动力定位作用下S型铺管作业耦合运动分析

文章建立了S型铺管船的船体、托管架和管线动态耦合模型。考虑了海浪、风和海流载荷作用下以及动力定位系统的控制下,分析时域内管道对船舶运动和受力特点的影响。主要包括：建立起重铺管船的动力定位运动模型,建立基于碰撞-接触原理的V型托辊和托管架模型,设计具有PID伺服系统的张紧器模型,提供连接托管架和船尾的非线性弹性铰接模型。进行时域动态模拟得到结果,通过与非铺管作业工况下的运动响应的对比表明,管线对船舶横摇运动影响较大,对纵摇和垂荡运动有一定程度的影响;管道对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的受力影响极大。     

作业状态下铺管船托管架联合体的水动力性能研究

本文将铺管船托管架联合体为研究对象,对100%装载铺管和10%装载铺管两个极限工况进行数值模拟计算。以此为数据基础,对铺管船铺管作业期间多个浪向下的水动力性能进行研究。通过多海况多浪向下的船舶运动计算结果对比,详细分析托管架对铺管船水动力性能的影响。结果托管架对于船体的垂荡运动的影响较大,并随浪向的变化而不同。且加装托管架后,船体的横摇运动大幅减弱。     

托管架结构的动力响应分析

S型铺管法的铺管船、管道与托管架之间存在很强的动力耦合作用,难以依靠理论或数值方法准确地得到管道对托管架的动力作用。因为设计荷载的未知,托管架在铺设时的动力响应也难以确定。本文提出了一种能够分析托管架动力响应的方法,利用模型试验测量托管架的托辊动荷载,并建立原型托管架的有限元模型,将托辊动荷载及船体运动作为时域分析的荷载和边界条件引入有限元模型,并根据工程规范对托管架的动强度和动刚度分别进行了验证。     

基于Workbench-AQWA的铺管船托管架结构时程分析

选择上海振华重工设计制造的用于铺设海底管道铺管船托管架作为研究对象，通过AQWA软件得到铺管船与托管架的运动响应幅值算子（RAO），并通过时域分析计算铺管船与托管架在实际海况下的波浪载荷和加速度时程；采用OFFPIPE软件对不同管径、水深的管道-托管架模型（线-点模型）进行动态铺设分析并得到托辊反力；根据托管架受载的特点，以加速度时程作为托管架的载荷条件对其进行结构时程分析，对比在规则波与不规则波海况下的应力水平。研究成果为后续托管架设计奠定基础。     

J型铺管船动力定位性能研究

本文对J型铺管船的静、动态动力定位性能开展研究,得到风速包络线和推力使用率,确定了铺管船能够抵抗的极限载荷,以及在作业工况下推力使用情况。在时域中对动力定位的J型铺管船进行了运动模拟,确定了船舶的定位精度,并对铺管作业对定位能力的影响展开研究,研究了以不同角度进行管道铺设时对推力使用率的影响,在时域中研究并比较分析了进行铺管作业船舶的动力定位精度。本文明确了船舶在铺设管线时的动力定位能力,为工程实践提供参考。     

基于管道极限承载能力分析的深水S型铺管托管架基本设计研究

S型铺管托管架是铺管系统中的重要装备,起到支撑管道和引导管道入水的作用。其基本设计流程是一个复杂的循环过程,涉及铺管船推进力、张紧器张力、待铺设管道的尺寸和铺设水深等诸多参数的平衡和优选。本文基于下弯段管道在弯曲、拉伸和外压综合荷载作用下的极限承载能力分析,求解了铺管船推进力和张紧器拉力,并以此为边界条件推导了托管架长度的参数公式。以2500米水深铺设12英寸管道为例计算了所需的托管架曲率半径和设计长度,该计算方法可为S型铺管船托管架的基本设计提供参考。     

