楊 琥，李 旭，何 寧，馮現(xiàn)洪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

M型跨接管設(shè)計(jì)中敏感性分析的參數(shù)化研究

楊 琥，李 旭，何 寧，馮現(xiàn)洪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

水下模式開(kāi)發(fā)的油氣田中，跨接管作為水下井口、管道終端管匯(PLEM)及管道終端(PLET)間的連接管段，與海底輸送管道相比具有相對(duì)特殊的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)。因此跨接管設(shè)計(jì)通常獨(dú)立于海底管道進(jìn)行。介紹跨接管的設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素，結(jié)合跨接管預(yù)制、安裝特點(diǎn)以及與海底管道、水下基礎(chǔ)的等界面影響，介紹與歸納設(shè)計(jì)中包含的敏感性因素及其影響。根據(jù)多敏感性因素的特點(diǎn)提出基于參數(shù)化分析的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)計(jì)算模擬與結(jié)果比較就各敏感性因素對(duì)跨接管在位強(qiáng)度的影響提供一些具有指導(dǎo)意義的原則與思路。

跨接管；敏感性分析；參數(shù)化

0 引 言

深水油氣田工程中，跨接管主要應(yīng)用于水下井口、管匯與管道終端連接，以及自由站立式立管(FSHR)與海底管道的連接。而其在以水下生產(chǎn)系統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)的油氣田中幾乎已成為不可缺少的組成部分?？缃庸茏鳛樗律a(chǎn)系統(tǒng)的主要連接元件，依據(jù)其不同的類(lèi)型與特點(diǎn)大體可分為：基于安裝與連接器形式分為水平跨接管與豎直跨接管；從管體的材料上分為剛性跨接管與柔性跨接管。其中剛性跨接管從結(jié)構(gòu)的幾何形狀來(lái)看包括M型、倒U型、Z型、Hi-Lo型及非規(guī)則的三維跨接管等。無(wú)論跨

圖1 典型M型剛性跨接管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical M shape jumper configuration sketch

接管型式類(lèi)別如何，其在工程中的目的是提供一種利用撓性有效釋放高溫管道端部引起的軸力，并滿(mǎn)足其運(yùn)動(dòng)疲勞壽命要求，易于安裝的連接管道結(jié)構(gòu)。本文以M型剛性跨接管為例介紹其設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要敏感性影響因素，并通過(guò)對(duì)這些因素的總結(jié)歸納提出一種參數(shù)化強(qiáng)度分析的方法，對(duì)各敏感性參數(shù)變量的影響結(jié)果做出解釋?zhuān)瑢?duì)進(jìn)行跨接管設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 跨接管設(shè)計(jì)內(nèi)容與要點(diǎn)

跨接管設(shè)計(jì)中通常獨(dú)立于海底管道，界面上涉及的專(zhuān)業(yè)包括水下流動(dòng)保障、連接器的制造供應(yīng)商、水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、水下設(shè)施總體布置及海底管道、立管等。設(shè)計(jì)內(nèi)容上需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題包括：

1)跨接管的流動(dòng)保障分析；

2)管道端部位移與操作工況下極端荷載控制的強(qiáng)度分析；

3)環(huán)境荷載作用下的渦激振動(dòng)(VIV)疲勞分析；

4)關(guān)斷/再啟動(dòng)等非正常操作工況引起的熱循環(huán)疲勞分析；

5)立管運(yùn)動(dòng)引起的跨接管強(qiáng)度與疲勞分析(基于FSHR應(yīng)用)；

6)跨接管的預(yù)制、FAT(工廠驗(yàn)收測(cè)試)、SIT(系統(tǒng)集成測(cè)試)、運(yùn)輸及安裝過(guò)程中的要求。通過(guò)多年來(lái)從跨接管在工程上的應(yīng)用來(lái)看，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與VIV疲勞基本成為設(shè)計(jì)過(guò)程中最為關(guān)鍵的控制條件。

而設(shè)計(jì)中2個(gè)控制條件在一定情況下又彼此相制約，一方面需要足夠長(zhǎng)度的跨接管來(lái)提供撓性釋放軸力避免在連接點(diǎn)的應(yīng)力集中，同時(shí)也需要控制其長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致渦振疲勞超出設(shè)計(jì)壽命要求。諸如此類(lèi)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題還有很多方面。這就需要設(shè)計(jì)者對(duì)跨接管的幾何形狀等方面進(jìn)行優(yōu)化，從水下系統(tǒng)總體布置、允許的安裝公差等一系列影響因素綜合考慮，從擬定的跨接管尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行多工況的計(jì)算分析進(jìn)行驗(yàn)證。

