（工程力学专业论文）深水S型托管架设计中的力学问题研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 能源工作是国民经济的重经组成部分，是现代社会正常运转不可或缺的基本条件。 能源的可持续供应是实现可持续发展的重要课题。随着我国国民经济的迅猛发展，对能 源( 特别是石油资源) 的需求量日益增加。我国的南海蕴藏着丰富的石油资源，但是南 海的复杂环境却成为油气开采的障碍，为了突破中深水海域油气及其勘探开发关键技 术，我国在“十一五 期间确立了专项研究项目，深水管道铺设是其中必要的关键技术。 随着大型张紧器和大型托管架的研制成功，深水s 型铺设逐渐被广泛应用，s 型铺 设具有的铺设速度快、同时适应深水和浅水水域等优点，随着近年来工程技术的不断进 步，s 型管线铺设的水深也在不断增加，目前铺设水深记录就是采用s 型铺设方法( 截 至2 0 0 5 年) 。本文通过对s 型铺设原理的分析，归纳了托管架的概念设计中主要参数关 系，给出了托管架设计流程，详述了托管架详细设计的步骤和方法，并以d p v 7 5 0 0 铺管 船的托管架为例，使用a b a q u s 建立了有限元模型，对托管架进行了验证计算。最后， 在结合数值计算结果的基础上提出了针对托管架的现场监测方案以及室内标定实验方 案。 本文的研究工作属于8 6 3 计划子课题“深水海底管道铺设托管架设计及专用设备国 产化技术研究”( 2 0 0 6 a a 0 9 a 1 0 5 4 ) 中的一部分。 关键词：深水s 型铺管；托管架；概念设计；详细设计；现场监测 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 m e c h a n i c a lp r o b l e mi nd e s i g no ft h es t i n g e rf o rd e e p w a t e rs - l a y a b s t r a c t s u b m a r i n ep i p e l i n e sa r ev e r yi m p o r t a n tt oe n s u r en o r m a lo p e r a t i o no fo f f s h o r eo i la n d g a sf i e l d s i n c et h ef i r s ts u b m a r i n ep i p e l i n ew a sl a i di n19 5 0 s ，t h er e q u i r e m e n t so fl a y i n g w a t e rd e p t hi n c r e a s e sf a s ta st h ee x p l o i t a t i o no fo i la n dg a sc o n t i n u e sd e e pw a t e rt r e n d a l t h o u g ht h el a y i n go fs u b m a r i n ep i p e l i n e sh a sr e a c h e dc l o s et o3 0 0 0m e t e r si nw o r l d w i d e ， t h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nc h i n ar e m a i n e da tl e s st h a n15 0m e t e r s i no r d e rt oe x p l o i t a t i o nt h e r i c ho i la n dg a sr e s o u r c e si ns o u t hc h i n as e a , d e e pa n du l t r ad e e pw a t e rp i p e l a yt e c h n i q u e h a sb e c o m eo n eo f t h e p r i o r i t i e so f c h i n a sc u r r e n to f f s h o r et e c h n o l o g yr e s e a r c h d e e pw a t e rp i p e l i n ei n s t a l l a t i o ni su s u a l l yp e r f o r m e db ys p e c i a l i z e dl a yv e s s e l t h e r e a r e s e v e r a lm e t h o d st oi n s t a l lap i p e l i n e ，t h em o s tc a ) i n h i o nm e t h o d sb e i n gs l a ya n dj - l a y d e s p i t eo n l yj - l a ym e t h o dw a st h o u g h tt ob es u i tf o rd e e pw a t e rt r a d i t i o n a l l y , s l a yh a si t s o w