汤 珂，李 斌，高庆有，樊 鹤，郭 薇，倪明晨
(1.北京高泰深海技术有限公司，北京 100029；
2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)
管道终端(Pipeline End Termination，PLET)作为常见的水下生产系统组成部分已进行大量安装与应用。目前，PLET安装方案主要分为在线安装和舷侧安装两种。在线安装随海底管道敷设进行，效率较高，但有尺寸和适用水深的限制[1-4]。舷侧安装则已成为PLET深水安装的主要方案。小型分体式结构的PLET随单层海底管道安装方式已在流花和陵水等项目中多次应用[5-7]，积累了一定的经验。为满足特定油田工艺的保温要求和沙坡区地质要求，研发带防沉板的整体式PLET随双层海底管道安装方式。本文从安装分析方面研究计算分析模型及参数，并通过计算分析总结双层整体式PLET安装的关键点，可为实际工程应用提供参考。
1.1 双层整体式PLET
双层整体式PLET的双层指PLET连接的海底管道是双层管，整体式指PLET本体与防沉板设计成一个整体的结构形式。某项目的双层整体式PLET如图1所示，相应参数如表1所示。
图1 双层整体式PLET示例
表1 某项目PLET主要参数
1.2 PLET舷侧安装主要过程
PLET舷侧安装主要依靠一套舷侧下放系统(PLET Launching System，PLS)，按照海底管道回收、海底管道悬挂和PLET下放等3个阶段[7-9]的先后顺序进行过程安装。在PLET舷侧安装之前先通过S形铺设方法铺设海底管道，海底管道的管端安装J-collar和拖拉头(pull head)用于回收，通过A &R(Abandon and Recovery wire)缆回收海底管道至舷侧的悬挂装置(hang-off clamp)固定并完成与PLET的组对焊接，最后用A &R缆连接PLET并完成入水下放。国内深水铺管船海洋石油201船左舷装备一套舷侧下放系统，原理示例如图2所示，本研究基于该船及其下放系统进行。
图2 PLET舷侧下放系统示例
1.3 PLET舷侧安装分析模型
舷侧安装分析设计基于海洋工程结构有限元软件OrcaFlex软件，根据安装船、海底管道、PLET和环境参数建立海底管道回收、海底管道悬挂和PLET下放的计算分析模型，对管道及辅助设备的能力进行校核，给出安装设计参数如海底管道悬挂角度、船位、A &R缆的张力和长度、安装天气窗口等。PLET模型使用6D buoy进行模拟。动态计算的安装船运动使用规则波和运动响应幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)进行计算，设定环境条件为横浪、有义周期为10 s、有义波高为2.5 m组合的关键工况，不考虑海流。海底管道悬挂和PLET下放模型如图3和图4所示。
图3 海底管道悬挂模型
图4 PLET下放过程模型
2.1 双层管建模分析方法
双层管管节如图5所示。双层管建模方法分为等效单层管模型和内外管分别建模的双层管模型。
(1) 等效单层管模型。假设内外管为一个整体，等效单层管模型的干重、湿重、轴向刚度、弯曲刚度与双层管相同，水动力参数与外管相同。软件不能直接计算内外管的载荷和校核结果。在使用载荷组合工况校核时，内管承担的张力和弯矩分别为内管占双层管整体截面积比例的张力和内管占双层管整体弯曲刚度比例的弯矩，外管承担张力和弯矩分别为双层管整体最大张力和外管占双层管整体弯曲刚度比例的弯矩[10]，再按照各自参数进行规范校核。这种建模方法便于软件快速计算，舷侧安装分析适用性有待于进一步评估。
图5 双层管管节
(2) 双层管模型。可通过OrcaFlex软件的line单元及Line contact建立双层管模型[11]。需定义内外管位置关系、接触关系和位置(Penetrator)、接触面积、刚度和摩擦因数(根据设计还可定义锚固件bulkhead，即双层管段的内外管刚性连接件)。外管主要载荷为重力、浮力和水动力，内管主要载荷为重力，不受浮力和水动力载荷影响。外管可设置成Splined line，内管用Penetrating line，内管通过Penetrator传递接触载荷(具有刚度和摩擦属性，能传递内外管径向载荷和轴向摩擦力，忽略重量)，如图6所示[11]，内外管除J-collar和bulkhead处外其他地方无轴向约束。J-collar和bulkhead通过内外管施加固定约束实现。软件可分别计算内外管的运动、载荷和校核结果。这种方法符合实际，还能预测内外管之间的相互作用载荷，同时方便直接用软件进行规范校核，但也存在建模更复杂、收敛和耗时方面的问题。
以某项目12英寸/18英寸(1英寸≈0.025 4 m)双层管为基础进行研究，管道参数如表2所示。分别用等效单层管模型和双层管模型建立该双层管的海底管道悬挂分析模型。等效单层管模型参数如表3所示。
