柳振海，黃維平，李磊，曹淑剛

附加重量緩波立管數(shù)值分析

柳振海1,3，黃維平1，李磊1，曹淑剛2

對淺水海域使用的新型附加重量緩波立管進(jìn)行數(shù)值計算，分析管內(nèi)流體密度對柔性立管的動力特性影響，進(jìn)行附加裝置對立管平面外運(yùn)動影響的分析，同時引入一種模型簡化的計算方法，結(jié)果表明，內(nèi)流密度對立管位形、最大曲率和最大有效張力的影響較大，附加裝置的應(yīng)用減小了立管碰撞的概率，同時發(fā)現(xiàn)該模型簡化方法不僅計算準(zhǔn)確，而且易收斂、計算時間短。

附加重量緩波立管；動力特性；附加裝置；模型簡化；碰撞

立管系統(tǒng)是海洋石油裝備的重要組成部分，其主要作用是進(jìn)行海底井口與水面平臺之間的油氣傳輸[1-2]。在所有立管系統(tǒng)中，柔性立管以其優(yōu)秀的水動力特性廣泛應(yīng)用于深水油氣的開發(fā)。

緩波型布置的柔性立管是在結(jié)構(gòu)上安裝一定數(shù)量的浮力塊，通過浮力塊提供的浮力使立管隆起，形成類似于波浪的形狀。該布置方式可以減小懸掛點(diǎn)處的張力，減小頂部平臺運(yùn)動對觸地點(diǎn)的影響，提高觸地點(diǎn)的疲勞壽命[3]。但是傳統(tǒng)型緩波立管在淺水海域的應(yīng)用有一定的局限性，尤其在立管內(nèi)徑較大、內(nèi)部流體密度變化顯著的條件下，整體構(gòu)型的不穩(wěn)定問題突出。為了解決傳統(tǒng)型緩波立管在淺水區(qū)的應(yīng)用難題，新型附加重量緩波立管應(yīng)運(yùn)而生[4-5]，見圖1。

新型附加重量緩波式立管(weight added wave，WAW)與傳統(tǒng)型緩波立管最大的區(qū)別在于，前者采用附加裝置控制立管的位形，見圖2。附加裝置由浮力塊組件、尼龍纜和錨鏈組成，它的作用是控制立管位形，使上弓段高度在一定范圍內(nèi)變化。浮力塊組件為立管提供浮力，同時起到連接尼龍纜、錨鏈的作用，避免尼龍纜直接與立管相連而對立管造成損傷。錨鏈依靠自身重力及觸地段的摩擦力控制上弓段的高度。尼龍纜質(zhì)量與錨鏈相比較輕，它的應(yīng)用減小了錨鏈的整體質(zhì)量，從而優(yōu)化了浮力儲備。

以柔性立管的緩波型布置為基礎(chǔ)，對新型附加重量緩波立管進(jìn)行位形設(shè)計和數(shù)值計算。分析內(nèi)流密度變化對立管位形、曲率及張力的影響，探討附加裝置對立管平面外運(yùn)動的影響，并根據(jù)該結(jié)構(gòu)形式提出簡化計算方法。

1 附加重量緩波式立管

針對某淺水海域應(yīng)用的柔性立管進(jìn)行了WAW線型的整體布置。緩波形布局可以分為4段，分別為懸垂段、浮子段、下降段、躺地段，附加裝置設(shè)置在浮子段。表1和表2分別給出了計算環(huán)境條件和柔性立管的特性參數(shù)及設(shè)計參數(shù)。

表1 環(huán)境參數(shù)

表2 柔性立管參數(shù)及設(shè)計參數(shù)

柔性立管分析模型描述：在Orcaflex軟件中建立了FPSO、柔性立管、尼龍纜和錨鏈的耦合模型。柔性立管頂端與FPSO的內(nèi)轉(zhuǎn)塔相連，底端固定在井口處。浮子段連接了3條由尼龍纜和錨鏈組成的構(gòu)件，連接位置分別在沿管長63 m、78 m、93 m處，浮子段與構(gòu)件之間通過無質(zhì)量、長度較小的Link單元連接，錨鏈末端不加約束，可隨浮子段運(yùn)動。柔性立管、尼龍纜和錨鏈均采用Line模擬，Line模型考慮了構(gòu)件的阻尼特性，使得響應(yīng)模擬的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

為了提高分析精度，應(yīng)用集中質(zhì)量法將懸垂段首端10 m離散成0.2 m長的單元；浮子段與尼龍纜連接的部分離散成0.1 m長的單元；躺地段離散成0.1 m長的單元；其余部分離散成1 m長的單元。

2 數(shù)值分析

2.1 內(nèi)部流體密度的參數(shù)敏感性分析

在淺水海域中，傳統(tǒng)型緩波立管的內(nèi)部流體密度直接影響立管的整體形狀。柔性立管的波形是由浮子段提供的浮力維持的，沒有其他的支撐基礎(chǔ)，內(nèi)部流體密度增加導(dǎo)致立管濕重增加，使得浮子段及其附近立管下沉。

