侯 靜，楊 偉，任翠青，李 旭

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

近年來深海開發(fā)中的油氣勘探和生產(chǎn)活動大大增加,與幾年前相比水深增加了一倍[1]。鋼懸鏈立管(SCR)由于其成本低、對浮體運(yùn)動有較大的適應(yīng)性,而且適用高溫高壓工作環(huán)境，在深海開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[2]。典型的鋼懸鏈線立管如圖1所示。

自1994年殼牌公司(Shell)在墨西哥灣872 m水深的張力腿平臺Auger上安裝了世界上第一條SCR以來, 其研究在國外得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上衍生出了緩波立管(lazy-wave catenary riser)、陡波形立管(steep wave riser)、L型立管(bottom weighted riser)等[3-4]，其立管構(gòu)型如圖2所示。針對鋼懸鏈立管國外已經(jīng)有大量工程案例，相關(guān)研究已經(jīng)逐步由強(qiáng)度分析轉(zhuǎn)向觸地區(qū)管土作用分析，如Willis等[5]通過研究觸地區(qū)發(fā)現(xiàn)在管線的反復(fù)作用下海底將形成溝槽，對立管觸地區(qū)產(chǎn)生影響。Bridge等[6]根據(jù)STRIDE JIP和CARISIMA JIP試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了海床的動剛度和吸力模型，定義了靜剛度、大位移動態(tài)剛度、小位移動態(tài)剛度三種不同的土體剛度來描述海床,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸地區(qū)管土作用的模擬。國內(nèi)海洋油氣田的開發(fā)在深水立管方面的研究起步較晚，針對鋼懸鏈線立管的研究還處于基礎(chǔ)研究階段，如何寧等[7]利用ABAQUS初步建立了深水SCR三維分析模型，進(jìn)行了系統(tǒng)響應(yīng)分析?？登f等[8]在研究SCR安裝方法基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了深水SCR J-lay方法的強(qiáng)度校核。梁寧等[9]和陳振新等[10]分別對SCR與海床土和觸地區(qū)的動態(tài)進(jìn)行了分析和研究。

圖1 鋼懸鏈立管示意

圖2 鋼懸鏈立管四種基本形式

國內(nèi)由于深水油氣開發(fā)尚處于起步階段，因此SCR的工程應(yīng)用本項目尚屬于首次，從陵水17-2實(shí)際工程出發(fā)，針對實(shí)施中遇到的影響SCR強(qiáng)度分析的不確定因素開展敏感性分析，給出了在南海特有環(huán)境條件下的立管動力分析結(jié)果，為其他南海類似工程的SCR分析設(shè)計提供了參考和借鑒。

1 陵水17-2氣田SCR概述

陵水17-2氣田是我國首個自營開發(fā)的深水氣田，位于我國南海海域。氣田水深范圍1 220～1 560 m，其中SCR應(yīng)用水深范圍1 430～1 470 m。該氣田開發(fā)示意如圖3所示，由一座深水半潛平臺(SEMI)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)、SCR和海底管道組成。

該工程共有6根SCR，分別為一根457.0 mm外輸天然氣SCR(GE)，兩根323.9 mm生產(chǎn)SCR(P1和P2)，兩根273.1 mm生產(chǎn)SCR(P3和P4)，以及一根168.3 mm的MEG注入SCR(MEG1)。SCR布置見圖3，尺寸等信息如表1所示。

圖3 陵水17-2氣田總體布置及鋼懸鏈立管布置示意

表1 陵水17-2氣田鋼懸鏈立管尺寸

2 SCR強(qiáng)度分析方法

2.1 SCR構(gòu)型方程

SCR與其他形式的鋼制立管如頂部張緊式立管(TTR)在靜力分析上的最大不同是，SCR可以忽略彎曲剛度的影響，其形態(tài)滿足懸鏈線方程[11]:

(1)

2.2 SCR強(qiáng)度時域分析

時域分析能夠考慮SCR的相對運(yùn)動，不需要對計算立桿水動力的Morison公式中非線性項進(jìn)行線性化處理增加了計算的精度，同時能夠考慮由于SCR幾何非線性導(dǎo)致的剛度非線性，所以陵水17-2氣田中SCR強(qiáng)度分析采用時域分析方法。SCR強(qiáng)度時域分析模型包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析：

