海洋深水管线S型铺设过程动力分析

摘要

随着科学技术的发展进步和人类对于海洋油气资源认识的日新月异，开发海洋深水油气资源工程技术已成为世界石油能源工业的焦点和科学研究创新的前沿。当前国内外的海洋油气资源开发趋势是由浅水向深水发展。因此，素有海洋油气资源生命线美称的海洋管线，其铺设必然向深水发展。
　　海洋深水管线铺设受客观海况及现场施工等多种因素的影响，具有典型的强非线性特征，铺设过程中管线的形态、运动及其控制问题相当复杂。本文以我国南海深水油气田开发的大环境为背景，选取500m水深海洋深水管线S型铺设过程为研究对象，引进国际先进的海洋工程专业软件OrcaFlex进行海洋深水管线 S型铺设过程动力学分析。据称，世界上第一条海底管线铺设于1939年，自此，S型铺设完成了世界上75％的海洋管线铺设工作。
　　国内研究人员经过三十多年对铺管船S型铺设方法的研究，取得了一定成果。但是，国内以往的研究成果、大部分文献资料局限于二维、静态问题的处理研究，即使考虑动态也是通过二维的简单处理。虽然分析方法具有多样性，但是仍然没有良好的解决速度、精度及通用性的方案，学术性味道浓烈，与实践联系不紧密。此外，目前国内仍然没有良好的管线铺设专业国产软件可用，而国外已有商业化海洋工程软件应用于实践中并取得了不错的业绩。
　　本文在借鉴前人研究S型铺管船管线铺设作业铺管静力分析成果的基础上，对海洋深水S型管线铺设的数学模型建立及其求解方法进行了深入研究。本文将S型铺设中的海洋管线划分为上弓段、悬垂段及触底段三部分，管线静平衡微分方程的建立依据非线性梁理论，方程求解采用刚性悬链线方法；基于扩展型Morison方程进行水动力学分析。计算中，依据计算数据特点，分别采用显式积分和隐式积分两套求解方案。采用OrcaFlex建立S型铺设模型，辅以Matlab进行数据分析，考虑了铺设管线的几何非线性性质及管线与海底的非线性作用。在上述模型中，考虑了风、浪、流、海底等海洋环境因素和铺管船航行速度、铺管口径及壁厚对S型管线铺设的影响，其中对风、浪、流的0°、90°、180°三个方向及海底三层流和铺管船航速进行了特色分类探讨。通过模拟计算，我们发现风、浪参数对S型铺设影响较小，流参数则影响很大；现阶段铺管船航速不是影响S型铺设效率的因素；大口径铺管采用S型铺设困难，但对后续运营有利；壁厚计算采用应变准则优于应力准则，提高材料等级可适应更深的铺设极限水深。计算耗时在可接受范围内，很好的解决了理论分析与工程应用之间的问题，可有效指导工程实践，并为海洋深水管线铺设作业提供了良好的技术支持。通过发表相关文章与业界同仁对OrcaFlex建模的经验进行了探讨，期望可为国内开发海洋深水管线铺设工程软件提供参考。

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1综述

1.1研究的目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3海洋管线动力分析方法比较

1.4本文的研究内容、难点及其技术路线

小结

2海洋深水管线S 型铺设计算理论

2 .1海洋深水管线S 型铺设静力分析

2 .2海洋深水管线S 型铺设动力分析

小结

3深水管线S型铺设OrcaFlex建模与实现

3 .1模型建立方法

3 .2理论依据

3 .3模型有效性验证

3 .4模型优势

小结

4 海洋深水管线S型铺设工程算例

4 .1基本数据

4.2 OrcaFlex 模型

4 .3数据分析

小结

5结论与展望

5 .1结论

5 .2展望

参考文献

在学研究成果

致谢