na d v a n t a g e ss u c ha si n s t a l l i n gp i p e l i n e sm o r ef a s ta n ds u i tf o rb o t hd e e p w a t e ra n ds h a l l o w w a t e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ep i p e l i n ei n s t a l l a t i o nd e p t hi si n c r e a s i n g q u i c k l y , a n dk e e p st h ed e p t hr e c o r do fp i p e l i n ei n s t a l l a t i o n ( a so f2 0 0 5 ) i tc a nb ea s s u m e d t h a ts - l a ym e t h o dw i l lb et h et r e n do fd e e pw a t e rp i p e l i n ei n s t a l l a t i o n s t i n g e r , a so n eo fk e ye q u i p m e n t so fs - l a y , i sm a i n l yu s e dt oc o n t r o lt h e c u r v a t u r eo ft h e p i p ew h e ni tl e a v e so f ft h ev e s s e l d e v e l o p i n gag o o ds t i n g e rw i l li n c r e a s et h el a y i n gw a t e r d e p t h , l a y i n gs p e e da n dl a y i n gs e c u r i t ym u c h t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f s - l a y ，p o i n to u tt h em a i np a r a m e t e ro f b a s i cd e s i g no fs t i n g e r t h e nt h et h e s i sg i v e saf l o w c h a r to fd e s i g nf o rs t i n g e ra n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d f o rt h es t i n g e ro fd p v 7 5 0 0p i p e l a y v e s s e l ，af i n i t ee l e m e n tm o d e li sc r e a t e dw i t ha b a q u sa n ds t r e n g t hc h e c ki sd o n e f i n a l l y , t h i st h e s i sd e s i g n sam o n i t o r i n gs y s t e mf o rs t i n g e ro nt h eb a s i co fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h el a s tp a r tg i v et h em a i nc o n c l u s i o no ft h i sd i s s e r t a t i o na n df l l r t h e rw o r ki nd e s i g n i n g d e e p w a t e rs t i n g e ri ss u g g e s t e d t h er e s e a r c ho ft h ed i s s e r t a t i o ni ss p o n s o r e db yt h eh i t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ，2 0 0 6 a a 0 9 a 10 5 - 4 ) k e yw o r d s ：d e e p w a t e rs - l a y ；s t i n g e r = b a s i cd e s i g n = d e t a i l e dd e s i g n ；o n s i t em o n i t o r i n g n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 墨垒日期：竺望：z ；么 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意 大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：墨生： 导师签名：墼垒亟 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 海洋油气开发概况 随着全球人口的增加和当今科学技术的发展，人类生存空间逐步向海洋与空中拓 展。