2 跨接管設(shè)計(jì)中的敏感性因素及影響

跨接管設(shè)計(jì)中的敏感性因素是指在前期設(shè)計(jì)擬定的結(jié)構(gòu)尺寸基礎(chǔ)上，通過(guò)一定范圍內(nèi)改變模型尺寸或施加不同荷載而引起的不同分析結(jié)果，需要判斷結(jié)果影響趨勢(shì)的這一類(lèi)參數(shù)?？缃庸苊舾行苑治龅木唧w目的主要有以下3點(diǎn)：

1)通過(guò)大量模型的計(jì)算模擬，在設(shè)計(jì)中給出最為合適水下總體布置與跨接管幾何形狀，將設(shè)計(jì)中控制工況的風(fēng)險(xiǎn)降至最低；

2)在某些設(shè)計(jì)參數(shù)不確定的前提下提供參數(shù)帶寬，確定此參數(shù)允許的范圍或指出對(duì)制造、安裝過(guò)程中的原則及限制；

3)由于安裝誤差的不可消除性，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝后的狀態(tài)，判斷跨接管是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的允許范圍。以下對(duì)國(guó)際工程上應(yīng)用最為廣泛的M型跨接管在設(shè)計(jì)中包含的敏感性因素及其影響進(jìn)行介紹。

2.1 跨接管在水下系統(tǒng)中的總體布置

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中通過(guò)合理的總體布置實(shí)現(xiàn)管匯與PLET或水下井口連接的基本功能要求，而PLEM與PLET的位置選取在很大程度上決定跨接管的型式與尺寸。單方面而言，越為緊湊的水下基礎(chǔ)布置，需要的跨接管長(zhǎng)度越短，安裝成本也會(huì)隨之下降。如跨接管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其受渦激振動(dòng)影響引起的疲勞問(wèn)題越顯著。此外對(duì)于水下基礎(chǔ)位移較大(多為管道膨脹位移引起)的情況下導(dǎo)致連接器區(qū)域?qū)l(fā)生應(yīng)力集中，采用撓性較大的三維跨接管形式將有助于釋放端部位移荷載，而從安裝難度上相比M型跨接管要高。

2.2 制造公差對(duì)跨接管產(chǎn)生的額外荷載

跨接管預(yù)制的最終完成需要基于現(xiàn)場(chǎng)水下測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)最后預(yù)留的3個(gè)組裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行焊接、檢驗(yàn)與外涂層處理方可進(jìn)行FAT。在預(yù)制過(guò)程中允許的公差范圍主要基于廠商提供的連接器的對(duì)接能力。圖2為跨接管允許制造公差示意，其中整體在水平方向的長(zhǎng)度公差為±4″，角度公差為±1°。制造公差的存在將導(dǎo)致連接后的跨接管兩側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)制的位置荷載。

圖2 M型跨接管允許制造公差示意圖Fig.2 Illustration of M shape jumper allowable fabrication tolerance

2.3 許用安裝公差范圍對(duì)跨接管的影響

跨接管的安裝公差范圍由水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安裝Target Box來(lái)確定，由此可確定允許的跨接管長(zhǎng)度與相對(duì)角度的范圍，根據(jù)不同的Target Box要求可以計(jì)算預(yù)知跨接管安裝后最大與最小的偏離角度以及最大與最小水平投影長(zhǎng)度，圖3直觀地表示了許用安裝公差對(duì)跨接管幾何形狀的影響，因此在設(shè)計(jì)模型的分析與校核中至少要囊括該許用安裝公差的尺寸范圍。

圖3 許用安裝公差對(duì)跨接管的尺寸影像范圍Fig.3 Jumper size range due to installation target box

2.4 水下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降

海床上的PLEM與PLET在長(zhǎng)期條件下將發(fā)生沉降，沉降對(duì)跨接管的影響即產(chǎn)生豎直向下的位移荷載，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要判斷沉降引起的位移對(duì)跨接管強(qiáng)度是否會(huì)造成控制工況的影響。

