坦桑尼亚海底管道“S”形敷设分析

韩鹏 杨泽亮 黄水祥

摘要：本文简要介绍了海底管道铺设分析的基本理论，与海底管线安装和结构分析软件——Offpipe的特点及功能，并以坦桑尼亚海底管道为例，对设计水深36.6m与48.2m采用CPP601铺管船铺设管道的应力应变进行了分析和计算，为管道铺设提供了理论依据。坦桑尼亚海底管道的成功铺设，证明了Offpipe软件的分析结果是正确的，可以用于指导海底管道的施工。

关键词：海底管道；悬链线理论；Offpipe软件；结构分析

引言

随着海洋石油事业的发展，海底管道作为海洋油气集输与储运系统的一个重要组成部分，日渐成为人们关注的焦点。

铺管作业是海底管道建设的重要环节，施工质量直接影响管道的使用寿命。因此，在海底管道设计时需要对其敷设时的受力进行分析。国际上使用最多的管道敷设方法是铺管船法，这种方法适用于长距离管段远离岸边的铺管作业，而且经济指标也较好。目前，国内外的铺管船法主要有三种：“S”形铺管法、“J”形铺管法和卷管式铺管法，其中“S”形铺管船法是目前海底管道敷设最为常用的方法，如图1所示。

一 理论依据

“S”形管道敷设方法一般需要安排一艘或者多艘起抛锚拖轮来支持铺管船作业。在开始作业前，需要将一个锚定位在海床上，然后将锚缆引过托管架并系到第一根管子的端部。管道在托管架的支撑下，自然地弯曲成“S”形曲线，一般可分成两个区域：一为拱弯区，从驳船甲板上的张紧装置开始，沿托管架向下延伸到管道开始脱离托管架支撑的抬升点为止的一段区域（抬升点一般就是管道弯曲状态时的拐点）；二为垂弯区，是从拐点到海床着地点的一段区域。管道在垂弯区的曲率和弯曲应力则一般依靠合适的滑道支撑和托管架的曲率来控制。目前，托管架已从最初应用于浅水的直线形设计发展成应用于深水的曲线形、多节和铰接式的托管架。

悬链线法是一种用来确定“S”形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。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。刚悬链线法的计算结果对深海和浅海都具有较好的精度。

二 分析软件简介

目前，在进行管道敷设分析时除了使用大型通用有限元分析软件外，还可以使用海底管道安装专用分析软件，如Offpipe。Offpipe是一个成熟的、基于有限元分析方法的专用软件。它是专门为海底管道安装和操作过程中遇到的非线性问题的建模和结构分析而开发的。Offpipe能完成关于铺管船和托管架结构的静态和动态铺管分析，包括常规“S”形铺管和“J”形铺管；能对使用钢丝绳提升或下放管道到海底的铺管起始、弃官和回收分析；能计算在不规则海底铺设管道的静态管道应力、跨距和挠度等。Offpipe能在铺管分析中，计算悬链线上拐点和下拐点的管道应力，决定铺管船尾和托管架末端的管子角度和曲率，计算着地点的位置。

1．铺管系统模型

在海底管道铺设过程中，Offpipe使用一个详细的有限元模型，进行正常铺管、弃官和回收分析。图2为一个完整铺管系统的有限元模型。

Offpipe生成铺管系统的有限元模型，是根据用户习惯使用的工程术语对一个简单问题所进行的描述。有限元模型的生成由Offpipe自动完成，用户只需输入相关的数据进行描述，有限元模型对用户是完全透明的。因此，使用者不需对有限元理论有所了解，这一点是Offpipe不同于其他基于有限元理论的软件的地方。

2．铺管船模型

Offpipe将铺管船上的管道或钢丝绳模拟成一连串的管道和钢丝绳单元。这些单元从对口站或第一个张紧器一直延伸到铺管船艉部。铺管船上的管道和钢丝绳由一系列不连续的管和张紧器单元支撑。

Offpipe将铺管船模拟成一个刚体，如图3所示为铺管船的模型。在静态分析中，铺管船的位置完全由驳船偏移、纵倾角和用户提供的艏向来定义。

在动态分析中，Offpipe模拟了所有6种可能的铺管船运动。铺管船运动由波浪状况和用户给定的响度幅值算子（RAOs）来明确定义。用户给定的波浪状况既可以是一个单一的规则波，也可以是一个二维的波谱。

三 工程应用

（一）工程概况

坦桑尼亚天然气管道工程海洋管道位于坦桑尼亚姆纳济湾和松戈松戈岛天然气加工厂之间，海底管道系统起点位于松戈松戈西侧海岸附近的天然气加工厂，沿着海底路由至坦桑尼亚的海边城市萨曼加芬加海岸，并与萨曼加站内管道相连接，全长约27km，最大水深约为46.3m。

（二）主要计算参数

1．钢管参数

（1）钢管规格：D610×22mm。

（2）钢管屈服强度：450MPa。

（3）钢管密度：7850kg/m3。

（4）混凝土配重层：厚度85mm、95mm，密度3040kg/m3。

（5）防腐层：厚度3.2mm，密度940kg/m3。

（6）管道焊口距离12.2m，现场接口长度760mm，填充物密度2979kg/m3。

2. CPP601铺管船主要参数

（1）船体主体尺寸：120m×36m×9.6m。

（2）张紧器能力：2×600kN。

（3）A/R绞车能力：1200kN。

（4）吃水深度：6.0m。

（5）最大干舷：3.6m。

（6）托管架主要参数：总长度72m，半径范围175—400m。

（7）甲板吊能力：主吊机起吊能力1600t，辅助吊机起吊能力30t。

（三）分析假设及管道敷设标准

1．分析假设

在进行海底管道敷设应力分析前，先进行以下假设：

（1）海洋管道假设为线性的，密度与弹性模量恒定；

（2）张紧器的有效张力假定为75%；

（3）海底管道铺设过程中的曲率半径为200m；

（4）混凝土配重层厚度为95mm时，设计水深为36.6m；配重层厚度为85m时，设计水深为48.2m。

2．管道敷设标准

依据挪威船级社规范DNV-OS-F101的相关规定，简化的海洋管道敷设检验标准如表1所示。

（四）计算结果与分析

在设计过程中分别对混凝土配重层厚度为85mm与95mm的两种海底管道静态铺设时的应力进行了分析，根据图4、图5、表2与表3中的计算结果可知，CPP601铺管船在配重层为95mm，水深为36.6m以及配重层为85mm，水深为48.2m时进行敷设的最大应力与应变满足规范要求。

四 结束语

坦桑尼亚海底管道项目是中国石油管道局自主设计、独立施工，是管道局目前为止最大的海洋管道工程。该项目的顺利建成，使中国石油管道局在海底管道设计以及使用铺管船进行海底管道敷设方面有了很大的进展，积累了丰富的施工经验，为进一步开拓海洋工程市场创造了条件。

 

参考文献

[1] 周俊：《深水海底管道S形铺管形态及施工工艺研究》，硕士学位论文，浙江大学，2008年。

[2] 龚顺风、陈源、金伟良等：《深水海底管道S形铺设形态分析》,《第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集》。

[3] Malahy R. C. , Offpipe User's Guide Version 2, 1996.