, , , , , ,

(1.高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100029; 2.海洋石油工程股份有限公司 安裝公司， 天津 304500)

在位浮式平臺回接鋼懸鏈線立管安裝設(shè)計

朱為全1,宋亞新1,王銘飛1,李斌2,牛強(qiáng)2,劉月舟2,羅勇1

(1.高泰深海技術(shù)有限公司，北京100029; 2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津304500)

詳細(xì)介紹在位浮式平臺的鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser, SCR)回接安裝的流程、安裝分析方法以及分析準(zhǔn)則。 以某半潛平臺為例，對其鋼懸鏈線立管的安裝進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)和疲勞分析，得到安裝作業(yè)的氣候窗和關(guān)鍵狀態(tài)最長待機(jī)時間等重要安裝參數(shù)。

浮式平臺；鋼懸鏈線立管； J型鋪管；安裝

0 引 言

立管系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著將海底的石油或天然氣傳輸?shù)礁∈狡脚_和向海底注水注氣等任務(wù)。目前常見的立管形式主要有：柔性立管、頂部張緊式立管、鋼懸鏈立管(Steel Catenary Riser, SCR)和復(fù)合式立管。其中，SCR由于結(jié)構(gòu)簡單、安裝建造成本低、滿足大管徑要求和耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于深水油氣的開發(fā)中。自1994年首次使用以來，目前世界上已經(jīng)有百余條SCR立管完成安裝并投入使用，其母平臺包括張力腿平臺、SPAR平臺、半潛平臺以及多點(diǎn)系泊的FPSO，最大安裝水深達(dá)3 000 m[1]。

SCR安裝是近年來深水工程研究的熱點(diǎn)，與普通海底管道的安裝相比，其安裝更加復(fù)雜，需要根據(jù)安裝船舶資源、氣候條件、SCR本身特性和母平臺特性綜合考慮安裝方案。根據(jù)所使用鋪管船類型的不同，可將SCR安裝方法[2]分為：S型鋪管法(S-lay)、J型鋪管法(J-lay)和卷管鋪管法(Reel-lay)。目前，全世界這3種類型的鋪管船共有數(shù)十艘。Subsea7，Saipem，EMAS等國外海洋工程安裝公司同時擁有這3種鋪管船，而國內(nèi)目前僅有S型鋪管船。根據(jù)母平臺是新建還是已有，可選擇不同的SCR安裝流程：(1)SCR預(yù)鋪設(shè)再回收安裝法。首先將SCR預(yù)鋪設(shè)在海底，等待新建母平臺安裝就位后，通過安裝船對預(yù)鋪設(shè)SCR進(jìn)行回收并與母平臺連接。該方法可使SCR鋪設(shè)與平臺建造同時進(jìn)行，從而縮短了整個項目的建造周期。(2)SCR回接安裝法。先將SCR從鋪管船傳遞給現(xiàn)有在位平臺并連接，然后從平臺側(cè)開始往海底終端方向鋪設(shè)，一般采用J-型鋪管或者卷管鋪設(shè)。該方法常用于對現(xiàn)有在位平臺的新增立管回接安裝。

目前，國內(nèi)已有多位學(xué)者對SCR安裝分析進(jìn)行了研究，于衛(wèi)紅等[3]基于SPAR平臺, 對深水SCR的安裝方法進(jìn)行研究，給出SCR典型安裝步驟，并采用有限元軟件OrcaFlex對SCR的回收和穿越母平臺底部的跨底拖轉(zhuǎn)進(jìn)行分析。陳嚴(yán)飛等[4]介紹SCR回收后跨底拖轉(zhuǎn)的安裝步驟，并對1 500 m水深SPAR平臺鋼懸鏈立管的跨底拖轉(zhuǎn)進(jìn)行計算分析?？登f等[5]對深水半潛平臺SCR的J型鋪管方法進(jìn)行計算分析，得到適合安裝作業(yè)的氣候作業(yè)窗。汪紅艷等[6]以南海1 500 m水深的SPAR平臺為目標(biāo)平臺，對SCR的安裝過程進(jìn)行分析和研究。然而，現(xiàn)有研究大多針對SCR預(yù)鋪設(shè)再回收安裝法，對于SCR的回接安裝流程的研究較少。

本文對現(xiàn)有平臺的SCR回接安裝流程進(jìn)行研究，介紹其安裝分析方法和設(shè)計準(zhǔn)則，并以某半潛式平臺的SCR回接安裝項目為例進(jìn)行安裝計算分析，為今后的SCR回接安裝設(shè)計和分析提供參考。