2.5 跨接管Midspan離地高度的不確定性

鑒于水下基礎(chǔ)安裝的實(shí)際高度與海床對(duì)跨接管的影響或限制，需要考慮跨接管底部距海床高度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行敏感性分析，為防止海床影響，通常M型跨接管底高設(shè)置為500～600 mm以上。

2.6 連接管道的膨脹位移

操作工況下當(dāng)海底管道端部的膨脹荷載引起PLET滑動(dòng)時(shí)，跨接管將發(fā)生變形，跨接管端部的位移荷載在其局部坐標(biāo)系中分解成2個(gè)垂直的方向(見(jiàn)圖4)，即跨接管初始狀態(tài)軸向及與其對(duì)應(yīng)的垂向。如前所述，水下基礎(chǔ)的安裝允許誤差將引起跨接管實(shí)際安裝的尺寸長(zhǎng)度與總體坐標(biāo)系中的角度與設(shè)計(jì)時(shí)存在一定變化，管道膨脹的位移荷載在跨接管局部坐標(biāo)系中也會(huì)產(chǎn)生不同數(shù)值的分量，因此管道膨脹位移的敏感性范圍至少需要覆蓋其安裝允許誤差的范圍，根據(jù)不同角度施加不同的位移荷載。

圖4 管道終端膨脹位移對(duì)跨接管變形影響示意圖Fig.4 End thermal growth effect to subsea jumper

2.7 不同管材屬性的考慮

諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)得主赫爾曼·黑塞激賞的長(zhǎng)篇小說(shuō)，自六十年代至今已被譯成四十多種文字在全球發(fā)行?！堵埂窐O具藝術(shù)性地描寫(xiě)了女性命運(yùn)，以及女性自我價(jià)值實(shí)現(xiàn)的意義。

對(duì)于一些采用不同管體截面屬性的管道，設(shè)計(jì)中需要對(duì)不同管體參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，對(duì)一些材料無(wú)法確定或具體證實(shí)的屬性可根據(jù)敏感性分析結(jié)果保守考慮。如雙金屬?gòu)?fù)合管道跨接管，就要判斷其內(nèi)襯層剛度、壁厚及彈性模量對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

以上基于跨接管設(shè)計(jì)中最為常見(jiàn)的幾種敏感性因素，大體可歸納為2種分析前提，其中1、3、5、6、7可考慮為幾何形狀敏感性因素，2、4、6為位移荷載影響性因素。此外可能存在一些影響跨接管設(shè)計(jì)的其他影響因素，設(shè)計(jì)者可根據(jù)工程的實(shí)際情況加以考慮與研究。

3 參數(shù)化模型分析計(jì)算

圖5給出跨接管強(qiáng)度敏感性分析的設(shè)計(jì)流程，通過(guò)初選得到的管道壁厚結(jié)果、初期設(shè)計(jì)圖中形狀布置，同時(shí)結(jié)合跨接管涉及的附件、裝置的幾何形狀、自重等信息建立跨接管結(jié)構(gòu)幾何模型。

圖5 跨接管強(qiáng)度敏感性分析設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Jumper strength sensitivity analysis flow chart

基于上述跨接管設(shè)計(jì)中的一系列敏感性因素，可以確定分析的工況組合。以一典型M型豎直跨接管為例，對(duì)跨接管參數(shù)化強(qiáng)度分析思路與方法進(jìn)行簡(jiǎn)介。

表1 跨接管設(shè)計(jì)主要基礎(chǔ)參數(shù)

結(jié)合敏感性因素分類(lèi)，通過(guò)表2確定該跨接管強(qiáng)度分析的工況?？梢钥闯龃怂憷紤]的設(shè)計(jì)工況多達(dá)2 600個(gè)，如按每個(gè)工況單獨(dú)建模分析，在計(jì)算過(guò)程中的時(shí)間消耗巨大。因此需要設(shè)計(jì)者根據(jù)跨接管幾何形狀與位移荷載的特征與相互關(guān)聯(lián)，建立一套參數(shù)化程序，通過(guò)迭代一系列變量完成多工況的計(jì)算分析。

