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第5期
导管架海上湿拖运输中的结构强度分析
王衍鑫，黄山田，梁学先，魏佳广，江锦
（海洋石油工程股份有限公司安装事业部， 天津 300457）
[摘  要] 本文提出了一种可用于分析导管架湿拖过程中导管架强度状态的方法。湿拖是一种风险较高但非常经济的运输方式。为了降低运输过程中的风险，应充分考虑所有可能影响导管架强度的因素。为了实现导管架结构强度分析，进行了水动力分析和结构分析，以获得准确的波浪力和流力。导管架特殊附件是重点分析部位，如防沉板、桩套筒。本文还提出了一种特殊分析方法用于分析此种湿拖运输方案。[关键词] 导管架；湿拖运输；结构分析
作者简介：王衍鑫（1983—），男，山东淄博人，硕士学位，
中级职称，主要从事海洋工程结构安装设计工作。
1 简介
作为一个典型的海上平台，导管架大量应用于大陆架附近海域的石油开发。通常导管架在陆地码头建造，然后通过运输驳船运输至目标油田。湿拖运输很少用于导管架从建造码头运输至目标油田。但从经济角度看，湿拖方式不需要运输驳船，也不需要任何固定方式，对短距离导管架运输来讲，是一个很好的选择。因此，本文提出来一种湿拖方法用于评估导管架湿拖过程中的强度情况。
以下几个关键问题决定了运输过程中是否安全：
（1）导管架的大部分杆件浸没在海水中。运输过程中发生损坏或出现问题难以观察到。（2）导管架运输过程是一个不稳定状态，很难控制其运动，如仰角和偏航角。
（3）缺乏真实的导管架湿拖工程记录。（4）导管架的许多附属部件，如防沉板就受到波浪载荷和绝大多数拖曳载荷的受力结构。2 方法
当导管架以一定速度湿拖时，控制导管架浮动位置的稳定性非常困难。通常情况下，导管架水平平躺方式作为一种运输摆放方式，如图1。对于导管架的这种布置形式，导管架的控制和操作变得容易。如果导管架浮力不足以将其保持在一个合适的浮态位置，可以通过在导管架上绑扎浮筒的方法，用于保持导管架的倾斜和纵倾。
水动力分析需要获得每个构成部分载荷，特
别是波浪载荷和惯性载荷。导管架湿拖过程中所受的载荷包括：重力、浮力、波浪载荷、惯性载荷和拖轮的拖曳载荷。
重力和浮力通过结构本身分析很容易获得。对于波浪载荷，导管架结构杆件是典型的细长结构，其直径远小于波浪的长度。因此，莫里森方程适用于海波浪的计算。莫里森方程最初是为计算固定圆柱体上的波浪载荷而制定的。有两个分力，一个涉及到水的加速度惯性力，而另一个与到水速度有关。阻力对于运动物体，应用相同的原理，但是力的方程被修改，以考虑物体的运动[1]。
本文研究使用的莫里森方程扩展形式如下：F w =(Δa w +C a Δa r )+½ρC d A V r  |V r |                  (1)其中：F w 是流体力，Δ是结构位移产生的质量。a w 是相对地球坐标系下的流体加速度，C a 是结构附加质量系数，a r 是相对结构坐标系加流体速度，ρ是水的密度，V r 是相对于结构物坐标系的速度，C d 是结构物的拖曳系数，A 是拖曳面积。
流体力Fc 由以下公式计算：
F c =½C d ρv 2A                                                (2)其中：A 是湿表面面积，C d 是拖曳系数，ρ是水密度，v 是相对海水速度。
对于湿拖，特殊的运输结构使得导管架上的漂移载荷不能被忽略，特别是由于防沉板与其他
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石油和化工设备
2021年第24卷图1  导管架湿拖布置
附属结构产生的。漂移载荷由非线性（二阶）波势效应引起，莫里森公式中未包括该效应，因此作用在防沉板上的平均漂移载荷由以下公式手动计算：
F=gH1/32L/16                                      (3)
其中：ρ是水的密度，g是重力加速度，H1/3是有义波高，L
flex软件是泥面板的有效长度。
3 计算实例
导管架数据如下：
三腿结构表观斜度为1:10，真实斜度1:8.66；导
管架每个腿桩径36英寸；空气重量：356MT；导管
架高度：88.5m；附属结构：三个三角形防沉板。
湿拖分析采用了下列环境条件：
有义波高(H1/3)：2.7m；波峰周期(Tp)：7s；流
速：0.3m/s。
OrcaFlex软件可用于结构水动力载荷计算，
SACS海洋分析设计软件可用于导管架强度校核。
OrcaFlex是世界领先的海洋系统动态分析软件，以
其广泛的技术能力和用户友好性而闻名。SACS是
一套集成软件，支持海洋结构件的分析、设计和
制造，包括石油、天然气、风电场平台和组块。
其动态迭代设计的能力允许用户执行高级分析，
符合离岸设计标准，并可视化复杂的结果。SACS
可以计算作用在细长梁上的波浪力。但对于导管
架的一些附件，如防沉板，不能自动得到波浪
力。在SACS软件中，人工计算防沉板上的漂移载
荷，并将其作为压力加到模型中。
建立了两个独立分离的模型用于计算分析。
一个用于OrcaFlex软件中的水动力分析，另一个
用于SACS软件中的结构分析。在这种情况下，导
管架被湿拖曳依靠自身的浮力，大多数杆件被浸
没在海水中。导管架的水动力模型如图2所示。导
管架的SACS结构模型如图3所示。所有导管架构
件均采用外径、壁厚、重量、拖曳系数、附加质