海洋蕴藏着丰富的可供人类从事生产、生活的资源，海洋是人类未来开发的主要领 域，特别是海上油气田开发。海洋石油在全球能源中具有举足轻重的地位。目前，世界 上已发现的海上油气田1 6 0 0 多个，已有2 0 0 多个油气田投产，年产量达到1 2 亿吨，占 世界石油总产量的三分之一。但是，全球海洋面积中9 0 以上的水深在2 0 0 6 0 0 0 米之 间，全球已探明的海洋石油储量的8 0 以上均在水深5 0 0 米以内。据统计，世界海洋平 均深度为3 7 3 0 米，深度为3 0 0 0 - - - 6 0 0 0 米的海域约占海洋总面积的7 3 8 ，水深小于2 0 0 米的大陆架仅占海洋总面积的7 4 9 嘣2 1 。目前，全球约有6 0 多个国家进行了深水的油气 勘探，已发现了3 3 个超过5 亿桶储量的深水巨型油气田。其中，墨西哥湾、巴西、西 非已成为深水油气开发的“主战场”。据预测，自2 0 0 1 - 2 0 0 7 年，全球投入海洋油气开发 的项目将达到4 3 4 个，而其中水深大于5 0 0 米的深水项目就占到4 0 ，水深大于1 2 0 0 米的超深水项目又占到总量的2 2 。由此可见，在全球大部分海域的近海油气资源已 日趋减少的今天，向深海要油已成为缓解能源危机的必要手段。 世界各国中，美国和巴西通过实施持续的深水技术研发计划，其深水油气田开发规 模和深水技术水平居于世界领先，并已在生产实践中逐步形成了适合本国海域特点的较 为成熟的深水油气开发工程模式。d e e p s t a r 计划、p r o c a p 计划。其中美国的 d e e p s t a r ，计划目标是5 0 0 0 1 0 0 0 0 英尺水深的超深水油田开发相关技术。在巴西，自 1 9 8 6 年开始实施p r o c a p 计划，该计划分三个阶段：第一阶段：1 9 8 6 年至1 9 9 1 年的 p r o c a p1 0 0 0 计划，目标是形成1 0 0 0 米水深海洋油气田开发技术能力；第二阶段：1 9 9 2 年至1 9 9 9 年的p r o c a p2 0 0 0 计划，目标是形成2 0 0 0 米水深海洋油气田开发技术能力： 第三阶段：2 0 0 0 年至2 0 0 5 年的p r o c a p3 0 0 0 计划，目标是形成3 0 0 0 米水深海洋油气 田开发技术能力。 我国拥有3 0 0 万平方公里海疆，油气资源十分丰富，但其中水深3 0 0 米以上的海域 就达1 5 3 7 万平方公里，占总海域的二分之一强。然而，目前我国油，气资源开发主 要在2 0 0 米水深以内的近海海域，3 0 0 米以上水深海域内只勘探了1 6 万平方公里，勘 探数量微乎其微。目前我国最深的海上油田水深为3 3 0 米，系合作油田流花1 1 1 。我国 钻井船的作业水深为4 7 2 米，不足5 0 0 米。而我们自己独立实践的番禺导管架水深为 2 0 0 米。以我国南海为例，在多达2 0 0 万平方公里的广阔海域中，才仅仅在1 9 万平 方公里的深海海域进行着油气勘探作业，显然，我国深海的油气储备十分丰富，石油开 采还大有可为。 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 众所周知，我国目前已成为全球石油第二大消费国，到2 0 0 4 年我国石油净进口总 量已达1 5 1 5 亿吨，对外依存度达到3 7 8 5 。预计到2 0 2 0 年，我国石油年需求量 为4 5 亿吨，缺口为2 7 亿吨，对外依存度将达到6 0 以上。但我国主力油田东部 油区经过5 0 年来的开采，采出程度已达到7 5 ，总体进入产量递减阶段。我国海洋位 于东部，处于有利位置，作为我国油气资源的接替区域，责无旁贷。因此，“向深海要 油”就成为提高我国油气产量，减小对国外油气的依存度的必经之路。 由此可见，人类从深海开发油气是今后长时期发展的必然趋势，深水油气田开发正 在成为世界石油工业的主要增长点和世界科技创新的热点。我国的南海有着丰富的油气 资源，被称为世界四大油气聚集地之一，石油地质储量约占我国油气资源总量的1 3 ， 其中7 0 蕴藏于深水，使我国海洋石油可持续发展的最有前景的区域。我国海洋石油目 前的开发水平仅仅在2 0 0 米水深范围，相对于开发深水油田的要求有着较大差距，与世 界先进水平也存在着不小的距离。 1 2 海底管道发展现状和前景 海底管线是保证油气田正常运转的生命线，例如，从井口到平台的管线，提高油田 采油率的注水管线；介于平台之间以及主干线到近海储油设备的传输产品的管线等。目 前世界各国均主要采用海底管道作为海洋油气资源的主要输送方式，其主要优点有： 运输量大，效率高。例如一条直径7 2 0 m m 管道年输油量大约是5 0 0 万吨。直径 1 2 2 0 m m 管道的年输油量约在1 0 0 0 万吨以上，其运力分别相当于一条铁路和两条双轨 铁路的年运输量。 管道几乎不受水深、地形条件等的限制，可以缩短运输距离。 密闭安全，能够长期连续不问断地进行油气资源的输送。输送受恶劣气候的影响小， 无噪音，油气损耗小，对环境污染少。 便于管理，易于实现远程集中监控。