1 SCR回接安裝方法基本流程

SCR回接鋪設(shè)的基本流程如圖 1所示，主要分3個階段。

圖 1 SCR回接安裝基本流程

(1) SCR首端接入安裝平臺。首先在鋪管船J型塔上安裝好首段SCR管節(jié)與柔性接頭，接頭朝下并連接一段纜繩深入水中(如圖 1a)所示)，利用ROV將纜繩與平臺放下的絞車?yán)|繩連接(如圖 1b)所示)；鋪管船一邊駛離平臺，一邊鋪放SCR，并適當(dāng)調(diào)節(jié)J型塔的傾斜角度，以降低SCR頂端的彎矩；待SCR與纜繩形成的半圓弧度較大時，開始一邊收絞車?yán)|繩，一邊鋪放SCR，過程中需調(diào)節(jié)走船距離和J型塔角度(如圖 1d)所示)，盡量使SCR各部分的應(yīng)力達(dá)到最??；當(dāng)柔性接頭拉至平臺的立管連接處附近時，連接水平纜，配合絞車?yán)|繩一起將柔性接頭拉入立管卡具(如圖 1e)所示)。

(2) SCR鋪設(shè)。當(dāng)SCR首端接入平臺后繼續(xù)鋪放SCR，直到全部的SCR從J型塔架鋪出(如圖 1f)所示)。鋪設(shè)中同樣需要控制每步的走船距離、SCR鋪放長度和J型塔的傾斜角度，以減小SCR各部分的應(yīng)力。

(3) SCR尾端在線結(jié)構(gòu)(In-Line Structure, ILS)下放。在SCR尾端焊接ILS， ILS尾端焊接海底管道(如圖 1g)所示)，將ILS上端系1個浮力塊用于抵消其重力(如圖 1h)所示)，并繼續(xù)鋪放海底管道，直到ILS到達(dá)海底(如圖 1i)所示)。當(dāng)ILS到達(dá)海底后，SCR安裝結(jié)束，繼而是海底管道正常鋪設(shè)過程。

2 SCR回接安裝分析方法與設(shè)計準(zhǔn)則

2.1分析方法與步驟

完整的SCR回接安裝分析一般包括靜態(tài)分析、動態(tài)分析和疲勞分析：靜態(tài)分析不考慮環(huán)境力和系統(tǒng)的運(yùn)動, 目的在于確定鋪管過程中的關(guān)鍵名義參數(shù), 包括安裝船位置、水平鋪管長度、總鋪管長度、頂部張力和海底管道離去角(J型塔傾斜角度)等；動態(tài)分析對靜態(tài)分析中選取的關(guān)鍵工況進(jìn)行考慮波浪和流作用的動力分析, 以確定鋪管作業(yè)氣候窗；疲勞分析的目的在于確定關(guān)鍵作業(yè)狀態(tài)的最大停留時間，避免熱點(diǎn)位置過度的疲勞損傷。詳細(xì)分析步驟為：

(1) 確定安裝細(xì)化步驟，設(shè)置靜態(tài)分析工況。計算中首先將整個安裝過程拆分成若干小步驟，從初始狀態(tài)開始每步中分別調(diào)節(jié)安裝船位置、J型塔傾斜角度、纜繩長度和鋪管長度等，每一步作為1個靜態(tài)分析工況。 通常視安裝內(nèi)容和設(shè)計深度的不同分為30～80個工況，工況選取的原則是不遺漏SCR或海底管道整段應(yīng)力或頂部張力較大的情況。

(2) 靜態(tài)分析。對每個工況在Orcaflex軟件中建模并做靜態(tài)計算，計算中安裝船和平臺處于靜平衡位置，不考慮波浪和流的作用，得到SCR或海底管道靜態(tài)最大應(yīng)力、平臺和安裝船受到的最大張力等。若計算結(jié)果不滿足設(shè)計準(zhǔn)則，則需要重新調(diào)整安裝細(xì)化步驟，最終保證每個靜態(tài)工況結(jié)果滿足設(shè)計準(zhǔn)則。

(3) 動態(tài)分析。從靜態(tài)分析工況中挑選控制工況做時域計算，計算中考慮波浪和流對管線的作用，并考慮安裝船和平臺在波浪和流作用下的運(yùn)動。當(dāng)安裝船與平臺距離過近時可能還需要考慮多船之間的水動力耦合作用[7]。動態(tài)分析關(guān)注的結(jié)果是SCR或海底管道動態(tài)最大應(yīng)力、平臺和安裝船受到的最大張力等。若動態(tài)分析結(jié)果不滿足設(shè)計準(zhǔn)則，則需要降低作業(yè)海況等級或重新回到靜態(tài)分析，調(diào)整安裝細(xì)化步驟，再重新做靜態(tài)和動態(tài)分析，提高其抵抗惡劣作業(yè)海況的能力。靜態(tài)分析和動態(tài)分析的結(jié)果均滿足設(shè)計準(zhǔn)則的環(huán)境條件為可作業(yè)的氣候窗。

