1. 计算机光盘软件与应用
工程技术 Computer CD Software and Applications 2012 年第 17 期
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基于位移约束方法的铺设管道应力数值计算
曹先凡
1
，关幼耕
2
，高兆鑫
2
（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程有限公司海工事业
部，天津 300451）
摘要：登陆段管道铺设时可采用从铺管船至岸边的底拖法铺设海底管道，管道的应力计算为安全施工提供重要保障。
本文采用 ABAQUS 软件建立了该类铺管施工的数值模型，利用位移约束形式模拟了管道和辊轴、管道和海床的相互作
用，避免了采用接触模拟相互作用而导致收敛问题，计算了管道的应力，为管道强度校核奠定基础。
关键词：ABAQUS；位移约束；海底管道
中图分类号：P752 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 17-0148-02
1 工程概述
海底管道铺设是海洋油气工程建设的一项重要内容。
海底管道铺设的方法基本可以分为两类：铺管船法[1,2]
和拖
管法[3]
，其中铺管船法包括 S 型铺管船法、J 型铺管船法、
卷管式铺管船法；根据管道所处位置不同，拖管法分为水
面拖、水下拖、近底拖和底拖。对于登陆段海底管道采用
底拖法施工更具有可行性。对于底拖法施工可以在陆地焊
接后，由陆至海利用绞车、绞盘、拖轮等设备牵引铺设；
也可以在铺管船上焊接，由海至陆铺设，其牵引方法有：
岸上设置绞车牵引，利用铺管船上的绞车反向牵引。
某登陆段管道采用底拖法铺设，在铺管船上焊接管
道，岸上设置定滑轮，由铺管船上的绞车带动管道铺向岸
边，见图 1。
锚
固
点
绞车
缆绳
缆绳 管道
铺管船
图 1.管道底拖法铺设示意图
该方案中，铺管船到海床段的海底管道形成 S 型，管
道受到拖管力、张紧器张力、自重、自身浮力、浮筒浮力、
海床支撑力、海床摩擦力等载荷作用，为了底拖施工的安
全进行，进行管道强度校核是十分必要的。以下给出了管
道强度分析的关键参数：
管材为 X65 钢，钢管外径为 813mm，壁厚 22.2mm，
钢管外敷防腐涂层，厚度 2.8mm，防腐涂层外为混凝土层，
厚度为 80mm，管道长度总长 575m，海床上管道长度为
375m；海床摩擦系数为 1.0；水深 14m；张紧器张力为
100kN；拖管力为 350kN；由于绑缚浮筒，管道水下重量
为 540.7N/m。
铺管船各辊轴相对位置：为了考虑边界影响，张紧器
前取 2 个辊轴。根据工程作业的铺管船情况，在张紧器后
共 8 个辊轴，从船艏至托管架方向各个辊抽名称分别为：
R1，R2，张紧器，R3，R4，R5，S1，S2，S3，S4，S5。
在水平方向和竖直方向上每个辊轴距离辊轴 R1 的长度见
表 1，其中 R1 距离水面的高度为 3.9m。
表 1 各个辊轮相对张紧器的位置
辊轴及张紧器 R1 R2 张紧器 R3 R4 R5 S1 S2 S3 S4 S5
水平向至 R1 的距离(m) 0.00 12.00 26.09 37.00 47.20 57.74 66.30 74.25 82.18 90.60 99.05
竖直向低于 R1 的长度(m) 0.00 0.00 0.00 0.16 0.52 1.15 1.93 2.85 3.92 5.22 6.70
注：托管架上各个辊轴水平向至 R1 的距离考虑了拖
管架角度。
2 ABAQUS 数值模拟
以上工程施工中，铺管船到海底段管道形成 S 型，为
大变形问题。ABAQUS[4]
软件具有强大的非线性分析功
能，在工程中有着广泛的应用。根据以上参数，采用软件
ABAQUS 模拟管道的底拖过程。铺管船和托管架上面的
辊轴和管道的作用，以及管道和海床的相互作用都可以通
过接触的方式处理。众所周知，接触为非线性问题，对管
道、海床和辊轴的建模有一定的要求，如果处理不当则计
算难以收敛。因此，本文通过位移约束的方式模拟了管道