表2 跨接管敏感性因素工況矩陣

圖6 跨接管參數(shù)化模型示意圖Fig.6 Jumper parametric model sketch

M型豎直跨接管預(yù)制完成前，剩余的3個(gè)焊接節(jié)點(diǎn)要基于水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)測(cè)量的間距、角度與高度進(jìn)行裝配，以調(diào)整得到實(shí)際所需的跨接管的幾何尺寸。參照其典型結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖5)，不難發(fā)現(xiàn)L3，L4與L5段長(zhǎng)度即可作為確定水平投影長(zhǎng)度與底高的循環(huán)變量。

跨接管與膨脹位移的角度范圍需要覆蓋安裝允許公差的范圍，按照連接管道與跨接管水平夾角對(duì)跨接管軸向的垂直方向上的膨脹位移進(jìn)行分解(參見(jiàn)圖4和圖7)，通過(guò)設(shè)定該水平夾角為參數(shù)變量運(yùn)用三角函數(shù)完成膨脹位移在跨接管局部坐標(biāo)系中2個(gè)方向上的施加。

圖7 管道終端膨脹位移偏離角度影響范圍Fig.7 Pipeline growth and related angle of application jumpe

4 敏感性分析結(jié)果比較

通過(guò)上一部分介紹的參數(shù)化分析計(jì)算流程，可以很快得出各工況跨接管強(qiáng)度分析的臨界應(yīng)力結(jié)果，對(duì)于大量的結(jié)果處理采用較為直觀的極值應(yīng)力系數(shù)等值線云圖進(jìn)行比較。本節(jié)從跨接管強(qiáng)度分析的結(jié)果判斷各敏感性因素影響趨勢(shì)，此外介紹對(duì)多工況比較篩選的一些思路與方法。

對(duì)于此類(lèi)高溫高壓跨接管，最大應(yīng)力位移通常集中于膨脹位移加載端的彎頭處，作為連接器校核所用的兩側(cè)邊界點(diǎn)荷載值也需要特別關(guān)注，具體可根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]所作介紹進(jìn)行連接器校核。

步驟1：結(jié)果云圖較多時(shí)，比較過(guò)程中就需要有針對(duì)性。根據(jù)文中給出的算例，先對(duì)跨接管設(shè)計(jì)底高為1 m，不考慮沉降的工況進(jìn)行比較，如圖9所示，圖中縱坐標(biāo)表示跨接管水平投影與設(shè)計(jì)角度偏離敏感性范圍，橫坐標(biāo)表示跨接管長(zhǎng)度敏感性范圍。是否考慮管道內(nèi)襯層屬性影響的兩工況下跨接管在安裝許用公差范圍內(nèi)的最大應(yīng)力皆小于許用值，由于將內(nèi)襯層等效為鋼管的壁厚，增加了跨接管局部的截面面積與剛度，其抵抗荷載能力有所提高，因此在考慮內(nèi)襯層作用的工況下，計(jì)算得到的極值應(yīng)力系數(shù)相對(duì)較小，設(shè)計(jì)中出于保守考慮，將“不考慮內(nèi)襯層影響”的工況作為下一步結(jié)果比較的選項(xiàng)。

圖8 跨接管極值Von Mises應(yīng)力系數(shù)云圖(不考慮內(nèi)襯層 影響，不考慮沉降工況)Fig.8 Max.Von Mises stress utilization contour map (No clad and no settlement considered)

圖9 跨接管極值Von Mises應(yīng)力系數(shù)云圖(考慮內(nèi)襯層 影響，不考慮沉降工況)Fig.9 Max Von Mises stress utilization contour map (3mm thk. clad and no settlement considered)

圖10 跨接管極值Von Mises應(yīng)力系數(shù)云圖(不考慮內(nèi)襯層 影響，考慮沉降工況)Fig.10 Max Von Mises stress utilization contour map (No clad and 229mm settlement considered)

步驟2：將PLEM側(cè)考慮229 mm沉降工況的應(yīng)力系數(shù)云圖(見(jiàn)圖10)與上一步篩選得到的工況(見(jiàn)圖8)進(jìn)行比較，從中可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)果差異并不明顯。而基于安裝許用公差范圍來(lái)看，考慮沉降位移工況應(yīng)力值偏小，因此零沉降的工況分析結(jié)果可推薦作為敏感性分析的保守結(jié)果。此外對(duì)于PLEM沉降位移遠(yuǎn)小于端部膨脹位移的跨接管，對(duì)其應(yīng)力極值都有不同程度的減緩效果，其原因主要是PLEM側(cè)豎直向下的位移提供的軸向拉力一定程度上抵消了溫度與熱膨脹位移引起的軸向壓力。

