钢悬链立管的安装分析

1）分析要求

（1）一般要求

作为最低要求，需要根据相关的安装控制标准进行静态管道铺设分析，并且要涵盖所有铺管作业。静态分析结果将用于确定经过优化的每个安装工况的形态。静态分析应该包含足够的步骤来确定操作中最关键的步骤。

对于每个安装工况中危险的状态，需要进行动态分析。动态分析应该包括以下因素：

①管线的质量、机械性能和物理尺寸。

②由于环境荷载而造成船舶运动。

③作用在管线的波浪和流的荷载。

④船舶偏离其原始位置。

⑤任何其他导致名义管道应力发生显著变化的因素（如钻孔接头处的应力集中）。

每个安装阶段的限制海况，需要通过动态分析的结果来确定。

对于卷盘分析，应评估管道残余椭圆度，并根据API RP 1111确定最大允许安装弯曲应变。允许安装弯曲应变应取决于管道初始椭圆度和卷绕引起的椭圆度之和，弯曲应变的安全系数不小于2.0。

（2）步骤和图纸

每个步骤和图纸都应有详细的计算和分析支持，这些步骤和图纸应符合相关标准和规范的要求。至少需要提交以下资料：

①详细的管道安装步骤、图纸和相关详细分析，描述在施工作业期间用于控制安装应变、应力和张力监测的程序和方法，其中包括但不限于正常安装、卷起评估以确定卷起和矫直过程中的管道应变、安装启动和终止、弃管和回收。

②管道和其他操作的吊装程序。

③无损检测（NDT）程序。

④涂层检查／修理程序。

⑤管道焊接和焊接修复程序。

⑥现场接缝涂层和涂层修复程序。

⑦安装前要测试的部件的静水压测试程序。

⑧调查，ROV和定位程序。

⑨管道和其他材料的运输、处理和储存程序。

⑩监测天气状况并确定停止工作、弃管和撤离的标准程序。

修理干管或破管屈曲损坏的流程。

标注完整尺寸的管道布局配置图，其中包含与卷盘相关的详细信息。

船舶监视圆图，描绘不同运行条件下的最大允许船舶偏差，确保管道不超过允许的弯曲应变，并且管线安装在规定的通行权限内。

测量、充水、水压力测试和排水所需的程序和设计。

弃管和回收程序（包括应急、干管和充水情况）。

海底结构（PLET）的启动和安装程序。

2）分析验收标准

安装分析验收标准包括允许的安装应变、疲劳损伤、涂层强度要求等，均基于过去的项目经验，具体标准可能因项目、运营商或公司而异。

（1）允许的安装应变

根据API 1111的要求，使用静态分析方法安装时，SCR的最大允许弯曲应变不应超过表4-5中列出的限制值，动态分析的弯曲应变可以增加20%。

表4-5　最大允许弯曲应变(www.xing528.com)

卷管过程中施加的最大弯曲应变不得超过2.5%，且不得超过管道发生弯曲压溃的应力。在无张力的情况下，矫直设置应具有将卷管矫直至残余弯曲应变为0.05%或更低的能力。

（2）允许的疲劳损伤

管道和立管的疲劳损伤控制是值得注意的，因为疲劳损伤通常是关键的设计因素。安装时允许的疲劳损伤不应超过表4-6中列出的限制值。

表4-6　安装时允许的疲劳损伤

注：ηsf—安装安全系数，不小于3.0；D ins—安装引起的疲劳损伤率。

（3）绝缘涂层强度

用于评估管道热绝缘的结构荷载。安装过程中要保持绝缘涂层的结构完整性。绝缘涂层不应受到任何损坏，否则将可能影响立管的性能。

（4）局部屈曲和椭圆化

尽管之前给出了允许的应力和应变限制，但要确保在安装过程中弯曲、拉伸和外部静水压力的综合影响不会使管道发生局部屈曲，应采用业界公认的局部屈曲分析方法，分析中应考虑初始管道的椭圆度。最小初始椭圆度可以取为1%。卷管铺设安装应该包含卷取过程中的附加椭圆度。应该确保所使用的设备和技术在任何时候都不会使管道发生压缩。

3）分析工具和仿真技术

（1）分析工具

能够进行立管安装分析的软件有OrcaFlex、Pipelay、OFFPIPE等。

OrcaFlex软件是由Orcina开发的海洋动力学程序，用于各种海洋系统（刚性和柔性）的静态和动态分析。它是一种三维非线性时域有限元程序，能够处理流体静力学和流体动力学效应及荷载。它是使用最广泛的立管分析工具，尤其适用于安装工程。由于其图形用户界面设计方便，安装设备易于实施，因此更适合立管安装分析。

Pipelay是MCS最新开发的软件，用于模拟海上管道和立管的安装。

OFFPIPE是一种有限元分析程序，专门为海上管道和立管安装时遇到的非线性建模和结构分析问题而开发。它可用于检查S形铺设过程中由于集中荷载而导致的立管应力。

（2）分析输入数据

立管安装分析所需的输入数据至少包括但不限于以下内容：

①油田数据，如水深、海底剖面等。

②管道和材料数据，包括钢材等级、外径、壁厚、涂层性能等。

③浮力模块属性。

④环境条件，包括流剖面、风浪信息等。

⑤铺管船的数据，包括船上的设备（如托架、J形铺设塔、绞车、张紧器、推进和定位器）及其能力定额。

⑥安装船的RAO数据。

（3）静态分析

在静态分析中，管道放线运动和船舶速度在模型中没有被考虑，因为放线运动和船舶速度被假定为非常缓慢。船舶被认为固定在某一水深处的位置，根据重量、刚度和浮力分析管道悬链线平衡状态。

（4）动态分析

在动态分析中，选择静态分析确定的危险状态来执行动态分析，以确定以下内容：

①限制海况。

②限制海况下的临界荷载。

动态分析将在指定的时间段内执行。

根据限制海况来寻找安装过程的优化。动态和静态分析之间可能需要进行几次迭代。

动态分析需要输入安装船作业吃水下的RAO数据。