柔性管道甩彎鋪設分析

高 超, 陳曉東, 孫 錕, 張西偉, 黃金濤

(深圳海油工程水下技術有限公司,深圳 518000)

0 引 言

作為海洋油氣資源開發的主要方式之一，柔性管道得到了廣泛應用。柔性管道是一種金屬材料和聚合物材料共同組成的復合材料結構，具有可設計性、易彎曲、易鋪設、可回收，更適應海洋環境等優點[1-2]。目前，柔性管道已逐漸應用于中國南海油氣田開發項目。

柔性管道的海上安裝作業是實現油氣田工程建設的重要一環。目前常見的安裝方式有水平鋪設(horizontal lay)和垂直鋪設(vertical lay)兩種。從安裝資源的角度來看，兩種方式的區別主要體現在水平鋪設采用下水橋(chute)，柔性管道從船舷或船尾入水，形成S形；而垂直鋪設采用垂直鋪設系統(vertical lay system， VLS)從月池或船舷下水，形成J形[3]。

在柔性管道的鋪設過程中，主要的失效載荷工況包括管道擠壓、張力過大、彎曲半徑過小及管道受到較大的軸向壓力。在水平鋪設時，柔性管道與下水橋的接觸載荷與其頂部張力和下水橋半徑有關，頂部張力越大，接觸載荷越大；下水橋半徑越大，接觸載荷越小，較大的接觸載荷會導致柔性管道的擠壓失效[4-5]。由于下水橋尺寸設計受安裝限制，而水深是影響柔性管道頂部張力的主要因素，因此水平鋪設更適用于淺水的柔性管道安裝作業。柔性管道鋪設過程中另外一個重要的限制條件是其對最小彎曲半徑(minimum bend radius， MBR)和軸向擠壓力的要求，通常柔性管道在未通過張緊器前，MBR可按靜態存儲半徑要求，而通過張緊器后，則要按動態安裝最小彎曲半徑要求。較大的軸向擠壓力可導致柔性管道局部屈曲或者出現“鳥籠”的現象，軸向擠壓力與船舶運動相關[6-7]。此外，柔性管道的濕重對于其鋪設穩定性非常重要，增加濕重能改善柔性管道鋪設的穩定性，但是同時也會增大頂部張力[8-9]。

柔性管道鋪設的路由，通常存在弧形甩彎的設計。常見的甩彎鋪設有以下幾種情況：

(1) 柔性管道本身存在海底走向改變的情況，因此在變向位置會設計成弧形的路由，即路由彎。

(2) 柔性管道在出廠時的完工長度往往比設計長度長，因此在鋪設過程中會設計弧形彎來消耗多余的長度，即消耗彎。

(3) 如果存在柔性管道通過護管，抽拉上平臺的情況，則施工時會提前將柔性管道末端甩彎鋪設至靠近平臺的海底，再通過平臺絞車和安裝作業船配合將弧形的管段抽拉進護管。

(4) 柔性管道設計長度本身會預留一定余量，鋪設時以弧形的方式實現，若將來管道運營時發生管體損壞，可以通過切除損壞段，利用預留段進行補充和維修。

目前針對柔性管道甩彎鋪設的設計分析相對較少。甩彎作業施工流程復雜、柔性管道鋪設精度難以控制，且對海況的依賴程度高。本文首先基于DNV GL-RP-F109規范和懸鏈線方程給出影響柔性管道甩彎鋪設的主要參數及推薦移船的一般做法，然后結合工程實例，利用有限元分析軟件OrcaFlex模擬柔性管道甩彎鋪設動態過程，通過對比研究柔性管道的歸一化曲率及甩彎鋪設允許最大有義波高，得到甩彎鋪設的水平控制距離取值范圍，最后在給出設計水平控制距離取值情況下，得到作業船舶的移船方案。

1 甩彎鋪設作業原理及參數研究

柔性管道經過作業船舶儲存裝置、張緊器和下水橋入水，通過船舶向前移動，柔性管道依靠自身重力和張緊力鋪設至海床上。若船舶在移動過程中同時發生轉向運動，則柔性管道在海床上會形成弧形路由。

根據DNV GL-RP-F109規范[10]，當柔性管道以一定的甩彎半徑鋪設時，其觸泥點(touch down point， TDP)處最大水平張力值如式(1)所示.