现代化管道运输系统的自动化程度很高，劳动 生产率高。 能耗少、运费低。长输管道输油的能耗约为海上储罐或油轮的一半，铁路运输的 1 7 - 1 1 2 ，因此，管道运输是所有运输方式中输油成本最低的。是最快捷、经济、可靠 的油气输送方式。 世界上海底管道铺设已有半个世纪的历史，1 9 5 4 年b r o w n & r o o t 海洋公司在美国 的墨西哥湾铺设了全世界第一条海底管道。经过半个多世纪的发展，目前海底管道的铺 管技术逐渐成熟，铺设深度亦大大增加，铺管船法已经得到广泛应用，船体形式也从箱 体式铺管船，船型式铺管船、半潜式铺管船发展到动力定位铺管船。国外有专业的海底 管道铺设工程公司，已经完成了一系列管道铺设的工程任务。 我国对深海技术的研究处于初级阶段。虽然国内已经在极浅海、浅海的海管铺设装 2 大连理工大学硕士学位论文 备的设计与制造方面积累了一定的经验，但是目前海底石油管道铺设主要集中在渤海湾 区域，水深仅为3 0 5 0 m 。目前中国海洋石油工程股份有限公司拥有我国唯一一艘海底 铺管船蓝疆号，该船为国外设计，烟台造船厂施工建造，可以进行小于1 5 0 m 水深的铺 管作业。由此可见，我国在深水管道工程的技术储备十分不成熟，深水铺管是只有少数 国外机构掌握的技术。 随着我国对海洋石油开发的不断深入，海底管线的铺设深度需求也在不断增加，这 也对海底管道工程提出了新的挑战，需要对深海乃至极深海的海底管道进行更深入的研 究。虽然我国在深水开发方面已经迈出了可喜的一步，但目前还不具备自主的深水技术 和能力，与国外先进技术存在巨大的差距。海底管道是深水油气田开发工程建设的一个 重要组成部分。目前国内还没有深水铺管作业船，也不具有该类工程船舶的设计能力。 深水海底管道铺设技术的研究也刚刚起步，现有工程设计能力、设备状况和作业能力以 及现场管理能力和水平都不能满足国家开发南海石油资源的战略发展的要求。为了加快 推进南海深水油气田的勘探开发进程，中国海洋石油总公司投资委员会已批准在“十一 五”期间建造一条深水铺管起重船，成立了项目组和专职研究机构，并加大科技投入开 展有关技术研发工作。深海开发业作为我国“十一五”期间国家重点规划项目，围绕深海 海底管道工程建立一批8 6 3 课题进行研究。这些决定和措施都为开展深水海底管道铺设 技术研究，形成我国深水海底管道铺设能力提供了难得的依托工程和必要条件。本文课 题即属于国家8 6 3 计划“深水海底管道技术”中的子课题“深水海底管道铺设托管架设计 及专用设备国产化技术研究”中的一部分。 3 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 1 3 本文主要研究内容 本文的主要内容集中在提出了托管架设计的具体流程，给出概念设计阶段的参数之间 的关系，详细设计阶段的计算方法，提出了在托管架设计过程中的力学问题。针对中海油 在建的d p v 7 5 0 0 铺管船的托管架建立了数值模型，进行了验证计算。在参考国外托管架监 测方法的基础上，提出了针对d p v 7 5 0 0 托管架的现场监测方案，并室内试验的基础上设计 了实验标定方案，希望在未来对托管架的升级改进和现场作业有所裨益。 4 大连理工大学硕士学位论文 深海s 型铺设研究现状 2 1 管道铺设方法概述 海上油气生产平台所生产的油气的集、输，是由铺设在海底的管线来实现的。海底管 线铺设是通过铺管船或拖轮将管道安装到海底，并完成与平台和陆上终端联接的相关作业 的过程。海底管道的施工主要包含的内容有测量定位，加工制作，管线敷设，管线试压试 运转等。其中管道敷设时期建设过程中的最关键的环节。与陆地上相比，由于海上充满各 种不利因素以及不确定因素，海底管道铺设遇到出现了需要认真对待的新课题。由于海流 和波浪的存在，管道将受到各种弯曲应力的作用，水面船只在波浪载荷的作用下，其动力 学响应也将导致管道应力的变化。从世界的角度来看，管道铺设技术已经逐渐成熟，目前， 世界上采用铺管船进行海底管线铺设的方法主要包括四种【l - 3 琅ps 型铺管( s - l a y ) 、j 型 铺管( j l 气y ) 和卷盘铺管( i 通e l l 气y ) 和拖管法( t o w m e t h o d ) 。 海底管道铺设的方法目前主要分为四种，它们是拖曳式铺管法、卷管式铺管法、j 型铺 管船法和s 型铺管船法。 2 1 1 拖曳式铺管法 拖曳式铺管法主要包括以下几种方法：水面拖行( s u r f a c et o w ) ，水面下拖行( b e l o ws u r f a c e t o w ) ，近底拖( o f f - b o t t o mt o w ) 和底拖( b o t t o mt o w ) 。所有拖曳方法的管道组装都是类 似的，即先在岸上组装场地或者在浅水避风水域中的铺管船上完成。管道组装完成之后， 即可由驳船或其他动力船只拖至施工地点进行铺设。 图2 1 水面拖行 f i g2 1s u r f a c et o wm e t h o d 水面拖行如图2 1 所示，采用浮箱使管段漂浮在水面。水面拖行铺设管道的主要缺点是 容易受到水面情况的影响，管道会由于波浪的作用而产生蛇形扭曲、影响海上交通和需要 考虑管子的沉放等。 