為研究內(nèi)部流體密度的參數(shù)敏感性，在保持其他參數(shù)不變的情況下，分別計算空管狀態(tài)、管內(nèi)流體密度為800 kg/m3、1 025 kg/m3時WAW柔性立管的性能。圖3、圖4分別給出了傳統(tǒng)型緩波立管、新型附加重量緩波立管在不同管內(nèi)流體密度下的整體位形。

比較圖3、圖4，立管空管狀態(tài)與內(nèi)部流體密度1 025 kg/m3相比，浮子段高度差由20 m下降到5 m，躺地段長度由15 m增長到30 m。為保證柔性立管末端不會受到垂直方向的拉力，躺地段不應(yīng)過短。由此證明，WAW式立管的位形要優(yōu)于傳統(tǒng)緩波式立管。

圖5給出了內(nèi)部流體密度對柔性立管最大曲率的影響情況，沿管長方向出現(xiàn)3個曲率極值，分別位于懸垂段最低點(diǎn)A處、浮子段最高點(diǎn)B處、躺地段起始位置C處，其中以A點(diǎn)、B點(diǎn)曲率值較大。曲率最大值發(fā)生在A點(diǎn)處且隨著內(nèi)部流體密度的增大而增大；與之相反，B點(diǎn)處曲率值隨內(nèi)部流體密度的增大而減小，這與輸送不同密度流體的柔性立管位形變化有關(guān)?？展軤顟B(tài)與輸送較高密度流體時相比，柔性立管懸垂段較緩而浮子段較陡，從而A點(diǎn)曲率值隨內(nèi)部流體密度的增大而增大，B點(diǎn)曲率值隨內(nèi)部流體密度的增大而減小。

圖6給出了內(nèi)部流體密度對柔性立管最大有效張力的影響情況。隨著內(nèi)部流體密度的增大，沿管長方向最大有效張力的變化規(guī)律一致，且和立管線形分布類似：懸垂段(0～60 m)有效張力逐漸減小，浮子段(60～100 m)有效張力逐漸增加，下降段(100～130 m)有效張力逐漸減小，躺地段(130～170 m)有效張力基本保持不變。最大有效張力均出現(xiàn)在立管頂端，且隨流體密度增大而增大，變化較明顯。隨著內(nèi)部流體密度的增大，立管濕重增加，從而增加對頂部懸掛張力的要求。浮子段末端出現(xiàn)另一個有效張力極值，且隨流體密度增大而減小。隨著內(nèi)部流體密度的增加導(dǎo)致浮子段下沉：一方面，下降段長度減少從而浮子段承受的拉力減??；另一方面，錨鏈懸空段減少、觸地段增長從而對立管的拉力減小。

2.2 立管平面外位移分析

附加裝置不僅能調(diào)整柔性立管的位形，而且能起到限制柔性立管平面外運(yùn)動的作用。定義垂直于立管所在平面方向?yàn)閅方向。改變環(huán)境荷載入射方向，以與立管所在平面成15°角的方向入射，分析立管Y向位移。圖7給出了WAW式立管與傳統(tǒng)緩波式立管在空管狀態(tài)、內(nèi)部流體密度1 025 kg/m3時Y向位移對比圖。由圖7可見，WAW式立管比傳統(tǒng)緩波式立管Y向位移小，在內(nèi)部流體密度小的情況下尤為明顯。

建立兩根相距10 m的并排立管，環(huán)境荷載入射方向與上述相同，分析兩根相鄰立管之間距離，距離越大說明碰撞的風(fēng)險越小。圖8給出了上游立管內(nèi)部無流體流動、下游立管內(nèi)部流體密度為1 025 kg/m3兩相鄰立管沿管長方向的距離變化情況，最小距離出現(xiàn)在傳統(tǒng)緩波立管135 m處，說明WAW式立管抵御碰撞風(fēng)險的能力要優(yōu)于傳統(tǒng)緩波式立管。由圖8可見，WAW式立管與傳統(tǒng)緩波式立管相比，0～35 m，以及130～170 m兩段并排立管相距距離較大，而中間段并排立管相距距離較小。中間段與首尾段規(guī)律相反的原因在于，WAW式立管與傳統(tǒng)緩波式立管相比內(nèi)部流體密度變化所引起的位形垂向差距較小，所以并排立管之間的距離小。

圖9給出了上下游立管都處于空管狀態(tài)時兩相鄰立管之間沿管長方向的距離變化情況。最小距離出現(xiàn)在傳統(tǒng)緩波式立管38 m處，說明WAW式立管抵御碰撞風(fēng)險的能力要優(yōu)于傳統(tǒng)緩波式立管。由圖9可見，WAW式立管與傳統(tǒng)緩波式立管相比，沿管長方向并排立管之間距離較大。

