受限空间跨接管吊装作业仿真模拟研究

Research on Simulation of Lifting Operations for Cross-Pipeline in Confined Spaces

摘要: 受航路上船舶安全通航作业全需要，通航区内水下油气生产设施需安装在泥面下的钢圆筒内。水下设施的前期安装、后期维护均需潜水员进入钢圆筒内部施工。钢圆筒内为受限空间，且设备密集，跨接管吊装作业存在较大安全风险。为验证设计方案可靠性，同时降低施工风险，可利用仿真模拟系统进行跨接管在受限空间内的施工演练。本文以锦州25-1油田西1井区钢圆筒内受限空间为模拟作业环境，详细阐述了受限空间水下生产设施跨接管吊装作业仿真建模方法，包括跨接管水动力模型、跨接管与基盘接触相互作用模型、吊装作业装备运动模型等。

Abstract: In order to ensure the safe navigation of vessels on the navigation route, underwater oil and gas production facilities in the navigation area need to be installed in steel cylinders beneath the mud surface. The initial installation and subsequent maintenance of underwater facilities require divers to enter the interior of the steel cylinder for construction. The interior of the steel cylinder is a confined space with dense equipment, and there are significant safety risks associated with cross-pipeline lifting operations. To verify the reliability of the design scheme and reduce construction risks, a simulation system can be utilized to conduct construction drills for cross connection in confined spaces. This article takes the confined space inside the steel cylinder in the West 1 well area of the Jinzhou 25-1 oilfield as the simulated operating environment and elaborates in detail on the simulation modeling methods for the cross-pipeline lifting operations of underwater production facilities in confined spaces, including the hydrodynamic model of the cross-pipeline, the interaction model between the cross-pipeline and the base plate, and the motion model of the lifting operation equipment.

1. 引言

由于渤海水下作业海况恶劣，能见度低、水下钢圆筒内设备密集，吊装精度要求高。因此急需开发一款跨接管吊装仿真模拟系统用于验证设计方案，并进行吊装作业培训，降低吊装作业干涉风险，提高作业效率。

目前国内外已经开展了吊装仿真模拟相关的诸多研究，陈永訢[1]等利用有限元软件Orcaflex计算分析吊装某大管径膨胀弯通过飞溅区入水过程中，洋流、波浪和下放速度对各吊索拉力及膨胀弯管道应力、应变和入水砰击力的影响。孙青、张昊[2]楠对工程船及水下生产设施在吊装过程中受到的动载荷进行理论分析,并基于OrcaFlex软件对水下管汇的下放入水过程进行动态时域模拟。曹松荣[3]等采用船体、索和水下设施三者间的非线性耦合时域分析技术,建立了安装船舶水动力计算模型、安装吊索和水下设施Morison模型。车巨鹏[4]等基于Matlab/Simulink、ADAMS联合仿真平台建立了海上吊装作业全耦合动力分析模型。王屹[5]基于Vortex多体动力学仿真引擎构建了实时视景仿真系统。邱炜[6]等在MOSES软件中建立起重船、吊物和系泊系统耦合分析模型。张涛[7]利用Solidworks软件的可视化特点,以三维动画形式对吊装作业全过程进行模拟。但上述仿真系统或与水下受限空间吊装作业仿真环境不同、或模拟吊物与跨接管差异性较大，无法满足本项目需求。

本文以“锦州25-1油田西1井区”钢圆筒作为模拟作业环境，对模拟环境中跨接管吊装作业建模，开展水下跨接管吊装作业运动仿真研究，建立跨接管水动力模型、跨接管与基盘接触相互作用模型、吊装作业装备运动模型。

2. 仿真作业环境简介

锦州25-1油田是渤海海域大型轻质油气田，也是目前为止渤海海域最大的轻质油气田。其西1井区位于锦州25-1油田西北部，平均水深22 m，位于通航区内[8]。该项目采用全球首个泥面下一体化钢圆筒开发方案，(如图1所示)整个水下设施集成于钢圆筒保护结构内[9]。水下跨接管吊装作业在水下生产设施安装阶段进行，本文中跨接管用于连接管汇和采油树。

(a) 锦州25-1油田西1井区示意图 (b) 钢圆筒水下生产设施布置

Figure 1. Work environment

图1. 作业环境

3. 水下跨接管吊装作业运动仿真研究方法

水下跨接管吊装作业运动仿真过程需考虑安装作业船、系泊缆、吊绳与立管及膨胀弯的耦合作用，基于三维势流理论及莫里森(Morison)方程搭建立管及膨胀弯吊装时域耦合运动仿真模型，通过将立管/膨胀弯与吊缆绳看作固连整体，以边界条件的连续性对模型进行积分求解，求解过程中刚性柔性体运动要满足连续性条件，从而获得耦合状态下装备六自由度运动位移、速度与加速度及耦合设备载荷，实现吊装作业耦合动力学仿真和实时运动响应仿真分析。跨接管吊装时域耦合运动仿真模型解算过程技术路线见图2。