1) 靜態(tài)分析用來和懸鏈線理論進(jìn)行校準(zhǔn)關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)，如SCR懸掛角度、頂部張力、SCR懸空段水平投影，最后確定SCR形態(tài)。靜態(tài)分析中應(yīng)準(zhǔn)確地模擬SCR上的附屬構(gòu)件如螺旋列板、涂層、內(nèi)部介質(zhì)、壓力和管線重量公差等。

2) 動態(tài)分析采用FLEXCOM軟件進(jìn)行模擬，保守考慮認(rèn)為波浪、風(fēng)、流作用同向，根據(jù)環(huán)境載荷作用方向和SCR所在平面的相對位置，一般進(jìn)行近端、遠(yuǎn)端和橫向的環(huán)境作用分析。船舶運(yùn)動通過在SCR模型中施加船舶中心六自由度的運(yùn)動時程模擬，該方法能夠準(zhǔn)確考慮波浪二階力引起的船舶運(yùn)動。波浪選用JONSWAP 譜模型進(jìn)行模擬，由于波浪的隨機(jī)性，在每個方向上均選用5個隨機(jī)種子生成的波浪及對應(yīng)的船舶運(yùn)動進(jìn)行分析，對應(yīng)的SCR響應(yīng)選取平均值。每個工況均進(jìn)行3小時的時域分析以保證可以捕捉到SCR的最大響應(yīng)，模型中SCR管材和底部海床均采用彈塑性模擬。

2.3 SCR強(qiáng)度分析工況及校核準(zhǔn)則

根據(jù)不同海況，強(qiáng)度分析分為操作、極端、生存、測試、安裝等工況，不同工況下都應(yīng)滿足API RP 2RD中的許用應(yīng)力要求[12]，其中強(qiáng)度設(shè)計工況和設(shè)計因子如表2所示。

(2)

式中：σe為等效應(yīng)力；Pi為內(nèi)壓；Po為外壓；Do為外徑；Di為內(nèi)徑；t為壁厚；Teff為有效張力；A為SCR截面積；M為SCR截面彎矩；I為SCR截面慣性矩；Sa為2/3的材料屈服應(yīng)力；Cf為設(shè)計因子。

表2 強(qiáng)度設(shè)計工況及設(shè)計因子

3 SCR強(qiáng)度敏感性分析模型及分析工況

3.1 SCR強(qiáng)度敏感性分析模型

以陵水17-2氣田中273.1 mm P3生產(chǎn)SCR極端工況為例進(jìn)行分析。

1) SCR主要參數(shù)

SCR主要參數(shù)如表3所示。

表3 P3生產(chǎn)SCR主要設(shè)計參數(shù)

2) SCR靜態(tài)模型

P3生產(chǎn) SCR分析模型如圖4所示，利用FLEXCOM 軟件中cable單元建立。為提高計算效率，同時保證計算精度，本模型對單元數(shù)量和長度有嚴(yán)格的要求。觸地區(qū)單元長度為0.914 m，頂部30.48 m的范圍內(nèi)單元長度為0.305 m，上述兩個關(guān)鍵區(qū)外單元長度按照1.5比例逐步過渡到9.144 m。模型采用線彈性海床，海床端采用固定邊界，懸掛端采用FLEXCOM軟件中特有的柔性節(jié)點(diǎn)單元實(shí)現(xiàn)柔性接頭的模擬。

柔性接頭是SCR上的關(guān)鍵部件，典型的柔性接頭如圖5所示，其內(nèi)部的彈性體可保證SCR頂部在小范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)動角度一般不超過25°)，可避免SCR頂部與船體剛性連接導(dǎo)致受力集中、疲勞壽命短的問題[13]。柔性接頭的剛度是SCR模擬的關(guān)鍵，文中柔性接頭采用非線性剛度，剛度曲線如圖6所示。

圖4 P3生產(chǎn)SCR Flexcom模型

圖5 柔性接頭典型圖

3) 環(huán)境條件

波浪的影響對SCR強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，因此選取波浪占主導(dǎo)的極端海況進(jìn)行分析，詳見表4，波浪重現(xiàn)期100年，歸一化后的流速剖面如圖7所示。

表4 波浪和海流數(shù)據(jù)

