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1、 海洋铺管托管架系统的结构强度分析 李华祥，范会渠，张维磋，罗明聪，钱建华 上海利策科技股份有限公司，200233 摘摘 要要 本文以有限元方法为分析手段，对某 S 型海洋铺管工艺中托管架系统的结构强度进行整体分析 计算与强度校核。整个分析模型在 Ansys 平台建立并分析计算，海洋波浪动态载荷通过水动力 海洋模拟工具 Moses 计算获得，铺管管道对托管架系统的载荷通过铺管工艺分析工具 Offpipe 计算获得。通过多学科分析工具的联合分析计算，最终建立起海洋铺管托管架系统的数值分析 模型，并计算得到整体结构的应力分布，为铺管工艺设计提供可靠的强度分析数据。 关键词关键词 托管架；有限元；A
2、nsys；Moses；Offpipe Structural Strength Analysis of Stinger System during Offshore Pipe-Laying Huaxiang Li, Huiqu Fan, Weicuo Zhang, Mingcong Luo, Jianhua Qian Shanghai Richtech Engineering Co.,Ltd., 200233 Abstract This paper presents a Finite Element approach for structural strength analysis and st
3、rength verification of stinger system during S-type offshore pipe-laying. The whole model and the numerical simulation are built in Ansys. The wave dynamic load is calculated by means of the offshore motion analysis package Moses and the interaction force of pipelines on the stinger is obtained with
4、 aid of the pipe-laying tool Offpipe. Based on the multi-disciplinary analysis and computation, the numerical model of pipe-laying stringers is finally built up. Then, the stress distribution in the whole stringer system can be calculated. The numerical results provide important structural response
5、data for pipe-laying system design. Keyword Stinger; Finite Element Method; Ansys; Moses; Offpipe 1 前言 海上油田生产平台所生产的油气的收集与运输，都是通过铺设在海底的管线系统来实 现的。海底管线的铺设是通过铺管船或加上拖轮将管道安装到海底，并完成与海上平台或 路上终端联结的相关作业过程。目前，世界上利用铺管船进行海底管道铺设主要常见有四 种方法：S 型铺管法、J 型铺管法、拖曳式铺管法和卷管式铺管法。其中 S 型铺管方法由于 铺设成本低、铺设速度快、管焊接焊缝质量高等优点而成为当前海底管道铺设
6、最常用的方 法，其铺设工艺的示意图如图 1 所示1。 对于 S 型铺管方法，支撑管线的托管架参数设置对确保铺管施工质量起到至关重要的 作用，其结构强度设计也是铺管系统设计的关键。传统的理论分析方法，由于分析模型过 于简化，其结果与实测有较大的差距。近年来，随着有限元数值仿真工具的逐渐普及，以 及海洋模拟软件的逐步完善，基于数值分析方法的托管架结构强度分析已逐渐成为 S 型铺 管设计的重要手段1-3。本文正是基于这一思想和趋势，在 Ansys 分析平台上，充分运用当 前海洋环境水动力分析工具和铺管工艺模拟工具，建立起托管架系统的多学科数值模拟模 型，并计算获得托管架整体结构在复杂海洋环境条件下铺
7、管工艺中的应力分析，并对此结 构强度进行校核，为其工艺设计提供可靠的分析数据。 图 1 S 型铺管法示意图 2 分析方法 传统结构强度计算多基于结构性单元理论解，在理论分析基础上，并对整体结构与载 荷边界条件进行一系列简化，然后获得结构的应力应变等解析解或半解析解。所以该方法 只适用于一些简单结构求解，并往往由于采用过多假设而带来很多计算误差。近几年，随 着有限元方法及其软件工具的日臻完善和普及，以数值方法为基础的有限元结构分析计算 已越来越得到工程界的认可和广泛推广。相对于传统理论分析计算，对于复杂的工程问题， 有限元数值模拟与计算，可以得到更精确的结果。同时对任何复杂结构和载荷工况，有限
8、元计算都能较为灵活地处理。本文正是基于有限元数值方法为基础，以商用流行 CAE 有限 元软件 Ansys 为分析平台，对托管架系统进行结构强度分析计算。 对海洋铺管工艺的模拟，一个难题就是铺设管道对托管架系统作用力的确定，该作用 力也是托管架结构分析的主要外载荷之一。 本文采用海洋工程铺管模拟软件 Offpipe 对铺管 进行分析计算，并将获得的铺管与托管架之间连接机构即支架的支座反力，作为外部载荷 施加到托管架结构系统。同时，海洋动态环境条件，如波浪所引起的动态载荷效应，通过 水动力模拟软件 Moses 计算获得，并在 Offpipe 模拟铺管工艺时施加到模型上。 3 铺管力计算 铺管对托管