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 图2 2 水面下拖行 f i g2 2b e l o ws u r f a c et o w 水面下拖行如图2 2 所示，它利用漂浮装置使所铺设的管段位于波浪作用范围以下。这 两种拖行方法中，为了控制漂浮的管段，除了主拖船外，常常需要第二条牵制拖船，但是 这两种方法的共同缺点就是会影响水面交通，并且需要为沉放管道做特殊考虑。 图2 3 近底拖行 f i g2 3n e a rb o t t o mt o w 近底拖是近水面拖行技术的一种改进。浮箱按规定的距离系在管道上，同时每个浮箱 上海需要悬挂一段铁链。在拖行时，铁链升离海床，利用它的重量和浮力平衡将管道保持 在离海床预定的设计高度处。这种铺设方式通过设计铁链的长度来保证拖行时提供给管道 的稳定力，利用牵制张力的大小控制附加高度使管段提升。这种铺设方法的主要优点是是 拖行的动力要求较低，可以有效避免恶劣天气的影响。 底拖法是利用拖船的牵引力直接在海床拖行管段至指定位置，如图2 4 。拖行路线在底拖 法中占有十分重要的位置，它影响到按摩损条件所作的涂层设计、拖行期内的稳定性、拖 船的大小以及所拖管道的最佳长度。这种方法不需要牵制拖船，受天气的影响是最小的。 但是底拖法对拖船的马力要求较高，管道的涂装层有损坏的危险，管道有可能在海底被障 碍物绊住。 6 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 底拖法 f i g2 4b o t t o mt o w 总体来说，拖曳法的主要特点是：管道在岸上安装焊接，可以保证质量；有多种形式 可以选择，造价相对可以选用廉价的拖船；可安装长度有限。拖曳式铺管法包括以下几种 方法；水面拖行、水面下拖行、近底拖行和海底拖行。所有拖曳方法的管道组装都是一样的， 可以在陆上组装场或在浅水避风水域中的铺管船上完成。管道组装完成之后，就可以进行 拖行铺设。 2 1 2 卷管式铺管法 卷管式铺管法是2 0 世纪开始发展起来的一种新型的管道铺设法，这种铺管法是将管道 在陆地预制场上接长，然后卷在专用滚筒上，送到海上进行铺设施工的方法。该方法的优 点是9 9 5 的焊接工作可以在陆地完成，在铺管船上没有s 型铺管和j 型铺管所需的焊 接、检验作业。卷管法的主要优点是焊接、检验、保温防腐层敷设几乎全部在陆地上完成， 可以保证质量，并且一次可以铺设较长的管线。海上铺设时间短，成本低，每段管道可连 续铺设，作业风险小。管道缠绕在滚轮上会产生较大的塑性变形，并且大直径的管道无法 完成缠绕，此外，缠绕好的卷管盘非常沉重，对于起重设备、船吃水能力的要求压比较高。 每个专用的卷管滚筒都和特定的铺管船一起搭配使用，普通卷管的管径可以从2 英寸 到1 2 英寸不等，单层管的最大铺设管径可以达到1 8 英寸，最大作业水深可以达到1 8 0 0 m 。 这种铺管法需要的主要设备包括：陆地接长预制场地、卷管滚筒、管道矫直器、铺管船和 其他常规施工机具设备等。 管道的陆地预制场常设在码头后沿，一次可以接长若干根5 0 0 米至1 0 0 0 米的长管段。 将这些管段再进行对接并通过管道矫直器进行造弯后，直接卷到专用滚筒上。焊接、检验、 保温和防腐等工作均在陆地完成。这个过程也可以直接在停泊的铺管船上进行，因为一旦 7 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 滚筒卷满了管道之后，可能重达4 0 0 6 0 0 吨，如果缺少相应的起重设备会给滚筒的搬运带 来困难。因此，在考虑使用卷管式角管法进行铺管作业时，必须清楚管道的焊接作业和卷 管作业是在陆地预制场上还是铺管船上进行。如果相应的作业程序在铺管船上进行，铺管 船就必须处于停泊状态：否则，主必须提供一座大型起重机和充足的辅助设各来搬运卷满了 管道的滚筒。 图25 卷管式铺管船法 f i g2 5 r e e l m e t h o d 213j 型铺管船法 j 型铺管法是从2 0 世纪8 0 年代以来为了适应铺管水深的不断增加而发展起来的一种铺 管船法。这种铺设方法实质上是张力铺管法中的一种，在铺设过程中借助于调节托管架的 倾角和管道承受的张力来改善管道的受力状态，达到安全作业的目的。到目前为止，j 型铺 设法主要有两种形式，一种是钻井船j 型铺设法，还有一种是带斜型渭道的j 型铺管法。j 型铺管法主要应用于深海区域的管道铺设，目前已经得到了广泛应用。 j 型铺管方法因其管线线形而命名。在j 型铺管方法中，将要连接的管线的焊接、检 验都在一个与铺管船甲板垂直或近似垂直的塔卜进行，随后管线移动入水并到达海底，至 此管线的线形看上去象一个的“j ”。在铺设过程中借助于调节托管架的倾角和管道承受的张 力来改善管道的受力状态，达到安全作业的目的。j 型铺管船法的主要优点是，由于管道在 接近垂直方向沉入海底，整体弯矩小所需要的张力也小，并且触底点距离铺管船比较近， 但是由于焊接作业也在垂直方向上，焊接速度很慢，直接影响施工进度，同时在垂直方向 大连理工大学硕士学位论文 上完成所有操作船体稳定性也是一个难题。 