某起重铺管船航行中的托管架绑扎校核与结构分析

基于MOSES软件,建立某起重铺管船的船体模型及船体-托管架模型,计算船体-托管架在极限工况下的运动响应,得到船体-托管架的响应幅值算子(Response Amplitude Operator, RAO)值,将RAO值导入结构分析计算机系统(Structural Analysis Computer System, SACS)进行船舶航行中的托管架绑扎校核与结构分析。计算结果显示,在极限环境条件下,该船的稳性、总纵强度及艉部托管架结构均满足航行安全要求。计算方法可为同类船舶的航行安全提供参考。     

深水海底管道铺设托管架模型试验研究

针对深水铺管船的托管架,运用半实物仿真试验系统进行了研究,设计了比尺为1:20的室内托管架模型试验,运用研发的运动台模拟铺管船运动,通过半实物仿真试验,测试和分析了深水S型托管架在铺设过程中的关键力学行为。     

铺管船托管架结构动态监测系统的研究应用

近年来结构健康监测技术不断发展,现已成熟应用于桥梁、隧道、船舶以及海洋平台等结构物的健康监测中,但面向铺管船托管架结构健康监测技术的应用研究仍处于空白状态。在此研究背景下,本文以某铺管船为例,研究开发了一套适用于铺管船托管架的结构作业动态监测及预警系统,实现了对托管架结构健康实时和科学的监测。为保证监测系统的安全性,进行了防护密封方案研究,并通过模型试验验证了方案的可靠性。最后通过海上测试采集监测数据,对实测数据进行分析,确保托管架的安全性。     

铺管船运动补偿系统的设计与研究

为了减少铺管船在风浪中的升沉运动对托管架、缆绳以及铺管作业效率的影响,可在铺管船上建立一个运动补偿系统。文章以铺管船FORTUNA为研究对象,对该系统进行了方案设计,介绍了该系统的结构组成和工作原理,并用MOSES软件建立模型,进行频域和时域分析,分析涵盖了各个不同铺管半径的作业工况。分析结果表明,这套运动补偿系统的设计合理,且技术上可行。     

深水S型铺管的管道形态与内力计算程序开发

深水海底管线的铺设主要采用S型铺管的方式，在铺管船船尾设有托管架以支撑和保护管道，并控制管道入水的角度，保证管道安全。依托某深水铺管船项目，根据S型管道的特点，将其分为上弯段、中间段和下弯段三部分进行力学分析；利用MATLAB软件编写程序，计算不同铺设工况下的管道形态和内力，以OFFPIPE的计算结果为参照，验证本程序的可靠性和准确性。针对在实际铺管过程中并不能保证管道与每个托辊都接触的问题，在程序中设定指定托辊不接触的情况。计算结果表明，该工况下管道在后一个托辊处将受到较大弯矩作用，可能引起失效，应引起关注。     

陆丰7-2海底管道铺设敏感性分析

海底管道铺设过程的敏感性分析是海底管道安装设计的重要内容,通过海底管道铺设敏感性分析可以明确铺管作业的操作参数,为海上铺管作业提供支持,并有效识别铺管过程的潜在风险。采用铺管软件OFFPIPE建立海底管道铺设模型,对陆丰7-2海底管道铺设张力、水深和托管架角度等参数敏感性进行了分析,明确了蓝疆号铺管船的铺管作业参数,为安全可靠地铺设海底管道提供了技术支持。     

深水S型铺管作业中托管架多参数优化

合理地调整托管架滚轴位置,可以保证深水S型铺管作业安全,提高铺设效率。基于集中质量法理论,考虑海床、海流的影响,建立深水S型铺管的三维管线数值模型,用Newton-Raphson法展开,对离散型托管架模型进行静力迭代求解。在静力求解基础上,以管线最大弯矩最小为目标函数,用进化差分算法对离散型托管架的滚轴高度和每段托管架的角度等众多参数进行优化。通过算例验证了优化方法的有效性。优化后的弯矩可比原设计减小10.9%。     