9、架作用力的计算，应考虑两方面影响因素。首先是海洋动态环境条件的影 响，其次是铺管参数（如张紧器张力、托辊高度等参数）对铺管工艺的影响。 对于铺管工况条件，本文所考虑波浪条件如下：有义波高 2.5 米，计算波峰周期范围 为 6-12 秒，计算浪向角 0、45、90、135、180，波谱选用 JONSWAP 谱，波谱参数 = 2.0。其中浪向角为波浪入射方向与铺管船纵向中心线正向夹角，铺管船纵向中心线正向定 义为船尾指向船头。该船中心线与托管架中心线重合。 根据上述计算海况条件，采用水动力模拟分析软件 Moses 对铺管船进行运动分析，其 中铺管船尺寸为：长 120 米、宽 35 米、高 10 米
10、，吃水 6.2 米，排水量为 25710 吨。通过 Moses 模拟计算获得托管架与铺管船尾端连接点以及铺管船重心点在计算波峰周期范围内 6 个自由度的最大运动幅度，见表 1 与表 2。表中，纵荡为铺管船纵向（x 轴）位移，横荡 为水平面内垂直船纵向（y 轴）位移，垂荡为船垂向（z 轴）位移，横摇为船绕 x 轴转角， 纵摇为船绕 y 轴转角，首摇为船绕 z 轴转角。 表 1 托管架与铺管船连结点最大运动幅度 浪向角 (Deg) 纵荡 (m) 横荡 (m) 垂荡 (m) 横摇 (Deg) 纵摇 (Deg) 首摇 (Deg) 0 1.08 0.12 3.65 0.33 2.86 0.10 45 1
11、.05 1.26 3.86 3.98 2.58 1.01 90 0.16 1.84 3.60 6.97 0.36 0.20 135 1.16 1.77 3.46 4.33 2.54 1.05 180 1.20 0.16 2.88 0.38 2.58 0.11 表 2 铺管船重心最大运动幅度 浪向角 (Deg) 纵荡 (m) 横荡 (m) 垂荡 (m) 横摇 (Deg) 纵摇 (Deg) 首摇 (Deg) 0 0.97 0.07 1.26 0.34 2.87 0.11 45 0.92 0.90 1.57 4.00 2.71 1.02 90 0.13 1.62 2.05 6.98 0.46 0.2
12、3 135 1.02 0.95 1.54 4.34 2.75 1.06 180 1.10 0.07 1.20 0.39 2.59 0.12 铺管船铺管能力以及铺管对托管架分析采用行业通用软件 Offpipe 来进行分析计算， 分 析计算基于 S-Lay 铺设方法。Offpipe 软件是海上石油工业常用的分析设计计算软件，特别 是海上管道的安装模拟常基于该软件进行分析设计。Offpipe 基于非线性有限元分析方法模 拟海底管道铺设动态响应， 同时考虑大位移和材料非线性变形。 本文正是采用 Offpipe V2.07 进行铺管工艺分析，并计算获得铺管对托管架的作用力。 本文分析的托管架分两段，即
13、A 段与 B 段，这两段的结构示意图见图 2 与图 3。两者 之间连接关系为：上端两者为铰接，下端两者为固接。托管架 A 段右端与铺管船相连，A、 B 段上面的 12 对支架为支撑铺设的管道。铺管船上有两个张紧器为管道提供张力，共提供 90 吨张力。铺设的管道直径为 711 毫米，壁厚 17.5 毫米，管道材料为高强度钢。铺设水深 85 米，最小铺设半径为 250 米，铺设转角（铺管与海平面夹角）为 8，管道最大应变不超 过 0.25%。依据这些铺设参数，在 Offpipe 里建立铺管分析模拟模型，模型同时考虑表 1 与 表 2 的海况条件。 通过 Offpipe 分析计算，发现在浪向角 45
14、时，铺管最困难，此时铺管对托管架作用力 最大，即在此海浪工况条件下，当浪向角为 45时，托管架承载最大。表 3 给出该条件下铺 管与托管架之间 12 对连接支架的作用反力。 表 3 铺管支架最大载荷作用力 支架对 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 支架压 力 KN 97.2 89.8 94.6 90.3 69.2 27.8 36.2 74.6 175 208 233 277 图 2 托管架 A 段结构图 图 3 托管架 B 段结构图 4 有限元模型 工程中实际铺管工艺涉及铺设管道、铺管支架、托管架、托管架横撑、悬挂系统、连 接托管架与悬挂系统的钢丝绳、铺管船、推进器、
15、以及张紧器等机构。作为演示算例，本 文将采用一种简易的结构形式来模拟托管架系统。 4.1 几何模型 托管架 A、B 段结构示意见图 2 与图 3，考虑工程实际铺管工艺需要，两者连接往往有 一定角度以便上面铺管可以尽可能光滑向下铺设。本文托管架 A 段与 B 段夹角 170，最终 建立起整个托管架的有限元模型。在有限元分析模型中，托管架 A、B 段上的 12 对支架也 是外加载荷（铺管作用力）施加点位置，铺管力见表 3 所示，整个托管架主尺度和有限元 模型如图 2-5 所示。 在 Ansys 建模时，坐标系为右手直角坐标系，坐标原点定在托管架 A 段与铺管船连接 构件的交接点。有限元模型中单位分
16、别为：长度为毫米 mm，质量为千克 Kg，力为牛顿 N， 压强与应力为兆帕 MPa。 图 4 托管架有限元模型图 图 5 托管架俯视图 4.2 材料属性 托管架结构主要由钢管和板材焊接组成，钢管与板材材料均为高强度钢，其主要材料 性能参数为：弹性模型 207GPa，泊松比 0.3，密度 7850kg/m3，屈服强度 345MPa。 4.3 单元划分 托管架主要构件为杆件单元， 本文选用三维梁单元BEAM189单元进行模拟。 BEAM189 适合于模拟细长梁结构，可适用于线性、大转角、以及非线性大应变等情况。根据整体结 构尺寸大小，托管架梁单元网格尺寸控制在 100300mm 内。对于应力集中的部位，如托管 架 A、B 段连接处，托管架 A 段与铺管船连接等部位采用较小的网格尺寸控制，以获得精 确的应力集中计算。 托管架与铺管船连接处为钢板焊接，采用壳单元 SHELL181 进行模拟。两段托管架之 间也采用壳单元 SHELL181 过渡，以便更真实模拟托管架的连接关系。壳单元 SHELL181 适用于薄到中等厚