Figure 2. Calculation process of time-domain coupled motion simulation model for cross pipe lifting

图2. 跨接管吊装时域耦合运动仿真模型解算过程

3.1. 跨接管水动力模型

跨接管水动力模型以莫里森(Morison)方程为基础，考虑吊装过程跨接管在波浪中的受力问题，计算公式如下：

$F=F_1+F_D+F_B+F_{AM\_M}+F_{AM\_M}+F_{BC}+F_{Line}$

式中，$F_1$ 为惯性力；$F_D$ 为拖拽力；$F_B$ 为浮力；$F_{AM\_M}$ 为附加质量；$F_{BC}$ 为海床支撑力。

(1) 惯性力计算

Morison的惯性力与加速度有关，包括两部分，第一部分与流体的压力有关，第二部分与结构对流体的破坏有关。

${\overrightarrow{F}}_1=\left\{\begin{array}{c}\left(C_P+C_A\right){\rho }_W\pi {\left(R+t_{MG}\right)}^2\left(a_f-\left(a_f\cdot \widehat{k}\right)\widehat{k}\right)+\left\{C_{P_{Ax}}2\pi \left(R+t_{MG}\right)\frac{\partial R}{\partial z}{p}_{dyn}+C_{A_{Ax}}{\rho }_{W}2\pi {\left(R+t_{MG}\right)}^2\left|\frac{\partial R}{\partial z}\right|\left(a_f\cdot \widehat{k}\right)\right\}\widehat{k}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right\}$

其中，$C_P$ 为横向动压力系数，$C_A$ 为附加质量系数，${\rho }_W$ 为海水密度，$R$ 为结构构件的外径半径，$t_{MG}$ 为海洋生长厚度，$a_f$ 为流体的线性加速度，$\widehat{k}$ 为沿局部z轴的单位向量，$C_{P_{Ax}}$ 为轴向动压系数，$C_{A_{Ax}}$ 为轴

向加质量系数，$\frac{\partial \text{R}}{\partial \text{z}}$ 为$\frac{\partial \text{R}}{\partial \text{z}}=\frac{\left(R^e+t_{mg}^e\right)-\left(R^s+t_{mg}^s\right)}{\left(Z^e-Z^s\right)}$ 。

(2) 拖拽力计算

Morison的拖拽力主要为粘性阻力，粘性阻力与流体在结构件间的相对速度的平方成正比例关系。

$F_D=\left\{\begin{array}{c}{C}_D{\rho }_W\left(R+t_{MG}\right)v_{rel}-\left(v_{rel}\cdot \widehat{k}\right){\widehat{k}}_2\left(v_{rel}-\left(v_{rel}•\widehat{k}\right)\widehat{k}\right)\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right\}$

其中，$C_D$ 为横向粘性阻力系数，$v_{rel}$ 为相对速度。

(3) 浮力计算

Morison的浮力等于排开水的质量计算浮力。

$F_B={\rho }_{W}g=\left\{\begin{array}{c}C\left\{\begin{array}{c}{C}_{31}\pi {\left(R+t_{MG}\right)}^2\\ C_{32}\pi {\left(R+t_{MG}\right)}^2\\ -2\pi \left(R+t_{MG}\right)\frac{\partial R}{\partial z}Z\end{array}\right\}\\ C\left\{\begin{array}{c}-C_{32}\pi \frac{\partial R}{\partial z}{\left(R+t_{MG}\right)}^3\\ +C_{31}\pi \frac{\partial R}{\partial z}{\left(R+t_{MG}\right)}^3\\ 0\end{array}\right\}\end{array}\right\}$

(4) 附加质量计算

Morison对结构件在水中的产生附加质量的计算。

$A{M}_M={\rho }_W\pi {\left(R+t_{MG}\right)}^2\left[\begin{array}{cc}\left[C_A\left(I-\widehat{k}{\widehat{k}}^{\text{T}}\right)-2C_{A_{Ax}}\left|\frac{\partial R}{\partial z}\right|\widehat{k}{\widehat{k}}^{\text{T}}\right]& \left[0\right]\\ \left[0\right]& \left[0\right]\end{array}\right]$

$F_{AM\_M}=-A{M}_M\left\{\begin{array}{c}{a}_s\\ a_s\end{array}\right\}$

为了处理跨接管吊装触底后与海床接触的交互作用，跨接管模型使用一个线性弹簧阻尼模型去表达管道接触海床时的垂向接触力，在跨接管计算模型中，没有建立与海床接触的水平阻力模型。当跨接管节点与海床相接触时，垂向接触力的计算公式表示为：