H≤Rc(μωs+FR)

(1)

式中：H為柔性管道觸泥點水平張力(kN)；

Rc為柔性管道甩彎設計半徑(m)；

μ為摩擦系數；

ωs為柔性管道單位長度濕重(kN/m)；

FR為被動土壓力(kN)。

柔性管道鋪設過程中，還未發生明顯下沉現象，土壤對其未產生側向壓力，因此式(1)可忽略被動土壓力的影響，簡寫為

H≤Rcμωs

(2)

按照設計路由進行柔性管道甩彎鋪設時，其觸泥點的水平張力不能超過式(2)的限制，否則柔性管道將會發生側向滑移，不能按照設計弧形路由準確就位。

根據懸鏈線方程[11]，在靜力作用下，柔性管道觸泥點水平張力即頂部張力的水平分量，如圖1所示，即

H=Tsinα

(3)

ωsl=Tcosα

(4)

式中：T為柔性管道頂部張力(kN)；

l為柔性管道懸鏈線長度(m)；

α為柔性管道頂部分離角(°)；

h為水深(m)。

Layback為柔性管道頂部分離點到觸泥點水平控制距離(m)。

圖1 柔性管道靜力分析Fig.1 Static catenary sketch of flexible pipe

由式(3)和式(4)可得柔性管道觸泥點水平張力：

H=ωsl·tanα

(5)

在確定油田區域鋪設柔性管道，即水深一定、柔性管道參數一定時，柔性管道的懸鏈線長度和頂部分離角只與鋪設水平控制距離相關，因此柔性管道在觸泥點的水平張力隨著水平控制距離的變化而變化。在實際柔性管道鋪設時，監測其在觸泥點處的水平張力值較難實現，因此通過有效控制水平控制距離的大小來控制水平張力的大小，從而保證柔性管道能夠按照設計甩彎半徑順利安裝。

柔性管道鋪設的水平控制距離不能設計得過小，因為這有可能導致柔性管道在觸泥點位置彎曲半徑小于柔性管道設計的安裝最小彎曲半徑，從而導致柔性管道發生局部屈曲破壞，因此式(2)可修正為

Hmin(MBR)≤H(Layback)≤Rcμωs

(6)

柔性管道甩彎鋪設確定合適的水平控制距離后，另一個重要的考量是在海上施工時，要設計合理的安裝船舶移船方向和位移，保證每一步施工滿足設計的要求，從而保證柔性管道按照設計甩彎路由準確就位。

圖2給出了柔性管道在船尾水平鋪設和船側水平鋪設時，船舶移船路由和角度變化的基本示意。作業船舶移船和轉向設計的基本思路：

(1) 將柔性管道甩彎弧形路由平均分解成n段圓弧，一般在海上施工，以5°～10°圓心角對應圓弧平分即可。

(2) 柔性管道鋪設方向，即下水橋方向與圓弧切線重合，分離點到觸泥點的距離保持在設計的水平控制距離值。

(3) 每次船舶轉向的角度等于對應圓弧的圓心角，而移船距離等于兩次轉向間的距離。

(4) 移船、轉向及柔性管道下放保持同步，保證水平控制距離值時刻處于設計的范圍。

圖2 柔性管道甩彎鋪設移船一般做法Fig.2 Vessel movement general method for flexible pipe curved laying

如圖3所示，作業船舶移船時，其原點移動軌跡為圓弧形，設柔性管道在下水橋分離點到船舶原點的水平距離為d。柔性管道在船尾水平鋪設時，船舶原點運動圓弧的半徑Rvessel由式(7)確定。柔性管道船側水平鋪設時，其在入水橋分離點的運動圓弧半徑由式(8)確定，分離點運動半徑Rchute、分離點到船舶原點水平距離d和船舶原點運動圓弧的半徑Rvessel組成三角形，由余弦定理可知式(9)，可以確定船側鋪設時船舶原點運動圓弧的半徑Rvessel。同時作業船舶每一次移船的水平移動距離ΔS，以Rvessel為半徑，每次轉向角度θ為圓形角的割線長度，由余弦定理得到式(10)。

圖3 每次移船距離示意Fig.3 Vessel step sketch

(7)

(8)

(9)

(10)

2 工程應用

以國內某柔性管道鋪設項目為例，根據柔性管道設計鋪設路由，分析計算其甩彎時水平控制距離的合理范圍，并給出作業船舶在海上甩彎鋪設時的移船方案。

鋪設作業水深110 m，采用水平鋪設方式，下水橋半徑為4.5 m，柔性管道布置在船舶尾部。

2.1 分析數據

如圖4所示，鋪設一條8 in柔性管道，在靠近生產平臺側設計了兩次甩彎鋪設路由。甩彎設計一的目的是改變柔性管道走向，即路由彎；甩彎設計二由三段圓弧組成，目的是消耗掉柔性管道完工后的多余長度，即消耗彎，甩彎半徑設計均為30 m。

圖4 8 in柔性管道設計鋪設路由Fig.4 Design laying route of 8″ flexible pipe

8 in柔性管道的設計參數如表1所示。模擬分析軟件為OrcaFlex10.2b，分析模型如圖5所示。動態分析波浪譜為JOHNSWAP譜，譜峰因子為2.4，海流選擇一年一遇數據，管體與海床摩擦系數取值為0.4[3]。海洋環境載荷方向和工況矩陣如圖5和表2所示。

表1 8 in柔性管道設計參數

(續 表)