(4) 疲勞分析。從動態(tài)分析工況中挑選出持續(xù)時間較長的工況(如ILS焊接、作業(yè)中歇待機(jī)狀態(tài)等)進(jìn)行疲勞分析。根據(jù)該海域的波浪散布圖，設(shè)置不同等級波浪海況；對每個波浪海況進(jìn)行動態(tài)分析，計算管節(jié)應(yīng)力并對比S-N曲線得到管節(jié)的疲勞損傷；最終通過不同波浪海況的概率計算出單位小時的熱點(diǎn)區(qū)域的疲勞損傷。疲勞分析的最終目的是計算出該狀態(tài)最大可允許的持續(xù)時間。

2.2設(shè)計準(zhǔn)則

分析結(jié)果需要滿足以下設(shè)計準(zhǔn)則[8-10]：

(1) SCR或海底管道在安裝船端頂部張力不超過船上張緊器能力。

(2) 平臺端纜繩頂部張力不超過錨機(jī)能力。

(3) SCR或海底管道的von Mises應(yīng)力應(yīng)不超過最大許用von Mises應(yīng)力值(見表1)。

表1 最大許用von Mises應(yīng)力值

(4) 根據(jù)DNV-OS-F101[8]，最大局部屈曲校核UC值應(yīng)不超過表2中的許用值。

表2 最大許用局部屈曲UC值

(5) 整個安裝過程，SCR管節(jié)和海底管道熱點(diǎn)處的疲勞損傷不超過表3規(guī)定的最大值。

表3 最大許用局部屈曲UC值[10]

3 分析算例

本文以某半潛平臺的SCR回接安裝為例，研究其安裝過程，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1安裝海域基本條件

該平臺所處水深為1 200 m。動態(tài)計算中，考慮不同的波高、波浪周期和方向的組合，其中有義波高為1.0～2.5 m，平均周期為6～10 s，方向為0～180°。安裝海域的流速保持不變，方向假定與波浪一致，表面流速為0.46 m/s。流剖面參數(shù)見表 4，海流剖面如圖2所示[11]。由于風(fēng)對SCR的影響較小，計算中不予考慮。將所有的海況組合進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果對比設(shè)計準(zhǔn)則確定可作業(yè)的氣候窗。

表4 流剖面參數(shù)

圖2 海流剖面圖

3.2鋪管船參數(shù)

主安裝船舶為某J型深水鋪管船，船長204.65 m，型寬39.2 m，型深14 m，具有DP 3動力定位系統(tǒng)。J型塔高90 m，位于船中右舷，最大可傾斜角度為30°(與垂向的夾角)。該船主要技術(shù)參數(shù)見表 5，其總布置圖如圖3所示。

表5 J型深水鋪管船的主要參數(shù)

圖3 J型深水鋪管船的總布置圖

3.3SCR與海底管道參數(shù)

待安裝的目標(biāo)SCR管徑為14英寸(1英寸=0.025 4 m)，壁厚1英寸，總長度為2 500 m；海底管道管徑和壁厚與SCR相同，總長度為2 000 m。SCR與海底管道的裸管參數(shù)見表 6，涂層設(shè)計見表 7，涂層材料屬性見表 8。

表6 SCR和海底管道的裸管參數(shù)

表7 SCR和海底管道的涂層設(shè)計

表8 SCR和海底管道的涂層材料參數(shù)

3.4在線結(jié)構(gòu)物參數(shù)

在線結(jié)構(gòu)物用于連接SCR與海底管道，如圖4所示，其參數(shù)見表 9。安裝中為了減小自重對SCR和海底管道的影響，在頂部懸掛1個凈浮力為30 t的浮筒。

表9 在線結(jié)構(gòu)物的尺寸和重量

圖4 在線結(jié)構(gòu)物示意圖

3.5計算模型

本文采用OrcaFlex 軟件[12]進(jìn)行分析，計算模型如圖5所示。

圖5 OrcaFlex計算模型

模型包括：

(1) SCR、海底管道和絞車?yán)|繩。SCR、海底管道和絞車?yán)|繩采用線單元模擬。 OrcaFlex線單元算法基于集中質(zhì)量和彈簧系統(tǒng)，即將SCR或者絞車?yán)|繩的質(zhì)量進(jìn)行離散后分布在各個“節(jié)點(diǎn)”上，每個“節(jié)點(diǎn)”之間通過具有剛度的彈簧系統(tǒng)相連，并通過擴(kuò)展的Morison方程計算線單元受到的水動力。

