CN107727358B - 一种海底管线运动模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底管线运动模拟试验系统，包括：运动支架、海洋平台运动模拟系统、工作船模型系统、管线模型、地面海图区域、控制系统、试验数据采集和分析系统，其中，海洋平台运动模拟系统，包括海洋平台运动模拟器(3)和海洋平台模型(4)；工作船模型系统包括轨道模型(5)和工作船模型(6)；地面海图区域(8)，标识有坐标，用以确定海底管线在海底的坐标和方位。

Description

一种海底管线运动模拟试验系统

技术领域

本发明属于深海石油开发及运输技术领域，涉及一种海底管线运动模拟试验装置。

背景技术

深海管线是深水作业的关键装备，包括海洋立管、海底管道、海上电缆和脐带缆等，起到了在海上浮体与水下生产系统之间、水下生产系统之间进行油气输送和作业控制的重要作用。在深海油气开发过程中，每个海洋油气田项目都会有几十根甚至上百根管线，包括油气输送管道、钻井或生产立管、电缆和脐带缆等，错综复杂。考虑到海洋环境的不确定性，极端海况时有发生，管线系统在安装和作业过程中极易因遭受破坏进而引起漏油事故。近年来国内外发生的多起海洋管线系统漏油事故(如墨西哥湾深水地平线事故)，就导致了重大人员、财产损失和海洋环境污染。惨痛的教训迫使我们重点研究深水管线系统的安全作业关键技术，以确保施工作业安全，并进一步保证深海管线系统在设计使用寿命内的长期稳定可靠运行。

为了达到以上目的，开展深海管线系统模型试验和安装作业过程预演是最直接有效的手段，这对保障深海管线安装作业安全具有重要意义。海洋工程领域常采用水池试验进行浮式结构(浮式平台、海上风机、FPSO等)的动力响应分析，但水池试验往往操作困难，成本昂贵，且试验周期较长。此外，由于水池的水深和水下空间的限制，水池试验难以开展错综复杂的深海管线系统模型试验和安装作业过程预演。目前国内外未见能够实现对庞大的深海管线系统进行安装作业过程动态预演和在位运动模拟的试验装置。对于海洋管线的安装铺设及在位作业进行全过程全方位模拟试验、动态演示和测定，缺乏行之有效的试验手段。

发明内容

基于上述技术背景，本发明提出了一种深海管线运动模拟试验系统，能够实现对涵盖深海立管、海管、电缆、脐带缆、系泊和锚线等的深海油气开发管线系统安装铺设及在位作业的全过程全方位模拟试验、动态演示和测定，可以用来确定实际操作关键步骤，保障安全作业。技术方案如下：

一种海底管线运动模拟试验系统，包括：运动支架、海洋平台运动模拟系统、工作船模型系统、管线模型、海图模型、控制系统、试验数据采集和分析系统，其特征在于，

所述的运动支架，包括水平框架1和垂直支撑立柱2，垂直支撑立柱2与地基固定连接，水平框架1搭接在垂直支撑立柱2上；在控制系统的操作下，水平框架1能够实现上升和下降，并能够实现自动调平，模拟海面高度变化；

所述的海洋平台运动模拟系统，包括海洋平台运动模拟器3、海洋平台模型4，运动模拟器3上端与水平框架1固定连接，下端与海洋平台模型4通过万向头连接；海洋平台模型4下端与管线模型7固定连接，在控制系统的操作下，运动模拟器3产生位置和转角变化，实现多自由度的运动模拟，进而引起海洋平台模型4和管线模型7的位置、转角随时间变化，用以模拟海洋平台的在位运动；

所述的工作船模型系统，包括轨道模型5和工作船模型6，轨道模型5是工作船模型6的运动轨道，工作船模型6能够沿着轨道模型5运动；轨道模型5固定连接在水平框架1上，模拟实际工作船6的管线铺设轨迹；工作船模型6的上端与轨道模型5滑动连接，其尾端与管线模型7相连接，在控制系统的操作下，工作船模型6沿着预定的轨道5运动，模拟海底管线的铺设作业过程；

所述的管线模型7，用以模拟海底管线，管线模型7的各个上端分别悬挂在海洋平台模型4的下端或工作船模型6的尾端，各个下端固定在地面的海图模型8的不同位置上，由此形成错综复杂的管线布置网络；

所述的海图模型8，标识有坐标，用以确定海底管线在海底的坐标和方位；

所述的试验数据采集和分析系统，包括计算机和设置在不同位置的摄像机，摄像机拍摄的模拟管线影像被送入计算机，由计算机建立管线模型的数值形态，模拟真实管线运动形态。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下积极效果：

(1)本发明能够进行错综复杂的海洋管线安装过程预演，服役工况及极限载荷作用下运动试验，无需在水环境下开展试验，使得操作要简单易行，试验费用大大减少；

(2)本发明能够通过调节运动支架的高度模拟不同水深；

(3)本发明的海洋平台运动模拟系统能够模拟海洋平台的多自由度运动响应，海洋平台模型可以涵盖张力腿平台、Spar平台、半潜式平台、FPSO、海上风机等多种浮式结构型式；

