塔式立管的拖航分析

拖航分析是研究塔式立管在海上拖航及立管扶正过程中的强度问题，并检验其是否满足规范要求。

1）拖航方法

常见的立管拖航方法有水面拖航、水面下拖航、近底拖航和底拖航。对于塔式立管，多选取水面拖航的方法。

无论采用何种拖航方法，拖航所需的设备基本相同，主要包括如下这些：首拖轮一条；尾拖轮一条；安全巡查控制船一条；异频雷达收发机四部；超高频步话机四部；船载绞盘车两台；拖缆。

其他拖轮上的设备有拖轮存储卷筒、拖缆张力测量器、测量定位设备、多余的工作缆绳、临时浮力块等。

（1）水面拖航

水面拖航就是通过在管道上绑扎一定数量的浮力筒，使管道在水中处于漂浮状态。首部由首拖轮通过拖缆拖航，尾部用尾拖轮通过拖缆控制管道在水中的摇摆。该方法的优点是所需牵引力较小，管线轨迹较直观；缺点是受水面波、涌和海流的影响较大，就位轨迹不易控制。这种方法适用于海面平静、风浪较小的海域，拖航速度较快，但波浪引起的管道疲劳损伤较大。水面拖航实例如图6-25所示。

图6-25　水面拖航实例

（2）其他拖航方法

水面下拖航就是管道被控制在水面以下一定深度悬浮着，由水面拖轮牵引。拖航时水对压载链的拖曳力产生一种升力，减小了管道在水下的重量。拖速越大，拖缆与垂直方向的夹角也越大。这种方法在国外应用最多，研究也最为广泛。

近底拖航即利用浮力筒和压载链将管道悬浮在距海床一定的高度上，再由拖轮拖航。这种方法适用于海底地形已知的情况，需要的拖力很小，疲劳损伤也较小。

底拖航就是大部分管道在水中处于与海床接触的状态，用拖轮拖航的方法。其优点是受波、涌等的影响较小，就位轨迹易控制，而且在突遇恶劣气候条件时可以弃管，沉放于拖航路线上，待气象条件好转时继续拖航；缺点是海床给予管道较大摩擦力，所需牵引力较大。为了减少管道与海床间的摩擦力，底拖航也需绑扎浮力筒。

2）扶正操作

塔式立管拖航至安装海域后，首先通过声学多普勒洋流测试仪测量洋流的基本数据，以确定最佳的立管扶正位置。确定扶正位置的主要依据包括不同流层的流速及流向、潜在的障碍物及扶正最后阶段立管底部与海底基础之间的距离等。

扶正位置确定后，将进行扶正前的一系列准备工作。首先，在顶部浮力筒处添加浮力单元，以使顶部浮力与塔式立管湿重平衡。在此阶段，安装船提供张力，以避免塔式立管发生较大变形或产生较大应力，同时对塔式立管进行系统的检查，以确保拖航过程中立管未发生损坏。然后，将浮力筒与安装船通过压载／卸载光缆及柔性管相连。最后，去除塔式立管上的其他临时性浮力单元，并对塔式立管各部分逐一注水。

准备工作完毕后，开始进行扶正操作。立管塔在指定位置稳定后，尾拖轮释放绞盘车绳索使塔式立管底部开始下沉。当立管处于垂直状态时，顶部浮力维持塔式立管底部处于距海底基础50 m处的位置，同时调整顶部浮力使下拉塔式立管时所需的拉力不超过15 t。然后，通过两个最大拉力为20 t的海底绞盘车将立管底部拉至预先安装好的海底基础处。

在整个扶正过程中，应对洋流、立管位置、方位、深度进行持续测量，并对操作做出相应的调整。图6-26为塔式立管扶正示意图。

图6-26　塔式立管扶正示意图

3）分析方法

OrcaFlex是完全三维非线性时域有限元软件，可以处理大变形问题。此软件已经广泛地应用于浮式生产平台的柔性和金属立管和承载浮箱、管线铺设、安装海洋设备、海洋系泊和放置分析等。

OrcaFlex是业内先进的海洋工程水动力分析软件，可以对海洋工程立管系统、锚泊系统和安装等进行分析。本节利用OrcaFlex软件进行塔式立管的强度分析。

4）拖航计算模型

图6-27～图6-29为迎浪（180°来流角）拖航状态下，塔式立管拖航的计算模型，其中图6-27为迎浪拖航时拖航计算模型的侧视图，图6-28为迎浪拖航时拖航计算模型的俯视图，图6-29为迎浪拖航时拖航计算模型的局部视图。

图6-27　迎浪拖航计算模型（侧视图）(www.xing528.com)

图6-28　迎浪拖航计算模型（俯视图）

图6-29　迎浪拖航计算模型（局部视图）

5）扶正计算模型

塔式立管拖航至安装海域后，首先通过声学多普勒洋流测试仪测量洋流的基本数据，以确定最佳的立管扶正位置。

整个立管扶正过程划分为五个连续的阶段，图6-30～图6-34给出了立管扶正过程的五个阶段的计算模型。

（1）第一阶段计算模型

在第一阶段中，用拖轮将塔式立管拖航至指定位置后，尾拖轮保持在原来位置，而首拖轮则继续向前行驶，拉开两者间的距离。与此同时，首拖轮的绞盘车放出拖缆，塔式立管的底部在重力锚的作用下逐渐下降。图6-30为拖缆长度为206 m时塔式立管的形态。

图6-30　立管扶正过程第一阶段计算模型

（2）第二阶段计算模型

在第二阶段，塔式立管的底部随着首拖轮的绞盘车放出拖缆而逐渐下降，与此同时，首拖轮与尾拖轮的间距进一步拉大。图6-31为塔式立管底部下降至550 m水深，拖缆长度为600 m时塔式立管的形态。

图6-31　立管扶正过程第二阶段计算模型

（3）第三阶段计算模型

在第三阶段，当塔式立管的底部距离海底垂直距离大约为200 m时，尾拖轮继续保持原位置不动，首拖轮则向回行驶，使两者间距逐渐缩小。塔式立管则在重力锚的作用下继续下降，向海底靠近（图6-32）。

图6-32　立管扶正过程第三阶段计算模型

（4）第四阶段计算模型

在第四阶段，当重力锚距离海底大约20 m时，在ROV与首拖轮的配合操作下，将塔式立管的底部基座与海底的连接装置相连（图6-33）。

图6-33　立管扶正过程第四阶段计算模型

（5）第五阶段计算模型

第五阶段对应于塔式立管与海底基座连接完成后的后续步骤，首拖轮通过海底基座上的滑轮放下重力锚。此时立管主体与垂直线保持一定的夹角（图6-34）。

图6-34　立管扶正过程第五阶段计算模型