用这2种双层管建模方法分别建立舷侧悬挂分析模型。水深约300 m。管道长度相同，上端都固定约束于船舷相同位置和角度，下端锚固于海床。船和管道的布置相同。不考虑海流作用，分别计算并输出外管的静态应力分布，如图7所示。由图7可知，等效单层管模型的静态结果相对保守，静态结果的最大值都在管道触地点位置。
图6 双层管模型示例
表2 12英寸/18英寸双层管参数
表3 等效单层管模型参数
图7 海底管道悬挂静态结果对比
使用相同的环境条件计算对比动态结果，2种模型的管道动态应力分布如图8所示。由图8可知，等效单层管的模型的动态结果也相对保守，两者动态结果的最大值仍在管道触地点位置，动态悬挂点位置管道受力增加明显，若有海流作用则会进一步增加。
图8 海底管道悬挂动态结果对比
综合静态和动态结果的对比，双层管的悬挂分析使用等效单层管模型结果是保守的，前期设计可用以快速计算评估安装可行性。
2.2 双层管模型相关参数对结果的影响
双层管模型的主要参数有与内外管接触相关的接触刚度、接触面积和接触位置。此外，按照实际设计内外管之间某些位置还会有锚固件，对计算结果也会有一定的影响。在双层管模型的基础上分别使用0.5、1.0、2.0和3.0倍接触刚度，分别进行静态和动态计算分析其敏感性，外管动态应力分布对比结果如图9所示，可见接触刚度对外管受力影响很小。此外，接触面积也有相同的分析结果。
图9 管道载荷的接触刚度敏感性
还需考虑双层管锚固件的影响，实际悬挂状态的双层管悬链线某一位置会设计锚固件。因此在双层管模型的基础上增加1个锚固件，即增加内外管的固定约束，分别位于距悬挂位置100 m、200 m、400 m和600 m着泥点附近。分别进行静态和动态计算，外管的应力分布如图10所示。由图10可知，锚固件以上的外管受力有小幅增加，受力危险位置仍在触地点区域。
图10 管道载荷的锚固件位置敏感性
2.3 双层管的内外管接触载荷
双层管模型除了可计算并校核管道外，还可计算并提取内外管的作用载荷，有助于对内外管之间的结构进行校核[12]。双层管模型内外管之间静态和动态接触载荷分布如图11所示。由图11可知，接触载荷出现在设置接触约束的位置，其中最大值位于触地点区域。动态接触载荷增加不明显，动态最大值仍位于触地点区域，使用该结果对支撑结构进一步校核。
图11 内外管静态和动态接触载荷
整体式PLET由于带防沉板，具有重量大、面积大的特点，在安装过程中重心位置对连接管道的影响也更大。整体式PLET面积大，入水后由于受到更大的水动力载荷，会对所连接的海底管道施加更大的载荷。在PLET下放过程中，PLET角度由近似竖直状态逐渐变为近似水平状态，直至最终着泥成为水平状态。将PLET在波浪区和接近着泥作为2个关键工况对其重心位置和水动力参数影响进行研究。
3.1 重心位置
重心位置主要指重心在PLET长度方向(或所连接管道轴线方向)的位置，通常在转动臂的转轴附近。以转轴位置为原点，分别将0 m、±0.1 m和±0.2 m(靠近海底管道的方向为正)等5个位置设置为重心，动态计算得到2个关键工况的管道最大应力结果分布，如图12和图13所示。重心靠近海底管道有利于缓解PLET在波浪区时的管道受力，而重心远离海底管道有利于缓解PLET在接近着泥时的管道受力，总的来说PLET接近着泥为控制工况，PLET重心位置设计尽可能偏向远离海底管道并在转轴附近。
图12 管道载荷的重心位置敏感性(波浪区)
图13 管道载荷的重心位置敏感性(接近着泥)
3.2 水动力参数
整体式PLET的防沉板面积较大，对PLET水动力因数中的垂向拖曳因数和垂向附加质量因数影响很大。按照规范[12]，该PLET的水动力参数如表4 所示。分别对垂向拖曳因数和垂向附加质量因数增加±10%和±20%，计算PLET在波浪区和接近着泥时管道的动态响应敏感性。主要受影响的是PLET在接近着泥时的工况。由图14和图15可知，垂向拖曳因数和附加质量因数增加会造成PLET连接管道的载荷增加，且垂向附加质量因数的影响更明显。
表4 PLET主要水动力参数
图14 管道载荷的垂向拖曳因数敏感性(接近着泥)
图15 管道载荷的垂向附加质量因数敏感性(接近着泥)
双层整体式PLET舷侧安装悬挂分析的双层管模型和等效单层管模型均适用，等效单层管模型可用于模型前期可行性研究。双层管模型更精细，便于校核，能输出内外管接触载荷，进一步详细的安装设计建议使用双层管模型。双层管模型与接触相关的接触刚度、接触面积、锚固件位置等对管道载荷影响较小，内外管接触载荷最大位置在触地点位置附近。随着双层管应用水深进一步增加，相关参数影响和安装过程的接触载荷会变大，有待进一步研究。
整体式PLET重量大、面积大，重心位置尤其是水动力参数的垂向附加质量因数对安装过程中管道的载荷影响较大，在安装设计中须重点关注，同时也可以作为PLET结构设计的参考。
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