浮筒轉塔式系泊系統中的動態管纜數值分析

陳金龍+湯明剛+閻軍+盧青針+岳前進

摘要： 借助有限元法，結合非線性時域分析，對浮筒轉塔式系泊（Buoyant Turret Mooring， BTM）系統與FPSO脫離前后分別采取不同的分析策略，解決其柔性立管、動態臍帶纜和動態電纜（合稱動態管纜）的設計分析工作量大以及所面臨的高度非線性和強耦合等難題.以我國南海某BTM系統的動態管纜的分析為例，借助專業立管分析軟件Orcaflex展示該類系統的數值建模和分析技術，并通過極值和疲勞的分析與評價闡述此類工程設計的技術特點.

關鍵詞： 柔性立管； 臍帶纜； 單點系泊系統； 非線性時域分析； 耦合分析

中圖分類號： TE53；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： As to the tremendous workload and highly nonlinear and strong coupling issues in the calculation and analysis on the flexible risers， dynamic umbilical cables and dynamic electric cables（collectively called the dynamic pipe/cable）of Buoyant Turret Mooring（BTM） system， by finite element method combined with nonlinear time domain analysis， some different strategies are separately taken before or after the mooring system detached from FPSO. Taking the dynamic pipe/cable analysis of a BTM system in South China Sea as an example， the professional riser analysis software Orcaflex is used to show the modeling and analysis techniques on this system， and the characteristics of the technique of such kind of project design are elaborated by the analysis and estimate on extreme value and fatigue.

Key words： flexible riser； umbilical cable； single point mooring system； nonlinear time domain analysis； coupling analysis

0引言

目前用于我國南海油氣田開發的FPSO常采用浮筒轉塔式系泊（Buoyant Turret Mooring，BTM）系統定位，其基本理念是當風浪達到一定危險程度時，FPSO可與BTM系統脫離，脫離后通過一個浮筒支持系泊系統與水下管纜懸浮在水下一定位置.這種系統下的柔性立管、動態臍帶纜和動態電纜（以下合稱為動態管纜）往往采用緩S型設計，采用中水浮拱（Middle Water Arch， MWA）支撐管纜中段，見圖1.

水下管纜的整體分析包括靜力分析和動力分析.從整體結構上看，這類細長結構的幾何大變形/大轉角問題十分突出，早期將懸鏈線理論與數值迭代方法相結合解決上述難題.[1]管纜截面螺旋纏繞的多層結構不僅使其彎曲剛度遠小于軸向剛度，而且因為層間摩擦的作用，其具備顯著的非線性特性.[23]同時，也需考慮動態管纜與彎曲保護裝置、浮力裝置之間的接觸摩擦.因此，非線性時域方法是解決上述問題的主要方法.國外開發如Orcaflex，Flexcom和Riflex等專業海洋立管分析軟件，均具備非線性時域分析能力.在API和DNV等海洋管纜相關的行業規范中，對非線性時域分析也有明確要求.[45]

由于分析工況多、計算量大、設計周期長，動態管纜的設計一直是工程界的難題.[6]對BTM這類可脫離的單點系統的分析，不僅工況更多，而且還面臨著管纜與BTM系統動力學耦合的難題.因而，動態管纜的設計對分析軟件和分析技術均有較高的要求.本文對BTM系統下的管纜分析原理和分析技術進行簡要闡述，并以我國南海某淺水油氣田BTM系統下的動態管纜為實例，應用Orcaflex軟件進行建模和時域分析，介紹工程設計所關注的極值和疲勞分析，為此類系統的柔性管纜數值分析提供較為完整的分析流程和技術思路.

1基本原理和方法

適用于上述系統設計的數值仿真程序應具備以下能力：能夠對波浪、流以及浮體響應進行模擬；具有適合的管纜單元模擬非線性行為；能夠采用時域法對管纜進行動力分析；能夠進行BTM與FPSO脫離后的管纜系泊浮筒的全耦合動力學分析.

1.1管纜單元

動態管纜等柔性結構動力學分析的單元應具備以下基本的能力.

（1）能夠分別設置拉伸、彎曲和扭轉剛度（線性與非線性剛度）等，可賦予外徑、質量和阻尼等信息.

（2）能夠允許在載荷作用下發生大變形/大轉角等非線性行為.

（3）能夠模擬管纜之間，管纜與中水浮拱、頂部彎曲保護裝置及海床間的接觸和摩擦.

由于動態管纜截面極為復雜，難以通過整體動態分析直接獲得管纜截面的應力分布，所以整體分析軟件中的管纜單元只需要包含質量、剛度和阻尼等特性，能夠快速獲得管纜的載荷和變形以用于局部分析即可，可極大地提高分析效率.例如Orcaflex的線單元見圖2.

