也無法保存，只能在屏幕上觀看。這就要求必須開發過濾掉輸出文件中的干擾數據的技術。

過濾輸出文件主要由兩個步驟組成。第一步，OFFPIPE中字符數大于130的行只有計算結果及其相關的表頭，于是只需要檢查每一行的字符數，如果不足130就予以刪除，就能過濾掉除計算結果和表頭之外的數據了。第二步是過濾掉表頭，表頭行中開始的幾個字符只可能是 “====”、“NODE”、 “NO.”以及 “ ”中的一種，于是只要把起始字符為這些的行刪除掉就可以過濾掉表頭了。完成這兩個步驟以后，就可以讀取數據了，OFFPIPE輸出數據的特點是每個數據都帶有小數點，因此在某一行中，就可以通過程序查找小數點，然后向前向后擴展至發現空格，就可以讀取該數據了，順次循環進行就可以讀取該行中所有的數據。過濾OFFPIPE輸出文件主要流程如圖10所示。

1.4 優化設計計算流程

根據上面幾節提供的方法，就可以得到整個計算機輔助優化設計的流程，見圖11。

首先用坐標計算技術建立作業線模型，由用戶確定需要計算的管道彎曲半徑范圍和間隔步長，然后計算出對應于第一個管道彎曲半徑的一組可用坐標，并寫入自動生成的OFFPIPE輸入文件中。第二步，用程序控制OFFPIPE自動完成運算。最后用OFFPIPE輸出文件過濾技術讀取數據并進行分析，選擇出管道應力應變的最大值。以上步驟循環進行，直到計算完所有的管道彎曲半徑為止，最終在這些計算結果中挑選出最優者即可。

2 結論

本文介紹了一套利用計算程序對傳統的用于海底管道鋪設設計的OFFPIPE軟件進行優化的方法。該方法包括生成作業線精細模型，自動計算可用滾輪坐標，外部程序控制OFFPIPE自動完成計算，過濾OFFPIPE輸出文件并進行分析，自動選擇最優化作業線配置等技術。這套方法立足于傳統設計方法，原理簡單，實現容易，可以大大減輕海底管道鋪設設計人員的工作負擔，并能有效改善設計質量，具有一定的實際應用價值。

[1]郭艷林，梁政.海底管道鋪設施工設計分析[J].石油學報，1999，20（4）：83-87.

[2]戴英杰，宋甲宗，馮剛.海底管道收棄管作業分析[J].海洋工程，2000，18（3）：75-78.

[3]曹曉輝，柳春圖，邢靜忠.海底管道鋪設的力學分析[J].力學與實踐，2002，24（4）：19-21.

[4]龔順風，何勇，周俊，等.深水海底管道S型鋪設參數敏感性分析[J].海洋工程，2009，27（4）：87-95.

[5]孫成贊，王允.OFFPIPE軟件在海底管道鋪設中的應用[J].石油工程建設，2005，（5）：49-52.

BAI Ning（School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）,ZHAO Dong-yan

Computer Aided Optimization Technology Based on OFFPIPE for Offshore Pipeline S-Lay Design

Software OFFPIPE is a powerful FEM based computer program which has been widely used in offshore pipelaying design.However,several disadvantages still exist in this software,for example,stinger modeling is not precise enough,output files are difficult to read by data-processing software and manual operations are tedious and numerous.This paper develops the design optimization software with software Delphi to provide aid to OFFPIPE,which possesses some new functions,such as precise stinger modeling,OFFPIPE automatically controled by external software and automatic OFFPIPE output file reading.Thus,the whole design procedure can be automatically completed with the aid of this software.By the method described in this paper,the application convenience and efficiency of OFFPIPE increase greatly,which has a significant value in offshore pipelaying design area.

offshore pipelaying;software OFFPIPE;software Delphi;design optimization

TE973.1

A

1001－2206（2011）03－0014－07

白 寧 （1980-），男，河北滄州人，工程師，2008年獲天津大學博士學位，現為海洋石油工程股份有限公司在站博士后，主要從事海底管道鋪設過程中管道力學行為分析研究工作。

2010-07-26