圖6 柔性節(jié)點(diǎn)剛度曲線

圖7 歸一化后的流速剖面圖

4) 船舶運(yùn)動數(shù)據(jù)

陵水17-2氣田采用半潛式平臺，主尺寸為91.5 m×91.5 m×95 m，船舶運(yùn)動數(shù)據(jù)施加在船體中心與海平面的交點(diǎn)處。針對不同的SCR分析方向，船舶運(yùn)動采用六自由度時程運(yùn)動，對應(yīng)的波浪數(shù)據(jù)被離散為200個簡諧波的疊加，在SCR分析時需要對上述簡諧波進(jìn)行處理，以保證船舶運(yùn)動與波浪作用的協(xié)調(diào)性。

3.2 影響SCR強(qiáng)度的主要因素

影響SCR強(qiáng)度的因素較多，結(jié)合國外其他工程經(jīng)驗(yàn)，可以劃分為如下幾類：

1) 管線重量

管線出廠時存在重量制造公差，范圍一般在3%～8%之間，此外在正常生產(chǎn)過程中輸送的介質(zhì)密度也會發(fā)生一定變化。SCR重量的變化直接影響動力響應(yīng)特性，因此在分析過程中應(yīng)當(dāng)對管線重量進(jìn)行敏感性分析。

2) 管道壓力

管道內(nèi)部壓力和介質(zhì)密度是相互關(guān)聯(lián)的，壓力高時介質(zhì)密度相對較高，壓力低時介質(zhì)密度相對較低。

3) 柔性接頭旋轉(zhuǎn)剛度

低溫時柔性接頭的旋轉(zhuǎn)剛度較大。本工程SCR輸送天然氣，由于在SCR頂端壓力減小氣體膨脹，會導(dǎo)致柔性接頭處溫度降低剛度增大，因此在設(shè)計時需要考慮柔性接頭旋轉(zhuǎn)剛度的變化。

4) 安裝誤差

懸掛角度的安裝誤差會影響SCR構(gòu)型和動力響應(yīng)，本工程中假定懸掛角度安裝誤差為1°。

5) 波浪周期

有效波高和譜峰周期等值線如圖8所示，在極值附近有效波高Hs變化較小，而譜峰周期Tp變化較為明顯。船舶運(yùn)動對波浪譜峰周期的變化相對敏感，因此需要對波浪周期進(jìn)行敏感性分析。

圖8 有效波高和譜峰周期等值線

3.3 強(qiáng)度敏感性分析工況

考慮上述敏感性因素，建立敏感性分析工況如表5所示。

表5 P3生產(chǎn)SCR強(qiáng)度敏感性分析工況

4 敏感性分析結(jié)果及對比

SCR的關(guān)鍵區(qū)域是底部觸地區(qū)和上部懸掛區(qū)，因此在敏感性結(jié)構(gòu)分析中主要關(guān)注這兩個區(qū)域, 下文中通過摘取動力時程結(jié)果中的極值結(jié)果對不同分析工況進(jìn)行了對比。

4.1 觸地區(qū)等效應(yīng)力對比分析

SCR 在觸地區(qū)曲率最大，同時受到環(huán)境載荷和海床土壤的相互作用，受力情況最為復(fù)雜。各個工況下SCR觸地的最大等效應(yīng)力如圖9所示。

圖9 觸地區(qū)最大等效應(yīng)力

由分析結(jié)果可知：1) 三個分析方向上輕質(zhì)SCR在觸地區(qū)的等效應(yīng)力均大于重質(zhì)SCR。僅考慮單一重量變化時(工況1和工況2)，最大等效應(yīng)力增幅出現(xiàn)在遠(yuǎn)向?yàn)?6.6%,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在近向?yàn)?70.07 MPa, 增幅為13.5%；2) 由于內(nèi)部壓力的變化導(dǎo)致等效應(yīng)力最危險方向?yàn)榻?，針對重質(zhì)、輕質(zhì)SCR等效應(yīng)力的變化分別為6.9%和1.5%，因此內(nèi)部壓力的變化對重質(zhì)SCR的影響更為明顯；3) 柔性接頭剛度增加引起觸地區(qū)的等效應(yīng)力變化為0.1%～0.2%，由此可見柔性接頭剛度的變化對SCR觸地區(qū)的影響可以忽略；4) 懸掛角安裝誤差引起重質(zhì)SCR的近向觸地區(qū)等效應(yīng)力最大幅值為6.5%，應(yīng)力最大值則出現(xiàn)在輕質(zhì)的近向；5) 波 浪周期的變化導(dǎo)致了SCR觸地等效應(yīng)力的增加，對于輕質(zhì)SCR增幅在2%～3%。