步驟3：最后將第2步篩選得到的工況(不考慮內(nèi)襯層影響，不考慮沉降)就跨接管底高參數(shù)的敏感性分析結(jié)果做出評(píng)估，圖11給出了0.6～1.0 m范圍內(nèi)極值應(yīng)力系數(shù)結(jié)果，在跨接管底高超過(guò)0.6 m的情況下，應(yīng)力極值有增大的趨勢(shì)。從整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力上解釋?zhuān)?dāng)?shù)赘咴龃髸r(shí)，跨接管在PLET側(cè)管道豎直高度增長(zhǎng)，底端輸入的膨脹位移傳遞到頂部彎頭形成較大彎矩，而高溫跨接管的應(yīng)力極值的作用點(diǎn)多數(shù)都位于此彎頭處。然而當(dāng)?shù)赘呔嚯x過(guò)小的情況下，由于膨脹位移難以利用跨接管撓性進(jìn)行釋放，引起底端連接器處荷載過(guò)大，造成應(yīng)力集中，因此需要結(jié)合連接器廠商提供的極限承載能力對(duì)跨接管底高距離進(jìn)行合理的選取。

圖11 跨接管底高范圍內(nèi)極值Von Mises應(yīng)力系數(shù)分布圖Fig.11 Max contour for Von Mises stress utilization vs.jumper mid-span height

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水下跨接管敏感性分析的介紹與實(shí)例分

析，優(yōu)化跨接管的幾何尺寸，能夠在一定程度上得到系統(tǒng)受力最為理想的結(jié)構(gòu)。綜合考慮跨接管設(shè)計(jì)中其他需要關(guān)注的關(guān)鍵因素，才能最終確定其形狀布置。同時(shí)敏感性分析得到的大量數(shù)值結(jié)果，清晰反映了設(shè)計(jì)、預(yù)制及安裝過(guò)程中各種參數(shù)的變化對(duì)實(shí)際操作階段跨接管強(qiáng)度的影響趨勢(shì)，為工程人員在初期對(duì)如何規(guī)劃水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置提供了參考，同時(shí)也對(duì)實(shí)際安裝完工狀態(tài)做出合理的判斷與及時(shí)反饋。

[1] SHANKS J,HAHN G,XIA J.Design optimisation of deep-water hybrid riser base jumpers[C].Offshore Technology Conference,2011.

[2] 何同，李婷婷，段夢(mèng)蘭,等.深水剛性跨接管設(shè)計(jì)的主要影響因素分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2012，27(4)：50-56.

[3] 韓峰，董楠，段夢(mèng)蘭,等.水下跨接管與管道終端測(cè)試技術(shù)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，41(7)：1-6.

[4] 周燦豐，焦向東，曹靜，等.水下跨接管連接器選型設(shè)計(jì)研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2011,24(3)：75-78.

Parametric study for sensitivity analysis of M shape subsea jumper

YANG Hu,LI Xu,HE Ning,FENG Xian-hong

(China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)

As a essential part to connect Subsea wellhead, PLEM and PLET in subsea system base oil and gas field development, jumper is isolated from pipeline system design due to its characteristic in structure. This paper was prepared for introducing some key consideration in jumper design philosophy.To fully take into account the jumper pre-fabrication and installation process and interface with pipeline and subsea structure, it generalized sensitivity factors and their effect for jumper design. The paper gave a parametric analysis method for M shape jumper design, and some guiding principle and thought also presented base on detailed analysis of examples.

jumper;sensitivity analgsis;parametric;contoured screening

2013-12-26；

2014-02-14

中國(guó)海洋石油總公司科技項(xiàng)目“深水跨接管設(shè)計(jì)、制造、安裝關(guān)鍵技術(shù)研究”資助項(xiàng)目(CNOOC-KJ 125ZDXM05GC00GC2011-04)

楊琥(1981-),男，工程師，主要從事海底管道和立管設(shè)計(jì)。

U674.38+1

A

1672-7649(2014)03-0125-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.026