4結論

BTM中動態管纜的數值分析既具備一般的動態管纜的分析特點，即管纜存在大變形/大轉角和非線性剛度等問題，又有其自身的特點，如脫離后存在顯著的耦合效應等問題.這導致分析困難且計算量大.本文通過對這類系統的分析得出以下結論：

（1）海洋柔性立管、動態纜的數值仿真非線性問題突出、結構應力復雜.整體動態分析往往需要大規模時域計算，此時忽略截面應力，建立反映整體力學行為的單元，是一種簡單且高效的辦法.

（2）對BTM系統與FPSO脫離前后的動態分析，應采用不同的分析策略.連接工況可采用解耦的分析策略以大幅提升計算效率，脫離后應采用耦合的分析策略以符合動力學原理.

（3）由于分析工況多且計算數據量大，此類分析既需要很好的簡化建模，又需要便捷的結果后處理程序，以滿足工程中極值與疲勞分析的要求.

我國水下管纜設計研究剛剛起步，尚無自主的專業的設計分析軟件.本文在研究動態管纜分析技術的同時也能為此類軟件自主開發提供一定借鑒.

參考文獻：

[1]PATEL M H， SEYED F B. Review of flexible riser modelling and analysis techniques[J]. Eng Structures， 1995， 17（4）： 293304.

[2]WITZ J A， TAN Z. On the flexural structural behaviour of flexible pipes， umbilicals and marine cables[J]. Mar Struct， 1992， 5（2/3）： 229249.

[3]盧青針， 肖能， 閻軍. 鋼管臍帶纜彎曲剛度有限元分析[J]. 計算機輔助工程， 2011， 20（2）： 3235.

[4]APIRP17BRecommended practice for flexible pipe[S].

[5]DNVRPF201Dynamic risers[S].

[6]RAFAEL L T， de ARRUDA M C， de MORAES T F C， et al. Parametric analysis of lazywave steel riser[C]//Proc 18th Int Conf Mech Eng. Ouro， 2005.

[7]DNVRPF205Global performance analysis of deepwater floating structures[S].

[8]YE W， SHANKS J， FANG J. Effects of fully coupled and quasistatic semisubmersible vessel motions on steel catenary risers wave loading fatigue[C]//Proc Offshore Technol Conf， OTC15105. Houston， 2003.

[9]石山， 冉志煌， 漆春茂. 海洋工程深水開發浮式系統的耦合計算方法[J]. 中國造船， 2005， 46（4）： 4751.

[10]BAI Yong， BAI Qiang. Subsea pipelines and risers[M]. 2nd. Amsterdam： Elsevier， 2005： 490491.

[11]STEINKJER O， SODAHL N， GRYTOYR G. Methodology for time domain fatigue life assessment of riser and umbilicals[C]//Proc 2010 29th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng， OMAE 201020119. Shanghai， 2010.

（1）海洋柔性立管、動態纜的數值仿真非線性問題突出、結構應力復雜.整體動態分析往往需要大規模時域計算，此時忽略截面應力，建立反映整體力學行為的單元，是一種簡單且高效的辦法.

（2）對BTM系統與FPSO脫離前后的動態分析，應采用不同的分析策略.連接工況可采用解耦的分析策略以大幅提升計算效率，脫離后應采用耦合的分析策略以符合動力學原理.

（3）由于分析工況多且計算數據量大，此類分析既需要很好的簡化建模，又需要便捷的結果后處理程序，以滿足工程中極值與疲勞分析的要求.

我國水下管纜設計研究剛剛起步，尚無自主的專業的設計分析軟件.本文在研究動態管纜分析技術的同時也能為此類軟件自主開發提供一定借鑒.

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（1）海洋柔性立管、動態纜的數值仿真非線性問題突出、結構應力復雜.整體動態分析往往需要大規模時域計算，此時忽略截面應力，建立反映整體力學行為的單元，是一種簡單且高效的辦法.

（2）對BTM系統與FPSO脫離前后的動態分析，應采用不同的分析策略.連接工況可采用解耦的分析策略以大幅提升計算效率，脫離后應采用耦合的分析策略以符合動力學原理.

（3）由于分析工況多且計算數據量大，此類分析既需要很好的簡化建模，又需要便捷的結果后處理程序，以滿足工程中極值與疲勞分析的要求.

我國水下管纜設計研究剛剛起步，尚無自主的專業的設計分析軟件.本文在研究動態管纜分析技術的同時也能為此類軟件自主開發提供一定借鑒.

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