和辊轴的接触，通过位移约束和加载的方式模拟了管道和
海床的相互作用。以下给出模拟过程及计算结果。
2.1 模拟过程
第一步：建立模型，考虑管道半径，管道竖直向坐标
为 4.3893m，管道单元 B32，见图 2。
图 2.初始模型

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图 3.约束点的建立
第二步：根据各辊轴位置给出管道上相应的约束点。
通过移动坐标系平面的方式建立新平面，新平面和管道的
交点为约束点，见图 3。虽然当管道大变形后约束点和相
应辊轴位置不一致，但在本文的模拟中，这种不一致对结
果的影响可以忽略。着泥点的位置可以根据经验确定，或
者通过调试的方法得到：首先给出着泥点初始值，计算出
着泥点的支反力，然后调整着泥点的位置，当支反力为零
时，对应着泥点位置。
第三步：施加约束。根据各个辊轴相对 R1 在竖直向
的长度得到管道约束点和海床段管道竖直向位移，施加位
移约束。在海管铺设中，某些辊轴并不能起到支撑的作用，
计算出各约束点的支反力，当其为拉力时，则放松该约束。
张紧器的拉力通过简支约束管道端部体现，其他段管道在
水平向可以自由移动。见图 4。
图 4.施加约束示意图
第四步：施加重力载荷。水面以上和以下管道重力不
同，水面与管道交点可以通过经验得到，也可通过迭代的
方式求得。
第五步：施加海床摩擦力和拖管力。以均布载荷的形
式施加摩擦力，根据管道水下重力和摩擦系数，可知摩擦
力为 540.7N/m。拖管力取 350kN。
2.2 计算结果
按照以上步骤建立模型，计算得到管道应力场，见图
5。其中上弯段最大应力为 297MPa，下弯段最大应力为
290MPa。
图 5.管道应力场示意图
3 总结
某登陆段管道采用由海至陆的底拖法铺设，本文采用
ABAQUS 软件建立数值模型，计算了管道应力。上弯段
最大 Mises 应力为 297MPa，下弯段最大 Mises 应力为
290MPa，为管道底拖强度分析奠定了基础。
参考文献：
[1]E Heerema. Recent Advancements and Present Trends
in Deepwater Pipe- Lay Systems. OTC 17627, 2005.
[2]Braestrup M, Andersen J, Andersen L, et a1. Design and
installation of marine pipelines．Blackwell Science Ltd., 2005,
210-238.
[3]桑运水,韩清国.海底管道近岸浅水铺设的岸拖与海
拖.石油工程建设.2006(4).
[4]ABAQUS Version 6. 7 Documentation,ABAQUA,Inc.
[作者简介]曹先凡（1978-），男，高级工程师，从事
以下方面的研究：海底管道冲刷和防护，结构的强度、疲
劳分析和数值模拟。
（上接第 147 页）
图 1 元模型的类图
由图 1 可知，左边是类的抽象，由右边属性和操作构
成，自身关联，也就是在自己的内部有着一个自身的引用。
类包容了属性和操作，使之不能够离开类而独立存在。
6 元建模技术的应用前景
Uml 提供了一种 profile 扩展机制（profile 机制为 uml
添加一组新的语义通过通用机制完成）这组新的语义与
uml 模型元素结合就可以生成新的模型元素，新的模型元
素是对某个应用领域的扩展，这样就使得 UML 具有更强
的广泛性，可以支持更多的领域建模。同时 profile 扩展机
制在模型驱动方面具有很重要的作用，运用 uml 的 profile
机制能够创建一个平台无关性模型，再通过一定条件的映
射规则可以将平台无关型模型转换为平台相关型模型，最
后直接将平台相关型模型直接翻译为代码，这里的代码不
仅是一个系统的整体框架而且是实实在在能够实现具体功
能的。这可以让程序员省去了繁琐，乏味的写重复代码，
把主要的精力集中在模型的创作上来，在代码的重用的问
题上也提供了一个很好的解决办法，直接采用模型重用省
去了代码重用相当繁琐的过程，为以后的系统创建开辟了
一条新的道路。