等垒 x 一一 r 刚m * | i 龟蚤： 浏丛 国26j 型铺管船法 f i g2 6j - l a y m e t h o d 总的来说，j 型铺设法的特点是：焊接在浮式装置上进行，但由于在一个焊接站进行， 速度慢：管道脱离角度非常接近垂直，所以张力较小；主要用于深水；不需船尾托管架；因为所 有操作都在垂直方向完成，稳定性是一个难题；典型铺设速度是l 1 5 b 州天a 2 14s 型铺管船法 s 型铺管方法是目前海底管道铺设最常用的方法，因其铺设管线的线形而命名。在s 型铺管方法中，管线在铺管船甲板作业线上从焊接、检验都在一个水平面内，在管线移动 穿过船尾并到达海底，至此管线的线形看上去象一个被拉长的“s ”。管道一般分为三个部分： 直管段，上弯段和f 弯段。直管段一般指在铺管船上的管段部分，此部分只承受张拉力： 上弯段指管道离开船尾一直到托管架最后一个支撑滚轮的部分，在这一段中，管道承受弯 曲，井且与托管架相接触，重力依靠托管架来承受；f 弯段指到在管线在脱离托管架直到 管道与海床接触的部分，这部分主要承受重力和海水浮力作用。管道在脱离托管架的那部 分弯曲应力最大。托管架主要作用就是减小管线离开船尾后的弯曲应力通过选取不同的 托管架以及其与水平方向的角度，可匕上有效减小管道最大弯矩。目前，托管架的形状已经 有最初的适用于浅水的直线型改进为曲线形，多节以及铰接式的托管架，并且在铺管过程 中可以调节滚轮高度，以调整管道受弯程度。在水深的情况下，托管架的长度、浮力、强 度都需要加长、增大，以便减小管线弯曲应力和支撑悬挂管线增加的重量。最体来说s 型铺管的主要特点是：管道在铺管船上水平焊接，可以调整焊站数量来调整铺管速度：需 要托管架，一般长度为1 0 0 - 2 0 0 m ，曲率半径约为2 0 0 m ；需要有张紧器提供巨大的水平张 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 力；随着铺设水深的增加，需要增大托管架长度，会对船体稳定性造成影响。由于是在一 个水平线上作业，不仅安全稳定而且效率高。这种铺设船法一般需要安排一艘或者多艘起 重抛锚拖轮来支持铺管作业。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 型曲线，将 其划分为三个部分。上弯段( o v e r b e n d ) ：张力器到管线与托管架分离点之间，即被托管架托 起的管线部分。垂弯区( s a g b e n d ) 管线与托管架分离点到与海底接触点之间悬起的部分。 边缘段( s t i n g e r t i p ) ：托管架倒数第三个滑轮到管线拐点间的受力复杂的部分。还有的将其分 成两个区域：一为上弯区，一般是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) ： 另一段为垂弯区，是从拐点到海床着地点的段区域。管道在垂弯区的曲率通过沿生产线 放置的张紧器产生后拖力来控制，管道在拱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型设计发展成应用 于深水中的曲线形的、多节的铰接式的托管架。因此，传统s 型铺管方法国际上一度认为 只适用于相对浅的水域( 小于6 0 0m ) 。s 型铺管船法是目前铺设海底管道最为常用的方 法。总的来说，s 型铺设法的特点是：管道在水平方向采用采用单或双接头进行装配，效率 高。铺设速率高，典型铺设速率为3 5 k m 天。对海况适应能力和持续作业能力较其它铺设 方法强。 t e n s i o n e r s 图2 7 s 型铺管法示意图 f i g2 7t y p i c a lp i p ec o n f i g u r a t i o ni ns - l a ym o d e 2 1 5 铺管方式小结 综上所述，海底管道铺设的四种主要方法各有其优缺点，从目前的工程应用来看，拖 曳法主要应用于近海滩涂铺设或者铺设距离较小的工程中。卷管法由于存在较大塑性变形， 1 0 大连理工大学硕士学位论文 其可铺设的管径一般小于1 6 英寸。深海铺设时一般选用j 型铺设或者s 型铺设。般认为， j 型铺设的深度相对较大，但是s 型铺设具有很多其他方面的优点通过下表可以清晰了解四 种铺管法的特点，可以很清楚的看到他们的各自的优点和缺点。 表2 1 四种铺管法对比 t a b2 1c o m p a r i s o no f f o u rp i p e l a ym e t h o d 安装方法 特征 管道在水平方向采用采用单或双接头进行装配，效率高。 优点 s 型铺设铺设速率高，典型铺设速率为3 5 千米天。 缺点 必须处理非常大的张力。 优点不需要船尾托管架。管道脱离角度非常接近垂直，所以张力较小。 由于只有一个焊接站，所以速度慢，效率低。所有操作都在垂直方 j 型铺设 缺点向上完成，所以稳定性是个难题。铺设速度慢，典型铺设速度为卜1 5 千米天。只适应于深水作业 9 9 5 的焊接工作在陆地可控环境中完成。张力相对减小，效率和成 优点 本相对较低。管道可连续铺设，作业风险小。 卷筒铺设 需要岸上基地的支持。对钢材的塑性性质要求较高，管径相对较小。 缺点 典型铺设速度为每小时6 0 0 米。 管道或立管柬在岸上制造，在车间里获得很好的焊接质量。可以使 优点 用非常廉价的拖船。可以使用各种各样的拖拽方法 7 拖拽铺设 安装长度有限。对海床的状况要求比较高。 