$F_{BC}=dl\left[\left(z_{bot}-z_i\right)k_b-{\dot{z}}_i{c}_b\right]{\widehat{e}}_z$

其中，$dl$ 为管道分段长度，$z_{bot}$ 为海床位置，$k_b$ 为刚度系数，表示海床的单位面积的刚度，$c_b$ 为阻尼系数，表示单位面积的粘性阻尼。

3.2. 跨接管与基盘接触相互作用模型

为了处理跨接管触底后与基盘接触的交互作用，立跨接管模型使用一个线性弹簧阻尼模型去表达跨接管接触基盘时的垂向接触力，在跨接管计算模型中，没有建立与基盘接触的水平阻力模型。当跨接管节点与基盘相接触时，垂向接触力的计算公式表示为：

$F_{BC}=dl\left[\left(z_{bot}-z_i\right)k_b-{\dot{z}}_i{c}_b\right]{\widehat{e}}_z$

其中，$dl$ 为跨接管分段长度，$z_{bot}$ 为基盘位置，$k_b$ 为刚度系数，表示基盘的单位面积的刚度，$c_b$ 为阻尼系数，表示单位面积的粘性阻尼。

3.3. 吊装作业装备运动模型

(1) 绞车模型

绞盘连接在吊绳末端，绞盘旋转加速度基于摩擦力和外部载荷，作用在钢丝上，扭矩输入作用在绞盘上，外部负载为正或为零，绞盘计算公式如下:

$i_1=r_m{\omega }_m$

${\dot{\omega }}_m=\frac{1}{J_m}\left(-d_m{\omega }_m+f_r{r}_m+T_m\right)$

其中，${\omega }_m$ 为绞盘电机的角速度，$r_m$ 为绞盘电机的半径，$J_m$ 为绞盘的转动惯量，$d_m$ 为扭转阻尼器的阻尼系数，$T_m$ 为由电机作用在绞盘上的扭矩(通常被视为绞盘的控制输入)。

(2) 吊钩模型

吊钩被建模为一个3-DOF刚体点。所有的力都作用在重心上。重力不可忽略；因此，应考虑吊钩的质量$m_h$ 。空气阻力可以忽略不计。根据牛顿第二定律，吊钩的动力学模型如下：

${\dot{p}}_h=v_h$

$M_h{\dot{v}}_h=g_h+{\displaystyle \sum }_{i=1}^{n_l}{f}_{liB}+{\displaystyle \sum }_{i=1}^{n_s}{f}_{liA}$

其中$p_h$ 和${\dot{p}}_h$ 是全局坐标系$\left\{N\right\}$ 中钩子质量中心的位置和速度向量，$M_h=diag\left\{m_h,m_h,m_h\right\}$ 是吊钩质量矩阵，$g_h={\left[0,0,m_{h}g\right]}^{\text{T}}$ 是吊钩重力矢量，$n_l$ 和$n_s$ 为连接的吊索和吊绳的数量，$f_{liB}$ 和$f_{liA}$ 分别为$\left\{N\right\}$ 中吊索和吊绳作用在吊钩上的恢复力。

4. 验证精度

将本项目开发的水下跨接管吊装作业仿真模型与商业软件Orcaflex进行对比。采用了相同的物理参数及缆绳布局进行作业，立管及膨胀弯吊装吊绳布局如图3所示：

Figure 3. Jumper pipe lifting cable layout

图3. 跨接管吊装缆绳布局图

跨接管吊装吊绳静态拉力对比曲线如下表1所示：

Table 1. Jumper pipe lifting cable tension comparison

表1. 跨接管吊装吊绳静态拉力对比

	A1张力(KN)	B1张力(KN)	C1张力(KN)	D1张力(KN)
Orcaflex	180.06	209.18	364.65	128.77
数学模型	177.3	239.7	356.3	137.1
对比误差	−1.56%	12.73%	−2.34%	6.08%

数学模型指本项目开发的水下跨接管吊装作业仿真模型，计算结果与商业软件orcaflex计算结果对比误差范围小于15%。

5. 结论

本文提出并验证了一个用于模拟水下空间内跨接管吊装作业过程的解算模型。针对渤海锦州25-1油田西1井区实际环境，建立了考虑水动力、管基座相互作用和吊装设备运动的耦合模型，并通过与商业软件Orcaflex对比验证了其精度。该系统可有效提高水下作业的安全性和效率，降低设计风险和培训成本。

基金项目

中海石油(中国)有限公司科技项目“渤海油气田水下生产系统国产化研究与示范(编号：CNOOC-KJ 135 ZDXM 36 TJ 07 ZY)”、集团公司“十四五”重大科技项目“海洋工程关键技术与装备研制(编号：KJGG-2022-1404)”部分研究成果。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。