量系数等具有真实特性的二维单元进行建模。在
OrcaFlex中，导管架和导管架底部的三个防沉板分
别采用线形和具有真实拖曳面积的6自由度浮标形
式。在水动力动力分析中，导管架杆件和底部三
角形板获得了所有环境载荷。为了获得足够的浮
力，所有的护套构件都被建模为防水的。为了得
到更精确的结果，在SACS模型中，利用等效梁对
防沉板进行建模。
图2  OracFlex中的流体力学模型                          图3  SACS中的结构模型  为了捕捉导管架构件和防沉板的拖曳效应
（二阶力），进行了时域分析，并采用不规则波
法进行分析。导管架的运动和加速度见表1。在该
结果中，提取了运动（旋转度）和加速度的最大
和最小极值。高亮黄的单元格是模拟过程中观
察到的极端值，而白背景的单元格是观察极端
值时的关联值。所有这些荷载情况在结构分析中
作为输入荷载进行了分析。
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第5期                                                            王衍鑫等  导管架海上湿拖运输中的结构强度分析
表1  极限运动和加速度        （拖曳速度：3knot）
表2  防沉板水动力载荷
图4  结构模型边界条件
利用OrcaFlex 中扩展的Morison 公式自动计算
作用于防沉板上的波浪荷载。与导管架的尺寸相比，每个防沉板区域的面积是显著的。水动力载荷可分为流体惯性载荷和阻力载荷。流体惯性载荷与流体加速度有关。拖曳力与阻力面积和水流速度有关。极端流体动荷载列于表2中。这些载荷被用于导管架结构分析中[2,3]。
拖航速度（knot）
防沉板上的最大波浪载荷  （kN）Plate1Plate2Plate32knot 677.09669.44653.143knot 705.75798.227
74.084knot
812.09
908.51
904.46
在运输过程中，导管架依靠自身的浮力漂浮
在水中。在SACS 模型中，除了考虑杆件浮力外，为了保证分析结果收敛，额外的边界条件需要考虑。为了在结构分析中考虑导管架的刚体运动，在模型中用软弹簧支承12个节点，如图4结构模型的边界所示。弹簧刚度为：
X 方向：100lb/in ；Y 方向：100lb/in ；Z 方向：100lb/in 。
进行静水分析以检查弹簧的反应。这种初步分析是为了确保边界条件不影响结构分析结果，并提供足够的约束。弹簧的反作用如下，其中最大不超过导管架自重的2.5%。结果表明，边界条件足够好进行结构分析。
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石油和化工设备2021年第24卷
图5  导管架上防沉板利用莫里森方程，用SACS 计算了导管架杆件的波浪载荷和流体载荷。从API-RP-2A(WSD)选取阻力系数和惯性系数[4]。
光滑的Cd=0.65，Cm=1.6；粗糙的Cd=1.05，Cm=1.2。
如图5所示，导管架底部有三块防沉板。SACS 软件不能自动计算这些板上面的波浪力、流体力。这部分波浪力和流体力载荷由OrcaFlex 软件获得，并作为附加压力输入模型中。所有杆件的UC 值结果如图6所示。在3节速度下，所有杆件都满足规范强度校核的要求。在3节速度下，最大的UC 值为0.91
。所有管节点冲减都满足要求。
图6  3节航速下湿拖分析UC值
4 结论
导管架湿拖对短距离运输来讲，是一种经济有效的方式，尽管它存在风险。拖曳速度在一个相对较低的速度时（通常<4knots ），可降低拖曳风险，使整个拖曳过程得到有效控制。
对于导管架湿拖分析，正确准确地进行水动力分析非常重要，特别是对于导管架上的特殊结构，例如防沉板，更是如此。本文通过水动力分析，得到合理的设计载荷，并传递到SACS 软件中进行强度分析评估。结果表明，所有强度都保持在可接受水平。湿拖风险得到了有效控制。湿拖运输方式是一种经济可行的短距离运输导管架到达目标油田的方法。
收稿日期：2020-12-24；修回日期：2021-04-01
◆参考文献
[1] Sarpkaya,T.“Force on a circular cylinder in viscous oscillatory flow at low Keulegan–Carpenter numbers ”,Journal of Fluid Mechanics 165:61-71,1986.
[2] G L N o b l e  D e n t o n ,“G u i d e l i n e s  f o r  M a r i n e Transportations ”,GL Noble Denton 0030-4/ND.
[3] DNV ,“Marine Operations,General ”,October 2011,DNV-OS-H101.
[4] American Peroleum Institute,“Planning,Designing,a nd Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design ”,API RP 2A,2010.

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