千米级水深铺管船托管架铰支座改造设计研究

本文简要介绍了海洋石油201铺管船在千米级水深铺管工况下的船体强度校核及托管架铰支座改造设计方案。为适应千米级水深海底管道铺设作业的使用要求,遂对正常铺管工况(空管)、极端铺管工况(管道进水)和生存/待命工况下的船体及托管架铰支座结构强度进行有限元分析,其结果显示在船体与托管架铰支座连接处的结构存在应力超值的情况,不满足规范要求。因此,需对托管架铰支座及附近的船体结构进行加强改造设计,使船体及铰支座结构强度均满足规范要求,满足千米级水深海底管道铺设的使用要求。     

铺管船运动响应及对铺设管线的耦合作用

[目的]随着深海海洋资源的不断开发,铺管船在海底管道铺设任务中扮演着非常重要的角色,故有必要开展浅水铺管船提升作业能力的分析工作。[方法]以"中油海101"号铺管船作业能力提升实际工程项目为依托,运用SESAM和Orcaflex软件分析铺管船在增加作业水深时其铺设管道与船体及系泊系统的相互作用,包括管道和管道水下悬垂段对船体运动响应和锚链张力的影响、船体六自由度运动对管道张应力和弯曲应力的影响。[结果]结果表明:管道对船体运动和锚链张力的影响较大,管道水下悬垂段的长度对船体纵荡运动和锚链张力的影响较大,铺管船垂荡运动对管道受力的影响最大。[结论]研究成果可为浅水铺管船作业能力提升项目提供理论参考和评估依据。     

铺管船定位作业时的建模与分析

建立了J型半潜式铺管起重船非线性船舶运动数学模型和环境模型。采用自然悬链线法得到管道对船舶的近似动态水平作用力模型,给出了随着船体运动管道受到的作用力和管道形状的变化。针对铺管作业时张紧器和管道间的恒张力问题设计了控制器,控制器限制了船舶的运动和管道作用力的变化率,从而使管道和张紧器之间不会出现滑动,保证了铺管作业的安全性。     

新型深水立管提升系统设计及展望

描述了深水油气开发中立管安装工艺、关键技术和分析方法。针对S型铺管船进行立管安装时存在的托管架难以靠近平台、张力转化复杂,水下操作多等难题,设计了一套全新的深水立管提升系统。该系统适用于1 500~3 000m水深处钢质悬链线立管(SCR)的安装,实现了S型铺管船在铺管完成后即能直接进行安装立管,减少了大型船舶的动复员,有效节约了成本。另外,这套深水立管提升系统通过改进也可用于安装其他管道上的结构物。     

深水海底管道S型起始铺设中海管的完整性评估

以中国南海荔湾深水气田开发项目为依托,以具备动力定位的HYSY201作为铺管船,开展深水海底管道S型起始铺设过程中海管的结构完整性评估。采用海管、铺管船、起始缆、起始端PLET和辅助浮筒系统耦合动态分析方法,通过合理设计托管架半径、海管离去角、海管铺设张力以及作业气候窗,使得在整个起始铺设和正常铺设过程中,海管的Von Mises应力、结构应变以及局部屈曲均满足设计及规范要求。     

S型铺管中上弯段管道受力研究

在使用S型铺管法铺设海底管道过程中,位于托管架上的管道(简称为上弯段)因受到较大的张力、弯矩及托管架的支撑反力作用,容易发生局部屈曲破坏。文中将托管架简化为连续型和滚轮支撑型两种,对连续型托管架上的管道进行了理论研究,并利用非线性有限元方法模拟了滚轮支撑作用下海底管道的受力状态。然后以12英寸管道为例,将两种托管架上的管道应变分布进行了对比。结果表明在连续型托管架上管道应变是一条直线;而滚轮支撑托管架上应变为波浪线,在滚轮作用处较大,滚轮之间较小。而且,应变随着张力的增大而增大,随托管架半径的增大而减小。     

S型铺管船固定式托管架设计

以某铺管船设计项目为依托介绍了固定式托管架的基本设计、结构设计和连接锁紧装置设计及计算。该托管架总长约79 m,高约7 m,铰点间距15.5 m,可应用于水深最大为350 m、管径为4 in~60 in的管线铺设,并可在5级海况(风速22.7 m/s,有义波高4.0 m)下待命而不弃管。