深水海底管道S型铺设形态分析

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1、第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集123深水海底管道S型铺设形态分析摘要：海底管道在深水施工铺设过程中不仅受到巨大的静水压力，同时也受到轴向拉力和弯曲的作用，管道的安全性成为重要关注的问题。以海底管道S型铺管法为研究对象，运用悬链线理论建立了管道的静平衡微分方程，通过理论分析给出了迭代求解管道整体形态的数值计算方法，并开发了相应的计算分析程序，分析了不同铺设水深、管径、配重层厚度、托管架长度和控制应变等参数对管道铺设形态的影响。结果表明，当铺管船托管架底端倾角较大时，铺设水深大、管径小、控制应变大则管道铺设形态较陡；当铺管船托管架底端倾角较小时，托管架

2、长、管道初始倾角大、托管架半径小则管道铺设形态较陡；混凝土配重层厚度对管道铺设形态的影响不明显。关键词：海底管道；S型铺管法；悬链线理论；托管架；形态随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越迫切，目前我国陆上原油的可开采量正逐年减少，同时海洋已探明石油储量十分丰富，其中绝大部分集中在南海深水海域，因此油气资源开采向海洋尤其是南海深水进军成了必然趋势。虽然我国已积累了不少浅海海底管道铺设的经验，但国内深水海底管道铺设技术的研究才刚刚起步，许多工作有待进一步深入开展，进行这方面的研究工作无疑具有重要的实际工程意义。由于深水海洋环境条件较为复杂，管道在施工铺设过程

3、中不仅受到巨大的静水压力，同时也受到轴向[1]拉力和弯曲荷载的作用，其安全性受到很大挑战。因此，开展深水海底管道铺设形态的研究工作显得尤为重要，可以为管道的受力性能分析、施工工艺和铺设设备的制作提供理论基础。[2,3]为了研究深水海底S型铺设的管道形态，Dixon等人对原有的自然悬链线理论加以改进，引入了刚[4]性悬链线理论进行管道铺设形态分析，并尝试用数值方法迭代求解。顾永宁将只可用于下凹段的刚性悬[5,6]链线方法扩展到包括上凸段在内的S型管道铺设的全部管长。Claus等人研究了铺设过程中管道、托管架[7,8]和铺管船之间的相互作用，并为托管架的优化设计提

4、供了依据。Igland等人采用可靠度方法分析了铺设时管道的受力状态，并校核了达到给定安全水平时的荷载和抗力分项系数。为了探讨管道铺设形态的变化[9]规律，Guarracino尝试使用简洁的解析方法计算管道形态，但其可靠性和准确性受到质疑。因此，深水海底S型铺设的管道形态的研究及以此为基础的全面而系统的参数敏感性分析仍显得十分重要。以水深适应性较强的S型铺管法为研究对象，运用悬链线理论建立管道的静平衡微分方程，用数值方法对方程进行求解，并结合中间段和托管架部分由双重迭代确定管道升离点和反弯点的位置进而求解管道的整体铺设形态。在理论分析的基础上应用数值方法开发了相

5、应的计算分析程序，对影响管道铺设形态的[10]各参数进行了敏感性分析，得到了不同初始参数下管道铺设形态的变化规律。图1为S型铺管法的铺设[11]形态图，自上而下分为三部分，分别是托管架部分、升离点和反弯点之间的中间段和反弯点至海床部分。水平面升离点铺管船托管架部分反弯点反弯点至海床之间部分触底点海床图1S型铺管法示意图124第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集1悬链线计算理论悬链线法是一种用来确定S型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

6、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。研究以刚悬链线法为基础，其计算结果对深海和浅海都具有较好的精度。1.1平衡微分方程的建立首先建立管单元的静平衡微分方程，图2为反弯点以下管道的示意图，设管道与海床的接触点为原点O，管道任意点至海床的距离为s，分别沿水平和竖直方向建立x和y轴，在反弯点以下任意点处取管单元，管单元中H表示管道张力的水平分

7、量，V表示管道张力的竖向分量，W为管道的浮重度，也就是单位管[12]长在水中的重量，M为作用在管道上的弯矩。由管单元的力矩平衡可列出平衡微分方程为：2Hsinθds+M−Vcosθds−(M+dM)−W(ds)cosθ2=0（1）忽略高阶项并对式(1)进一步简化，可以得到：Hsinθds−Vcosθds−dM=0（2）yV+dVM+dM反弯点sdAH+dHθVθHs海床MWOVx图2管单元的受力平衡图将式（2）进行无量纲化，得到新的无量纲化平衡微分方程：22d(θV)α+hcosθ−zsinθ=0（3）2VVdz23式中：α=EIWLb，为无量纲化刚度，Lb为

8、反弯点以下管道的长度，θV为管单元相对