缺点 目前只在浅水区域采用该方法。 2 2 深海s 型铺设发展现状 随着深海石油的大规模开发，深海海底管道的铺设也变得越发重要。由于s 型铺设的 效率高，成本低，人们对深水s 型铺设的研究也不断取得突破。下图就是近年来s 型铺设 的工程项目走势图。目前最深的s 型铺设记录已经达到2 7 5 0 米。 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 l - - 誊 f g u ho l 聃e x l c e ) ， ：磐 ； ：! 曼一一， 图2 8 海底管线铺设发展 f i g2 8d e v e l o p m e n to fs u b s e ap i p e l i n ei n s t a l l a t i o n 2 3 本章小结 本章介绍了海底管道铺设的四种方法，总结了四种铺设方法优缺点。指出了s 型铺设 的优势以及目前世界上s 型铺设的发展趋势。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 3 深海s 型铺设参数分析 3 1 深海s 型铺设概述 3 1 1s 型铺设基本原理 深海s 型铺设是基于浅海s 型铺设和深海j 型铺设的优点发展起来的铺设方式，它将j 型铺管的垂直施工作业转变为水平旌工作业，继承了s 型铺设中多焊站，效率高的优点， 同时省却研制垂直作业所需的复杂设备，提高了铺管船的稳定性，在铺设深度上接近于j 型。 s 型铺设方式、j 型铺设方式和深水s 型铺设方式的对比，如下图 翮 。删。，磐鼍咧o n 巨萼圣多 。 i = ：一l a y i n 窑；_ 呲h 帆产n 絮伽 蛐= 一y 删沁 i 僦挺d 一毛一 ，j i 私嘲，7 妒。，。，、。7 ；，；，：，i ( a ) 典型的j 型铺设示意图( b ) 典型的s 型铺设示意图 ( c ) 深水s 型铺设示意图 图3 1s 型铺设方式、j 型铺设方式和深水s 型铺设方式 f i g3 1s - l a yj - l a ya n dd e e pw a t e rs - l a y 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 3 ，1 2 深海s 型铺设关键问题 深海s 型铺设由于铺设深度大，环境条件恶劣等原因，需要解决以下3 个关键问题： 足够大的张紧力 适应深水s 型铺设的托管架 足够的船体稳定性和动力定位系统 3 2 深海8 型铺设线形分析 3 2 1 悬链线方程 白勇等指出对于深水铺设的情况下，可以通过悬链线对s a g b e n d 段的管线形状进行近 似估计。考虑上部受拉力，底部水平的悬链线，如图3 2 所示 图3 2 悬链线示意图 f i g3 2 c a t e n a r ym o d e l 其构型如下式所列： z = 蔓( c o s h 孚一1 ) ( 3 1 ) w ：f 式中 x ：管线上任意一点到管道触地点的水平距离 z ：管线上任意一点到海底的高度 瓦：海底处的水平力，由上一节管线的基本方程可以得到瓦= c o n s t w 。：管线的线密度 则管线的曲率为 1 4 大连理工大学硕士学位论文 0 ：管道与水平方向的夹角 j ：弧长坐标，以触地点为s = 0 经过推导，可以得到： 瓦= 南o + 瓜丽) ( 3 3 ) 式( 3 1 ) 、( 3 - 3 ) 即为底部水平，顶端承受张力丁的悬链线方程的解。对于给定张力丁的情 况下，由式( 3 1 ) 可以计算出水深为z 的悬链线几何构型，进而得到任意一点的曲率以及此处 管道的斜率。式( 3 3 ) 贝l j 可以计算对于给定深度情况下，保持某一顶端倾角为0 的悬链线构型 所需要的水平拉力，对应于管道铺设的t h r u s t 力，该水平分量所对应的管道轴向力，即为 所需张紧力( t e n s i o n ) 采用悬链线方程对管道形状进行计算简单易行，但是由于没有考虑管道的刚度，在水 深较浅或管道刚度相对较大的时候，必然会产生较大的误差。图3 3 给出了在不同深度下 采用悬链线方程与采用有限差分法计算的管线形态区别。 由图3 3 可以看出，当水深较浅时，管道的刚度不容忽略，悬链线结果与数值方法计算 出的结果差别较大。当水深较大时，在几何形态上，悬链线结果与数值计算结果几乎重合， 由此可以得到，对于较大的水深情况，可以采用悬链线粗略估计作为定性分析，并且可以 作为迭代的初始值。 a w a t e rd e p t h = 1 5 0 mb w a t e rd e p t h = 3 5 0m 秒 鉴瓦 一瓦 = 矽 z 一2 铲一出 = k 堡凼舯 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 c w a t e rd e p t h = 2 0 0 0md w a t e rd e p t h = 3 0 0 0 m 图3 3 不同水深悬链线结果 f i g3 3c o n f i g u r a t i o no f p i p e 3 2 2 深海s 型铺设的影响参数 对于深水s 型管线铺设能力，主要有以下十个因素： 托管架的长度s l 以及托辊之间的间距d 、托管架可实现的曲率半径p 。