(2) 半潛式平臺和鋪管安裝船。半潛式平臺和鋪管安裝船使用船型模擬，船的6個自由度運(yùn)動特性通過運(yùn)動傳遞函數(shù)描述。運(yùn)動傳遞函數(shù)通過水動力軟件(如WAMIT等)計算得到后導(dǎo)入OrcaFlex模型中。

(3) 在線結(jié)構(gòu)物和浮筒。在線結(jié)構(gòu)物和浮筒模擬成6個自由度運(yùn)動的浮筒，計算中考慮其受到的浮力、重力和流力。

(4) 海底。海底模擬成彈性表面，可模擬SCR與海底的接觸。

3.6靜態(tài)和動態(tài)分析結(jié)果

首先設(shè)置計算工況，將安裝過程分成多個小步驟。以第1階段SCR首端接入安裝平臺為例，可將其分成16個小步驟(見表10)：工況0為初始狀態(tài)，此時船與平臺位置如圖 1 c)所示，最小間距為50 m，J型塔呈豎直方向(90°)，SCR伸出張緊器10 m；工況1為第1操作小步結(jié)束時的狀態(tài)，鋪管船駛離了40 m，同時船艏轉(zhuǎn)了90°(如圖 1d)所示)；由此一步步駛離鋪管船，增加鋪管長度，調(diào)節(jié)J型塔角度等，直到工況16狀態(tài)，此時柔性接頭首次接觸半潛平臺的立管架。

表10 靜態(tài)分析結(jié)果示例

從表10的靜態(tài)分析結(jié)果可以看出：SCR從開始狀態(tài)10 m鋪至1 460 m，絞車?yán)|繩從開始600 m收至52 m，SCR頂部張力最大出現(xiàn)在工況16，為64 t，沒有超出張緊器能力(400 t)，SCR最大的von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在工況8，為53%，滿足設(shè)計準(zhǔn)則。比較表10中不同工況結(jié)果可知：在SCR首端接入作業(yè)中，J型塔與水平面的夾角由90°逐漸減小到73.5°最后又增大至75°，在開始收纜繩之前達(dá)到最小夾角；船側(cè)頂部張力隨著鋪出的SCR長度增加而逐漸增加；SCR最大應(yīng)力發(fā)生在SCR鋪出足夠長度纜繩開始收回的時候。

若靜態(tài)分析工況結(jié)果完全滿足設(shè)計準(zhǔn)則，則可以開展動態(tài)分析，根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果選擇若干個控制工況，選擇的原則是不遺漏關(guān)鍵工況。 本算例選擇SCR應(yīng)力最大的工況6～11, 考慮不同波浪方向、波高、周期以及流速和流向，進(jìn)行時域分析，得到最大張力和SCR應(yīng)力，并進(jìn)行統(tǒng)計分析。由于工況數(shù)目多，表11只列出了每個方向最大可承受的環(huán)境條件下的動態(tài)分析結(jié)果，包括最大張力、von Mises應(yīng)力和局部屈曲UC值。

表11 動態(tài)分析結(jié)果示例

動態(tài)分析完成后即可將個安裝過程中所有滿足設(shè)計準(zhǔn)則的環(huán)境條件列出作為安裝的氣候窗，表12為SCR首端接入安裝平臺、SCR鋪設(shè)、SCR尾端水下結(jié)構(gòu)下放3個階段中所有工況動態(tài)分析總結(jié)后的作業(yè)氣候窗。

表12 可作業(yè)的氣候窗

從表12可以看出：環(huán)境方向在首迎浪(180°)時，可作業(yè)的氣候窗最大，橫浪(90°)時可作業(yè)的氣候窗最小；另外系統(tǒng)承受尾部來浪(0，45°)比首部來浪(180°， 135°)的能力較弱，這是由于尾部來浪會使SCR彎曲曲率更大。

