深水S型鋪管作業(yè)參數(shù)敏感性分析.pdf

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1、第46卷第4期船海工程Vol.46No.42017年8月SHIP&OCEANENGINEERINGAug.2017DOI：10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.040深水S型鋪管作業(yè)參數(shù)敏感性分析宋環(huán)峰U，徐徹U，林強U，常野U，郭建志2(1.中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海200011;2.上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海200011)摘要:基于集中質(zhì)量法原理，考慮海床、離散型托管架和海流等邊界條件，忽略阻尼、摩擦和扭轉(zhuǎn)，分析水深、管徑、壁厚、托管架半徑和長度等參數(shù)變化對S型鋪設(shè)管線力學(xué)性能影響的一般規(guī)律，為深

2、水S型鋪設(shè)作業(yè)設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞:敏感性分析;S型鋪管;集中質(zhì)量法;離散托管架中圖分類號:P754文獻標志碼：A文章編號：1671-7953(2017)04-0173-05海底管線作為最經(jīng)濟的油氣運輸方式之一，其鋪設(shè)需求量越來越多[1]。S型鋪管方法是目前海底管道鋪設(shè)最常用的方法，在管線鋪設(shè)作業(yè)時，由于管線受到的載荷非線性、邊界條件非線性，以及管線本身材料的非線性，難以求解。為了更精確地求解管線受力，不少學(xué)者建立理論模型來解圖1坐標系決該問題。常用的理論模型有懸鏈線理論、彈性根據(jù)集中質(zhì)量法理論，將管線用一組無質(zhì)量細長桿理論、非線性梁理論，以及集

3、中質(zhì)量法理彈簧和集中質(zhì)量點模擬，對于每個單元的軸向拉論;或者根據(jù)管線受力及變形特點，將其中幾種模力及彎矩分別用拉伸彈簧和彎矩彈簧模擬，將管型結(jié)合使用[2_4]。集中質(zhì)量法有數(shù)學(xué)模型簡單、運線單元的質(zhì)量均勻分布到節(jié)點上，節(jié)點的位移向算速度快、易求解、易收斂等特點，能很好地模擬量用Jl，J2表亦，見圖2。波浪、海流、海床及托管架等邊界條件對管線鋪設(shè)作業(yè)的影響。鋪設(shè)作業(yè)時，由于管線受到的載荷復(fù)雜多變，各參數(shù)影響鋪設(shè)的方式有所不同，需要分析系統(tǒng)對環(huán)境參數(shù)和鋪設(shè)參數(shù)的變化的影響，以便在設(shè)計和實際作業(yè)過程中及時調(diào)整施工參數(shù)，以保證管線安全。本文基于集中質(zhì)量法

4、原理，假設(shè)未變形前的管線是直的，管線受力平衡考慮海床、離散型托管架和海流等邊界條件，忽略方程為[5_6]阻尼、摩擦和扭轉(zhuǎn)，對深水S型鋪設(shè)作業(yè)管線進行T+P=W+Fs+Fsh+FB(1)敏感性參數(shù)分析，分析水深、管徑、壁厚、托管架半式中:T和P分別為軸向和彎矩彈簧的力；W為徑和長度等參數(shù)對深水S型鋪設(shè)的影響。管線所受重力（在海里為濕重，離開海水為干重）；Fsb為海床接觸力；Fs為托管架接觸力；Fd1數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法為流體阻尼力。規(guī)定水面的Z向坐標值為0,豎直向上為正，張管線單元的軸向拉力和彎曲剪力可分別寫為rrEA(j2q-Jiq)EA(y2q-

5、Jlq)緊器％向坐標值為0，建立笛卡爾坐標系，見圖1。Tq=y2-yA■^h^(2)收稿日期:2016-10-14P=^h〇〇i(3)修回日期:2016-11-03海底接觸力為基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金（BK20130109)第一作者:宋環(huán)峰（1989—），男，碩士，工程師研究方向:海洋油氣及礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)0q7^31732017年船海工程宋環(huán)峰，等:深水S型鋪管作業(yè)參數(shù)敏感性分析第4期第46卷托管架接觸力為5000■

6、FS1=(1-Xe)ks(Rr+〇.5D-v)-W(5)4000水深：-----800m3000-----1000m^81

7、+1=^eks(Rr+0-5D-v)?n3----12000m2000----14000m流體力為>8]1000Fd2=?0^i=j,k0500100015002000弧長/mr-(r?tl)tl

8、1(6)圖4彎矩沿弧長分布圖式中:纟為單元y原長^為彈性模量^為管線橫截面積W=1，2,3,對應(yīng)總體坐標系下的％，y，z;沒為單元）和A：的夾角;為影響系數(shù)矩陣;々，^為單元》的方向向量;4b為與海床接觸面積;dsb為滲入海床深度;管線和滾軸間的接觸剛度為^。2算例以某深水S型鋪管船為例，張緊器距水面高度9m，托管架滾軸數(shù)量為13個，托管架滾軸半徑0

9、.262m，托管架剛度15000kN/m，保證計算點附近，管線彎矩隨水深增加而減小。這是因為由于管線在托管架上的形態(tài)基本是一致的，這就中每個滾軸都與管線接觸，其他計算參數(shù)見表1，導(dǎo)致了雖然水深在變化，但是管線在托管架上彎海流方向與鋪管方向相同。表1計算參數(shù)矩幾乎不變。雖然觸底點處，水深增加管線形態(tài)變陡，但是由于水深關(guān)系，彎矩反而降低。由于隨參數(shù)項數(shù)值海水深度/m1000著水深增加，懸垂段管線長度明顯增加，所以管線海流速度(〇°)/(m?s-1)0.5的張力也越來越大，所以隨著水深的增加管線的海床剛度/(N?m_3)105張力尤其是張緊器的張力變化

10、劇烈，在設(shè)計的時管線外徑/m0.5588候需要主要考慮不同水深對張緊器帶來的影響。干重/(kg?m_1)489.252.2管徑彎曲剛度/