深水S型铺管作业参数敏感性分析.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型铺管作业参数敏感性分析宋环峰U，徐彻U，林强U，常野U，郭建志2(1.中国船舶科学研究中心上海分部，上海200011;2.上海市东方海事工程技术有限公司，上海200011)摘要:基于集中质量法原理，考虑海床、离散型托管架和海流等边界条件，忽略阻尼、摩擦和扭转，分析水深、管径、壁厚、托管架半径和长度等参数变化对S型铺设管线力学性能影响的一般规律，为深

2、水S型铺设作业设计提供参考。关键词:敏感性分析;S型铺管;集中质量法;离散托管架中图分类号:P754文献标志码：A文章编号：1671-7953(2017)04-0173-05海底管线作为最经济的油气运输方式之一，其铺设需求量越来越多[1]。S型铺管方法是目前海底管道铺设最常用的方法，在管线铺设作业时，由于管线受到的载荷非线性、边界条件非线性，以及管线本身材料的非线性，难以求解。为了更精确地求解管线受力，不少学者建立理论模型来解图1坐标系决该问题。常用的理论模型有悬链线理论、弹性根据集中质量法理论，将管线用一组无质量细长杆理论、非线性梁理论，以及集

3、中质量法理弹簧和集中质量点模拟，对于每个单元的轴向拉论;或者根据管线受力及变形特点，将其中几种模力及弯矩分别用拉伸弹簧和弯矩弹簧模拟，将管型结合使用[2_4]。集中质量法有数学模型简单、运线单元的质量均匀分布到节点上，节点的位移向算速度快、易求解、易收敛等特点，能很好地模拟量用Jl，J2表亦，见图2。波浪、海流、海床及托管架等边界条件对管线铺设作业的影响。铺设作业时，由于管线受到的载荷复杂多变，各参数影响铺设的方式有所不同，需要分析系统对环境参数和铺设参数的变化的影响，以便在设计和实际作业过程中及时调整施工参数，以保证管线安全。本文基于集中质量法

4、原理，假设未变形前的管线是直的，管线受力平衡考虑海床、离散型托管架和海流等边界条件，忽略方程为[5_6]阻尼、摩擦和扭转，对深水S型铺设作业管线进行T+P=W+Fs+Fsh+FB(1)敏感性参数分析，分析水深、管径、壁厚、托管架半式中:T和P分别为轴向和弯矩弹簧的力；W为径和长度等参数对深水S型铺设的影响。管线所受重力（在海里为湿重，离开海水为干重）；Fsb为海床接触力；Fs为托管架接触力；Fd1数学模型及数值方法为流体阻尼力。规定水面的Z向坐标值为0,竖直向上为正，张管线单元的轴向拉力和弯曲剪力可分别写为rrEA(j2q-Jiq)EA(y2q-

5、Jlq)紧器％向坐标值为0，建立笛卡尔坐标系，见图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海底接触力为基金项目：江苏省自然科学基金（BK20130109)第一作者:宋环峰（1989—），男，硕士，工程师研究方向:海洋油气及矿产资源开发技术0q7^31732017年船海工程宋环峰，等:深水S型铺管作业参数敏感性分析第4期第46卷托管架接触力为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流体力为>8]1000Fd2=•0^i=j,k0500100015002000弧长/mr-(r•tl)tl

8、1(6)图4弯矩沿弧长分布图式中:纟为单元y原长^为弹性模量^为管线横截面积W=1，2,3,对应总体坐标系下的％，y，z;沒为单元）和A：的夹角;为影响系数矩阵;々，^为单元》的方向向量;4b为与海床接触面积;dsb为渗入海床深度;管线和滚轴间的接触刚度为^。2算例以某深水S型铺管船为例，张紧器距水面高度9m，托管架滚轴数量为13个，托管架滚轴半径0

9、.262m，托管架刚度15000kN/m，保证计算点附近，管线弯矩随水深增加而减小。这是因为由于管线在托管架上的形态基本是一致的，这就中每个滚轴都与管线接触，其他计算参数见表1，导致了虽然水深在变化，但是管线在托管架上弯海流方向与铺管方向相同。表1计算参数矩几乎不变。虽然触底点处，水深增加管线形态变陡，但是由于水深关系，弯矩反而降低。由于随参数项数值海水深度/m1000着水深增加，悬垂段管线长度明显增加，所以管线海流速度(〇°)/(m•s-1)0.5的张力也越来越大，所以随着水深的增加管线的海床刚度/(N•m_3)105张力尤其是张紧器的张力变化

10、剧烈，在设计的时管线外径/m0.5588候需要主要考虑不同水深对张紧器带来的影响。干重/(kg•m_1)489.252.2管径弯曲刚度/