2.3 模型簡化分析

上述所建立的WAW模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高度非線性，收斂性差，動態(tài)計算耗費(fèi)時間久，其原因來自兩方面：①柔性立管、尼龍纜、錨鏈均采用Line單元，尼龍纜、錨鏈組成的構(gòu)件是一根單獨(dú)的Line，Line的上端是尼龍纜，下端是錨鏈。Orcaflex軟件中兩根單獨(dú)的Line之間無法直接相連，于是采用無質(zhì)量、長度微小的Link單元模擬連接的狀態(tài)。②錨鏈的末端不加任何約束，隨著浮子段的運(yùn)動，錨鏈觸地段的長度發(fā)生變化；隨著環(huán)境荷載方向的變化，錨鏈觸地段會發(fā)生不同程度的偏移。

為了將WAW線型更好地應(yīng)用于工程實(shí)際，進(jìn)一步提高計算效率，提出一種簡化的計算模型。在浮子段上均勻地布置5個體積微小、具有相同質(zhì)量的質(zhì)量塊，以此代替尼龍纜、錨鏈的作用。質(zhì)量塊的質(zhì)量隨內(nèi)部流體密度變化而變化，保持簡化模型與復(fù)雜模型位形、曲率、張力性能的一致。通過簡化模型能夠提高動力分析的效率，且保證分析結(jié)果的可信度。

浮子段與尼龍纜、錨鏈連接處所受平均有效拉力分別為：3.13 kN、2.05 kN、1.28 kN，等效總質(zhì)量659 kg。簡化模型中將等效總質(zhì)量平均分配每個質(zhì)量塊質(zhì)量取131.8 kg時與原模型吻合最為良好。

圖10～圖12分別給出了簡化模型與復(fù)雜模型沿管長方向的位形、曲率、有效張力的對比情況。由圖10可見，兩個模型位形基本一致，簡化模型在浮子段位置位形稍稍靠下。由圖11可見，在管長50 m處曲率最大，兩模型吻合良好；在另外兩個曲率峰值處略有差別。由圖12可見，兩模型沿管長有效張力基本一致。

圖13～圖14分別給出了最大曲率點(diǎn)處曲率時程以及立管頂部有效張力時程的對比情況。由圖13可見，兩模型在10個浪周期的時域內(nèi)曲率值吻合良好，簡化模型曲率值略低于復(fù)雜模型。由圖13可見，兩模型在10個波浪周期的時域內(nèi)有效張力值吻合良好。

3 結(jié)論

1)研究發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流體密度變化對立管位形、曲率以及張力等立管特性的影響較大。

2)在環(huán)境荷載斜向入射時，WAW線型與傳統(tǒng)緩波線型相比Y向偏移更小，抵御碰撞風(fēng)險的能力更優(yōu)。

3)根據(jù)該新型附加重量緩波立管，提出一種模型簡化的計算方法。計算結(jié)果顯示，該方法可較好地解決復(fù)雜模型非線性強(qiáng)以及收斂性差的計算難題，極大地節(jié)省了數(shù)值計算時間，可供工程實(shí)際借鑒。

4)今后還應(yīng)進(jìn)行附加重量緩波立管的物理模型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證文中模型簡化方法的準(zhǔn)確性，為該簡化方法應(yīng)用于工程計算提供依據(jù)。

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[4] TAN Zhi-min,LOPER Cobie,HOU Yu-cheng,et al.Application of flexible risers in shallow water-weight add wave configuration[C].Proceedings of the ASME 2009 28th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.Hawaii,2009.

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(1.中國海洋大學(xué) 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中能電力科技開發(fā)有限公司，北京 100034: 3.浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012)

Numerical Analysis of a Weight Added Wave Riser

LIU Zhen-hai1,3, HUANG Wei-ping1, LI Lei1, CAO Shu-gang2

(1.Shandong Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong 266100, China;2.Zhong Neng Electric Power Technology Development Co., Ltd., Beijing 100034, China;3.Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, China)

Numerical calculation was made for innovative weight added wave riser used in shallow water. The influences of fluid density inside the pipe upon the dynamic properties of flexible pipe risers were analyzed, as well as the influence of additional device upon the out-of-plane movement of risers. A calculation method with model simplification was introduced. Results indicated that the internal flow density has a great effect on the configuration, maximum curvature and maximum effective tension of risers. The additional device can reduce the probability of collisions among risers. The model simplification method is not only accurate but also convergent easily with short calculation time.

weight added wave riser; dynamic properties; additional device; model simplification; collision

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.028

2016-06-06

國家自然科學(xué)基金(51179179,51239008)

柳振海(1991—)，男，碩士生研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

TE53；P754

A

1671-7953(2017)01-0114-05

修回日期：2016-07-29