海底地形对脐带缆深水安装影响分析.pdf

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1、第29卷第3期海洋技术V01．29，No．32010年9月OCEANTECHNOLOGYSept。2010海底地形对脐带缆深水安装影响分析王爱军．杨和振(海洋工程国家重点实验室，船舶海洋与建筑-r"程学院，上海交通大学，上海200240)摘要：研究复杂海底地形对脐带缆深水安装过程中的力学特性影响。对提高脐带缒深水安装的安全性与稳定性有较大意义。通过建立具有不同坡度、隆起高度以及低洼深度的海床地形模型．分析在不同地形参数下脐带缆深水安装时的应力响应，并对不同参数下的等效应力与接触压强对比，探讨了海底地形对脐带缆深水安装的影响。研究结果分析表明：

2、海床坡度对脐带缆的最大等效应力与接触压强影响不大；隆起区域对脐带缆的安装过程的影响较大。隆起高度的增加使最失等效应力明显增大，且易超过脐带缆的最大许甩等效应力：低洼区域的脐带缆与隆起区城相似．低洼深度的增加最大等效应力明显增大。隆起区域与低洼区域的触地点处的接触压强最大。关键词：脐带缆：海底地形；深水安装：应力响应中图分类号：fr75l文献标识码：A文章编号i1003—2029【2010)03卸1059—051引言脐带缆是连接平台或浮式生产系统与海底油井的控制管缆(如图1)，由电缆、光缆、软管、管道组成，具有外护套和起保护作用的铠装。缆芯内所

3、有空隙均填满填充物，以提高各单元的稳定性，提高管单元的抗内压和外压能力；缆芯、铠装和护套之间分别用包带隔离，使结构稳定、减少摩损和减少损伤等。脐带缆主要功能是化学药剂(如甲醇、乙醇)的注入、水压的控制、信号的控制、电力的控制等。图1水下生产系统由于脐带缆的直径较小，随着水深的增加尤其是深海对铺设安装技术及装备提出了更高的要求。目前深水安装技术收稿日期：2010--07．02基金项目：国家自然科学重点基金资助项目(50739004)；国家自然科学基金资助项目(51009093)作者简介：王爱军(1987一)，男，研究生，主要从事海洋工程结构分析

4、研究通信作者：杨和振(1977一)，男，副教授。主要从事海洋工程结构分析研究，Email：yan蜘jtu．edll．cn是国内外海洋工程界研究热点之一。C．Dieumegardtl】对深水脐带缆的安装技术进行了探讨。对影响深水脐带缆安装的限制因素进行分析。K．M．Clausin—介绍了深水脐带缆的一种新的安装方法，该方法可以很好地减少触地点的影响。J086RenatoM．deSousadm建立三维的有限元模型，研究受安装载荷作用的柔性管的局部力学特性。另外在安装过程中脐带缆与海床的接触对其性能存在一定程度的影响。CharlesP．Auben师

5、l用非线性弹簧来模拟海床与管的接触。对立管的触地点进行分析。MartinsenI习建立有限元模型分析了管线的安装，把海床假设为刚体来考虑与管线的接触，但未考虑海底土壤的特性。目前对海床与管线之间的影响的研究主要是建立弹簧模型来模拟管土的接触或把海床简化为刚体或水平的平面利用有限元软件处理，真实的海底是较复杂的，这对脐带缆的安装有较大的影响。按照海底地形的基本特征。大致可分成大陆边缘、大洋盆地和洋中脊3个大单元。海床存在坡度、隆起的区域、低洼的区域，这些区域对脐带缆的安装会造成一定程度的影响。由于海底隆起区域与低洼区域会造成局部的脐带缆悬空而形

6、成管跨。悬空而形成管跨的管道在波流作用下发生涡激振动，影响海底管道安全程度和服役寿命，造成管道的失效旧。故需要考虑海底地形对脐带缆在深水安装中的影响。从安装一开始管土的接触就影响着脐带缆的特性。脐带缆在这些地区产生局部的悬跨段使脐带缆的弯曲应力增加【7l。同时，海床与脐带缆相互接触，在安装的过程中存在较大的相对运动产生摩擦力，一旦摩擦力大于最大静摩擦力。将发生移动，摩擦的性质将由最大静摩擦转变为动滑动摩擦。由于惯性作用．摩擦力的变化将引起动态效应，造成应力循环，故摩擦力对脐带缆的影响也应该考虑。随着安装水深的增加，海底管道要承受较大的外部静水

7、压力，易导致压溃屈曲。且屈曲会以一定的速度沿着管线传播，这是一个很60海洋技术第29卷危险的现象，所以分析在安装过程中的应力是很有必要的。本文分析了海底地形对脐带缆深水安装影响，分别建立水平、具有不同坡度、隆起高度、低洼深度的海床模型模拟真实的海底地形，考虑脐带缆与海床的摩擦。分析脐带缆在位于上述区域深水安装过程中的力学特性。通过对不同参数下脐带缆的应力响应的分析对比，然后对海底地形对脐带缆深水安装的影响进行讨论。2脐带缆相关理论2．1脐带缆安装过程中的应力分析2．1．1脐带缆安装期间典型的载荷状况包括功能载荷与环境载荷。a．功能载荷：脐带缆

8、的重力和浮力：软管和金属管内的压力；脐带缆外部水压力；热胀及收缩产生的载荷；与海床土壤接触产生的反作用力；由支撑和保护结构产生的静反力和弯曲变形载荷；压力和张力引起