(4)本发明的工作船模型系统可以设定多种工作船类型和尺寸，设定多种工作船模型铺设线路，涵盖了多种深海管线铺设方式；

(5)本发明的海图区域根据目标项目的海底环境和缩比尺设置，海图上具有精确的定位坐标,能够真实定位深海管线的铺设位置，且操作简单可行；

(6)本发明采用高速摄像机捕捉深海管线的运动状态，经由数据采集后在电脑中建立管线模型的数值形态，并通过程序中预设的模拟相似关系，建立模拟的真实管线运动形态，实现了深海管线安装过程同步分析和模拟。

附图说明

图1是本发明试验系统的结构示意图

图2是海洋平台模型、工作船模型与管线模型连接详图

图3是高速摄像机布置图

图中标号的说明：1-水平框架；2-垂直支撑立柱；3-运动模拟器；4-海洋平台模型；5-轨道模型；6-工作船模型；7-管线模型；8-海图模型

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种深海管线运动模拟试验系统，如图1和图2所示，该装置包括：运动支架、海洋平台运动模拟系统、工作船模型、管线模型、海图模型、控制系统、试验数据采集和分析系统。

所述的运动支架，包括水平框架1、四根垂直支撑立柱2及相关控制附件。四根垂直支撑立柱2与地基固定连接，水平框架1搭接在四根垂直支撑立柱2上。在相关控制系统的操作下，水平框架1能够实现上升和下降，并能够实现自动调平，模拟海面高度变化，进而模拟不同的水深环境。

所述的海洋平台运动模拟系统，包括海洋平台运动模拟器3、海洋平台模型4及相关控制系统。运动模拟器3上端与水平框架1固定连接，下端与海洋平台模型4通过万向头连接。海洋平台模型4下端与管线模型7固定连接。在相关控制系统的操作下，运动模拟器3产生位置和转角变化，实现多自由度的运动模拟，进而引起海洋平台模型4和管线模型7的位置、转角随时间变化，用以模拟海洋平台4的在位运动。

所述的工作船模型，包括轨道模型5、工作船模型6及相关控制附件。轨道模型5是工作船模型6的运动轨道，工作船模型6能够沿着轨道模型5运动。轨道模型5固定连接在水平框架1上，并能够根据不同的项目要求变化轨道5在水平框架上安装的位置，模拟实际工作船6的管线铺设轨迹。工作船模型6的上端与轨道模型5滑动连接，其尾端与管线模型7通过滑轮连接。在相关控制系统的操作下，工作船模型6沿着预定的轨道5运动，模拟深海管线的铺设作业过程。

所述的管线模型7，采用棉线、聚酯等轻质材料制作，用以模拟深海立管、电缆、脐带缆、系泊和锚线等深海管线。管线模型7的上端分别悬挂在海洋平台模型4的下端和工作船模型6的尾端，其下端固定在地面的海图模型8上，由此形成错综复杂的管线布置网络。

所述的海图模型8，如实反映实际油气田开发项目的海底情况，其作用是确定深水管线在海底的坐标和方位。海图模型8与海洋平台模型4的位置相对应，海图大小比例与模拟海洋深度对应。

所述的试验数据采集和分析系统，在试验装置预设位置安装高速摄像机，如图3所示。采用视频图像捕捉模拟管线影像，通过软件识别影像而获得模拟管线的运动数据(如与时间对应的位置关系、速度等物理量)。最后经由数据采集后在电脑中建立管线模型的数值形态，并通过程序中预设的模拟相似关系，建立模拟的真实管线运动形态。

下面对系统建造和试验过程进行说明。

步骤S1、根据目标项目的海洋平台的类型、尺寸和缩比尺，选取和制作尺寸合适的海洋平台模型4，这里的海洋平台模型4可以是张力腿平台、Spar平台、半潜式平台、FPSO、海上风机等多种浮式结构型式；

步骤S2、根据目标项目的工作船的类型、尺寸和缩比尺，选取和制作尺寸合适的轨道模型5和工作船模型6，这里的工作船模型6可以是适用于各种铺管方式的工作船类型；

步骤S3、下调水平框架1至合适高度(比人的身高略高)，在运动模拟器3下端安装海洋平台模型4；

步骤S4、根据目标项目的工作船的预定铺设线路，在水平框架1下端安装工作船模型6的轨道5；

步骤S5、在工作船模型6的轨道5上安装相应的工作船模型6；

步骤S6、根据目标项目的水深环境和缩比尺，确定海洋平台模型4下表面的高度；

步骤S7、在相关控制附件的控制下，调节水平框架1到达预设的高度，通过控制系统使得水平框架1自动调平，调平后水平框架保持固定；

步骤S8、根据目标项目的海底环境和缩比尺，制作海图模型8，并铺设在地面上；

步骤S9、校准海图模型8和海洋平台模型4的对应位置；

步骤S10、在海图模型8上确定并标记管线模型7铺设在海底的连接位置；

步骤S11、按照目标项目的管线铺设计划，首先铺设海洋平台模型4上的管线，利用引导设备将管线模型7从海洋平台模型4上引出，并由上往下引导，直到管线下端到达海图模型8的预定连接位置，与海图模型8预设位置进行固定；