圖5 分析模型和環境載荷方向Fig.5 Analysis model and environmental load direction

表2 分析工況矩陣

本文分析結果定義波浪方向0～360°為一個全浪向結果，譜峰周期6.0～15.0 s為一個全周期結果。

2.2 水平控制距離設計

根據式(6)，8 in柔性管道滿足圖4中30 m甩彎半徑時的觸泥點最大水平張力為4.212 kN，此時對應的水平控制距離值為37.8 m。分別取水平控制距離值為35.0 m、 30.0 m、 25.0 m、 20.0 m和15.0 m，進行動態模擬。

定義柔性管道無量綱曲率(normalized curvature， NC，以下稱歸一化曲率)[12]如公式(11)所示，即柔性管道安裝要求的最小彎曲半徑(MBRinstallation)與環境載荷下管道取得的最小彎曲半徑(MBRdynamic)的比值，取值要求范圍為[0, 1]。

NC=MBRinstallation/MBRdynamic

(11)

表3給出了不同有義波高、不同水平控制距離，全浪向、全周期下，柔性管道的歸一化曲率計算結果。當有義波高超過2.5 m后，8 in柔性管道的歸一化曲率均不滿足要求。柔性管道的常規海上安裝作業對天氣窗口的要求在1.5 m有義波高以上，即盡量不出現低于1.5 m波高的船舶待機。從表3中可以得出，水平控制距離在20～35 m時，可以滿足在1.5 m有義波高以上進行海上施工，即柔性管道可以按照設計的弧形路由進行鋪設。若低于水平控制距離的范圍，管道的歸一化曲率不滿足要求，降低了船舶的海上作業窗口，提高了柔性管道破壞的可能性。

表3 全浪向、全周期下柔性管道的歸一化曲率

圖6分別給出了不同水平控制距離、不同波浪方向、全周期下，柔性管道甩彎鋪設的天氣窗口(最小有義波高)。由圖6可知，全浪向均取得超過1.5 m有義波高的天氣窗口，而在船尾斜浪(45°和315°)時，均取得最小的安裝窗口。

圖6 柔性管道甩彎鋪設的天氣窗口Fig.6 Installation window for flexible pipe laying curve operation

圖7分別給出了不同水平控制距離、1.5 m有義波高、全周期下，柔性管道歸一化曲率沿著弧長方向的變化。由圖7可知，在懸鏈線段(0～100 m)和觸泥段(130 m以上)，柔性管道的歸一化曲率值小于0.2，而在觸泥點附近段(100～130 m)，歸一化曲率變化明顯。

圖7 1.5 m有義波高，柔性管道沿管線弧長的歸一化曲率值Fig.7 Flexible pipe NC in arc length， Hs=1.5 m

由表3和圖7可知，水平控制距離為20 m時，柔性管道的歸一化曲率為0.997，接近上限。因此綜上考慮，8 in柔性管道海上甩彎鋪設的推薦水平控制距離為25～35 m。

以水平控制距離為30 m為例，表4給出了水平控制距離為30 m，1.5 m有義波高時，柔性管道在不同波浪方向和譜峰周期下的歸一化曲率值。

2.3 移船設計

以水平控制距離為30 m，圖8和圖9分別給出8 in柔性管道按照圖3設計路由一和路由二進行甩彎鋪設時，作業船舶推薦的移船路徑。

移船過程中，柔性管道每次下放長度約為5.2 m(圓形角10°，半徑30 m對應的圓弧長)、船舶每次轉向10°，同時由式(9)可得船舶每次移動距離約為8.0 m。

表4 1.5 m有義波高、水平控制距離為30 m時，柔性管道的歸一化曲率值

圖8 柔性管道甩彎鋪設移船設計(1)Fig.8 Installation vessel movement design in flexible pipe laying curve route (1)

圖9 柔性管道甩彎鋪設移船設計(2)Fig.9 Installation vessel movement design in flexible pipe laying curve route (2)

3 結 語

柔性管道進行甩彎鋪設時，需準確評估鋪設影響參數和移船設計方案。本文結合工程實例，對柔性管道甩彎鋪設影響參數開展了理論研究與數值分析，并給出了海上施工推薦的移船方案，得到了以下主要結論：

(1) 在柔性管道設計參數和安裝水深確定后，其甩彎鋪設主要受水平控制距離和作業船舶運動軌跡影響，而水平控制距離取值范圍由柔性管道觸泥點水平張力限制和安裝最小彎曲半徑決定。

(2) 在甩彎鋪設時，作業船舶運動軌跡同樣為一圓弧，其運動半徑與柔性管道甩彎路由半徑和水平控制距離相關。

(3) 較小的水平控制距離可以降低柔性管道觸泥點水平張力，有利于甩彎鋪設，但同時也會減小柔性管道彎曲半徑，降低安裝天氣窗口，因此要根據分析： 計算設計合理的水平控制距離范圍。

(4) 船尾水平甩彎鋪設柔性管道，在船尾受斜浪(45°和315°)時，取得最大的歸一化曲率值和最小的安裝天氣窗口。

(5) 柔性管道沿著弧長方向在懸鏈線段和觸泥段取得較小的歸一化曲率值，而在觸泥點附近段，歸一化曲率變化明顯且取得最大值。