其他的因素则 包括船尾坡道角度0 m 1 唧、船身可实现的倾角e t r i m 、张紧器可提供的张紧力t 、待铺设管道 的弯曲刚度e i 、管线在水中的线密度q 、以及目标水深w d 。 3 2 。3 线形分析与托管架设计的关系 s 型管线分析对于托管架设计具有很强的指导意义，主要体现在以下几个方面： 1 概念设计选型 对于深水管道铺设，管道一般承受的弯曲应力可以达到其屈服应力的8 0 以上，而弯 曲应力的主要集中区域即位于托管架处，即o v e r b e n d 段，因此，合理选择托管架几何参数 对于管道安全铺设具有重要的意义。通过2 维s 型管线铺设，可以对管线铺设时各项参数 对铺设过程中的各项参数进行定量分析，进而给出托管架概念设计选型参数指标。 2 托管架设计工况 对于深水以及超深水管道铺设，托管架往往要承受巨大的管道载荷，管道压力也是托 管架的主要载荷。并且由于海洋环境的复杂性，在铺设过程中，管道以及托管架往往要承 受复杂的波浪载荷、风载荷、流载荷，而这些载荷都是在铺设过程中所需要考虑的，管道 1 6 大连理工大学硕士学位论文 与托管架作为一个耦合系统，对其统一进行分析，有利于更精确的评估托管架在实际使用 中的工况。因此，对于管道与托管架结构耦合的铺设分析，可以更精确的分析出托管架在 实际操作中的工况，进而对托管架的结构设计给出更准确的设计载荷。 3 概念优化 对于设计中的托管架或者已经建造中的托管架，可以根据其结构形式建立有限元模型 进行管道铺设分析模拟，进而找出是否存在优化空间，以及对优化结果进行评估。 4 设计实验方案及使用过程中的监测方案 托管架作为特种结构需要进行模型试验，管道铺设可以为其提供实验载荷在实际使用 中需要布设多种监测装置以保证施工安全，通过事先进行的数值模拟分析，可以更准确的 确定所需监测的危险点。同时，对于超深水情况下s a g b e n d 段的管道监测，如果能够建立 一个精确的管道铺设数值模型，从而建立托管架某状态参数与s a g b e n d 段管道状态的一一 对应关系，则可以简化监测方案，仅通过相对简单的托管架监测实现管道的安全铺设。 3 3 深水s 型铺设托管架的发展动态 在实际使用中，托管架要承受管线的巨大压力，产生一定的变形，从而导致其曲率半 径不满足要求，可能发生托管架自身强度破坏或者其垂向弯曲刚度不足，产生较大的变形， 引起整体半径的变化从而导致管线断裂。 从采用形式上来看，目前s 型铺设采用的托管架形式主要以下三种，如图3 4 所示 固定半径结构托管架：钢架形式，其半径固定，对应可铺设管径一定，为海底管道铺 设早期所采用的一种托管架形式，直线型为其特例； 可调半径结构托管架：托管架则采用分段桁架形式( 一般为2 4 段) ，各段之间采用 铰接连接，通过调整各段之间的相对角度以及托辊支撑的高度，可以实现一定范围内的半 径变化，从而使其对应的可铺设管径以及水深比较丰富；并且由于各段桁架部分可以相对 较小，施工装卸也具有很大的便利，是目前深海s 型铺管所采用的主要托管架形式； 柔性可控半径托管架：浮体机构形式，通过调整个部分不同的浮力以及压舱力，实现 托管架半径的连续变化，并利用其自身的浮力来承担铺设时管道的重力。理论上此类托管 架可以实现半径的连续可变，但由于机构的可控性较差，目前尚未查阅到文献提及其具体 工程应用。 1 7 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 图3 5s - l i f t 系统 f i g3 5si rs y s t e m s o l i t a i r y 铺管船是a i i s e a 公司在上世纪9 0 年代投入使用的世界上最大的铺管船，是s 型铺管船的代表。该船采用先进的动力定位系统，配有强大的张紧器能力和托管架选调系 统，在其升级前已经在管道铺设深度方面创造了记录，铺设深度达到2 7 5 0 m 。随着铺管逐 渐走向深水，深水管道s 型铺设的优势逐渐显现出来，铺设速度快，效率高。面临将更粗 的管道铺设到更深的海域挑战，a l l s e a 公司又将其进行了升级改造，升级改造主要包括i 三l 下 几个方面： 大连理工大学硕士学位论文 3 4 本章小结 本章对s 型铺设原理进行了介绍，给出了s 型铺设走向深水的关键问题。对s 型铺设 的线形进行了研究，给出了影响s 型铺设线形的主要参数以及它们之间的关系。悬链线方 程作为研究线形的有效手段也做了详细的阐述。最后指明了托管架在s 型铺设中的重要作 用，以及目前世界上先进托管架的发展和改造。 1 9 深水s 型托管架设计中的力学问题研究 4 托管架设计方法及参数分析 41 托管架设计流程概述 托管架的设计流程主要包括概念设计和详细设计，概念设计包括托管架的初始长度和 曲率半径的确定，详细设计包括托管架分段形式，截面形式，各段涟接方式，滚轮箱形式 以及结构验证等工作。下图就是托管架设计流程图： _ 日o * a z 目# g - o 日，目- ；目w 珊 托管架设计蚧耻 图4 l 托管架设计要素和设计流程的逻辑关系圉 f i 9 4 lf l o w - c h a r to f d e s i g no f s t i n g e r 4 2 托管架基本设计参数分析 对于深水s 型管线铺设，其主要影响因素包括以下