圖6 疲勞分析熱點(diǎn)分布

3.7疲勞分析結(jié)果

疲勞分析的目的是為了確定某些關(guān)鍵操作的最長允許時間，如焊接在線結(jié)構(gòu)物的最長允許時間, 或管節(jié)焊接過程中的最長允許待機(jī)時間等。以在線結(jié)構(gòu)物焊接(如圖6所示)為例，在該狀態(tài)下存在2處應(yīng)力熱點(diǎn)，一處是在立管夾具(在焊接在線結(jié)構(gòu)物時，用來夾緊SCR的模塊)附近，另一處為管線中垂最低點(diǎn)附近。 因此，分析中選擇立管夾具出口處焊接點(diǎn)、立管夾具下1.5 m處的第1個焊接點(diǎn)以及中垂處焊接點(diǎn)3點(diǎn)，計算其在不同疲勞分析海況下的應(yīng)力，并通過“雨流計數(shù)法”和S-N曲線得到單位時間內(nèi)這些熱點(diǎn)處的疲勞損傷，進(jìn)而計算出最長允許的時間。見表13和表14。

表13 疲勞分析損傷結(jié)果

表14 疲勞壽命允許焊接在線結(jié)構(gòu)物的最長時間

4 結(jié) 論

本文對現(xiàn)有浮式平臺的SCR回接安裝進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 在SCR首端接入作業(yè)中，SCR最大應(yīng)力發(fā)生的情況為SCR鋪出足夠長度后和纜繩開始收入前。

(2) J型船進(jìn)行SCR回接作業(yè)時，環(huán)境方向在首迎浪(180°)時，可作業(yè)的氣候窗最大，橫浪(90°)時可作業(yè)的氣候窗最小，承受尾部來浪(0，45°)比首部來浪(180°， 135°)的能力較弱。

(3) 本文列出的SCR回接分析方法和具體的安全校核準(zhǔn)則，包括靜態(tài)分析、動態(tài)分析和疲勞分析，實施方便且可保證作業(yè)安全，可為今后的SCR回接鋪設(shè)分析提供參考。

[ 1 ] 王懿, 段夢蘭, 李麗娜,等. 深水立管安裝技術(shù)進(jìn)展[J]. 石油礦場機(jī)械, 2009, 38(06):4-8.

[ 2 ] 陳嚴(yán)飛, 張宏, 劉嘯奔,等. 深水鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐馨惭b技術(shù)研究進(jìn)展[C]// 天燃?xì)夤艿兰夹g(shù)研討會， 2014.

[ 3 ] 于衛(wèi)紅, 黃維平, 曹靜,等. 深水鋼懸鏈線立管安裝分析研究[J]. 海洋工程, 2012, 30(01):46-52.

[ 4 ] 陳嚴(yán)飛, 曹靜, 沙勇,等. 基于Spar平臺的深水鋼懸鏈立管穿越轉(zhuǎn)移安裝技術(shù)研究[J]. 中國造船, 2013(A01):121-129.

[ 5 ] 康莊, 鄭翔, 王德軍,等. 深水鋼懸鏈立管安裝設(shè)計分析[J]. 船舶工程, 2012, 船舶工程, 2012,(S2):191-194.

[ 6 ] 汪紅艷, 陳曉賢, 賈旭. 深水鋼懸鏈線立管(SCR)安裝分析研究[J]. 中國造船, 2011, 52(S1):109-114.

[ 7 ] XU X, YANG J M LI X, et al. Time-Domain Simulation for Coupled Motions of Three Barges Moored Side-by-Side in Floatover Operation[J]. China Ocean Engineering,2015,29(02):155-168.

[ 8 ] DNV.Submarine Pipeline Systems:DNV-OS-F101[S]. 2012.

[ 9 ] DNV.Dynamic Risers:DNV-OS-F201[S]. 2010.

[10] DNV.Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structures: DNV-RP-C203[S]. 2012.

[11] 許鑫, 楊建民, 呂海寧. 導(dǎo)管架平臺浮托法安裝的數(shù)值模擬與模型試驗[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2011(04):439-445.

InstallationDesignofTied-BackSCRforIn-ServiceFloatingPlatform

ZHU Weiquan1, SONG Yaxin1, WANG Mingfei1, LI Bin2NIU Qiang2， LIU Yuezhou2， LUO Yong1

(1 .COTEC Offshore Engineer Service, Beijing 100029, China; 2.Offshore Oil Engineering Corporation Installation Company， Tianjin 304500, China)

The general installation procedures, analysis methodology, and design criteria regarding a tied-back installation of Steel Catenary Riser (SCR) onto an existing floating platform are introduced. Exemplary static, dynamic and fatigue analyses are given for a SCR installed onto a semi-submersible to obtain key installation parameters such as limiting installation seastates and allowable welding stand-by time, etc.

floating platform; Steel Catenary Riser (SCR); J-lay pipelay; installation

2016-11-29

朱為全(1981-)，男，工程師

1001-4500(2017)04-0076-09

P75

： A