步骤S12、重复步骤S10，铺设海洋平台模型4上的其他管线，如果没有出现管线缠绕现象，则按原铺设计划进行铺设，如果出现管线缠绕现象，则记录并修改原铺设计划；

步骤S13、海洋平台模型4上的管线铺设完毕后，利用图像采集系统，检查管线之间的间距是否满足工程要求，如不满足则记录并修改原铺设计划；

步骤S14、按照目标项目的管线铺设计划，采用工作船模型6铺设管线。将工作船模型6移动至预设位置，利用引导设备将管线模型7从工作船模型6上引出，并由上往下引导，直到管线下端到达海图模型8的预定连接位置，与海图模型8预设位置进行固定；

步骤S15、在相关控制附件的控制下，工作船模型6沿着预设轨道5运动，利用高速摄像机记录管线模型的运动情况；

步骤S16、重复步骤S13和步骤S14，采用其他工作船模型6铺设管线，如果没有出现管线缠绕现象，则按原铺设计划进行铺设，如果出现管线缠绕现象，则记录并修改原铺设计划；

步骤S17、根据目标项目的平台运动数据，设置运动模拟器3的运动参数，利用高速摄像机记录管线模型7的运动过程，通过第三方软件识别影像而获得模拟管线的运动数据(如与时间对应的位置关系、速度等物理量)；

步骤S18、经由数据采集后在电脑中建立管线模型7的数值形态，并通过程序中预设的模拟相似关系，建立模拟的真实管线运动形态。

步骤S19、通过以上对管线的安装铺设及在位作业的全过程全方位模拟试验、动态演示和测定，进而确定实际操作关键步骤，保障安全作业。

本发明能够进行错综复杂的海洋管线安装过程预演，服役工况、及极限载荷作用下运动试验，无需在水环境下开展试验，使得操作要简单易行，试验费用大大减少；能够通过调节运动支架的高度模拟不同水深；海洋平台运动模拟系统能够模拟海洋平台的多自由度运动响应，海洋平台模型涵盖张力腿平台、Spar平台、半潜式平台、FPSO、海上风机等多种浮式结构型式；工作船模型系统可以设定多种工作船类型和尺寸，可以设定多种工作船模型铺设线路，因此涵盖了多种深海管线铺设方式；海图模型根据目标项目的海底环境和缩比尺设置，能够真实定位深海管线的铺设位置，且操作简单可行；通过图像捕捉模拟管线影像系统，能够实现深海管线安装过程同步分析和模拟。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种海底管线运动模拟试验系统，包括：运动支架、海洋平台运动模拟系统、工作船模型系统、管线模型、海图模型、控制系统、试验数据采集和分析系统，其特征在于，

所述的运动支架，包括水平框架(1)和垂直支撑立柱(2)，垂直支撑立柱(2)与地基固定连接，水平框架(1)搭接在垂直支撑立柱(2)上；在控制系统的操作下，水平框架(1)能够实现上升和下降，并能够实现自动调平，模拟海面高度变化；

所述的海洋平台运动模拟系统，包括海洋平台运动模拟器(3)、海洋平台模型(4)，运动模拟器(3)上端与水平框架(1)固定连接，下端与海洋平台模型(4)通过万向头连接；海洋平台模型(4)下端与管线模型(7)固定连接，在控制系统的操作下，运动模拟器(3)产生位置和转角变化，实现多自由度的运动模拟，进而引起海洋平台模型(4)和管线模型(7)的位置、转角随时间变化，用以模拟海洋平台的在位运动；

所述的工作船模型系统，包括轨道模型(5)和工作船模型(6)，轨道模型(5)是工作船模型(6)的运动轨道，工作船模型(6)能够沿着轨道模型(5)运动；轨道模型(5)固定连接在水平框架(1)上，模拟实际工作船(6)的管线铺设轨迹；工作船模型(6)的上端与轨道模型(5)滑动连接，其尾端与管线模型(7)相连接，在控制系统的操作下，工作船模型(6)沿着预定的轨道(5)运动，模拟海底管线的铺设作业过程；

所述的管线模型(7)，用以模拟海底管线，管线模型(7)的各个上端分别悬挂在海洋平台模型(4)的下端和工作船模型(6)的尾端，各个下端固定在地面的海图模型(8)的不同位置上，由此形成错综复杂的管线布置网络；

所述的海图模型(8)，标识有坐标，用以确定海底管线在海底的坐标和方位；

所述的试验数据采集和分析系统，包括计算机和设置在不同位置的摄像机，摄像机拍摄的模拟管线影像被送入计算机，由计算机建立管线模型的数值形态，模拟真实管线运动形态。