經(jīng)過對比分析，SCR重量變化和懸掛角安裝誤差是影響SCR觸地區(qū)等效應(yīng)力的關(guān)鍵因素，為更直觀的對比，將工況1,2,8 近向觸地區(qū)等效應(yīng)力繪制如圖10所示。

圖10 觸地區(qū)等效應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖10可以看出最大等效應(yīng)力點(diǎn)存在明顯前移的趨勢，同時輕質(zhì)SCR的海床段等效應(yīng)力較重質(zhì)SCR大。

4.2 懸掛區(qū)等效應(yīng)力對比分析

SCR在懸掛區(qū)承受著巨大的張力，同時直接受到船體運(yùn)動的影響，因此該區(qū)段也是SCR分析的關(guān)鍵區(qū)域。各工況下懸掛區(qū)的最大等效應(yīng)力如圖11所示。

圖11 懸掛區(qū)最大等效應(yīng)力

由圖11可以看出：1) 懸掛區(qū)等效應(yīng)力由橫向工況控制，重質(zhì)SCR在懸掛區(qū)等效應(yīng)力較輕質(zhì)SCR大7%；2) 橫向上，柔性接頭剛度增加1倍時，SCR懸掛區(qū)等效應(yīng)力增加約20%～30%；3) 三個方向上，懸掛角安裝誤差和波浪周期變化對懸掛區(qū)等效應(yīng)力的影響約為7%～9.5%。

由上述結(jié)果可知柔性接頭剛度是影響SCR懸掛區(qū)等效應(yīng)力的因素。

4.3 SCR最大有效張力對比分析

近向SCR沿管長的最大有效張力如圖12所示，由分析可知SCR近向最大張力出現(xiàn)在工況7，最小張力出現(xiàn)在工況8，因此SCR有效張力主要受到重量和懸掛角度的影響。此外上述影響在SCR懸掛區(qū)域較觸底區(qū)要明顯，懸掛區(qū)的有效張力也較觸地區(qū)大。

圖12 SCR最大有效張力沿管長分布

4.4 柔性接頭旋轉(zhuǎn)角度對比分析

柔性接頭最大旋轉(zhuǎn)角度是SCR設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，因此需要對計算結(jié)果進(jìn)行分析。各個工況下柔性節(jié)點(diǎn)的最大旋轉(zhuǎn)角度如圖13所示。

圖13 柔性接頭最大旋轉(zhuǎn)角度

由圖13可以看出：1) 柔性接頭的旋轉(zhuǎn)角度也由橫向工況控制；2) 橫向上，輕質(zhì)SCR的旋轉(zhuǎn)角度較重質(zhì)SCR大約7%；3) 橫向上，增加柔性接頭的剛度能夠明顯降低旋轉(zhuǎn)角度，剛度增加1倍，旋轉(zhuǎn)角度減小約10%；4) 懸掛角度的誤差對柔性接頭旋轉(zhuǎn)角度的影響小于1%，可以忽略；5) 波浪變化直接影響船體的運(yùn)動響應(yīng)，在橫向上與輕質(zhì)工況相比對柔性接頭旋轉(zhuǎn)角度的影響相對較大約為6%。

5 結(jié) 語

以陵水17-2氣田10寸SCR為例，利用FLEXCOM軟件對SCR觸地區(qū)和懸掛區(qū)進(jìn)行了不同工況的強(qiáng)度敏感性分析，明確了影響SCR強(qiáng)度的主要因素：

1) 管線的重量公差對SCR強(qiáng)度有明顯的影響，負(fù)重量公差(輕質(zhì))SCR對觸地區(qū)等效應(yīng)力影響較大，正重量公差(重質(zhì))SCR對懸掛區(qū)等效應(yīng)力有較大影響。因此在SCR選材時，要綜合考慮分析結(jié)果、管材廠家制管能力、制造成本等合理確定管材重量公差。

2) 相對于負(fù)重量公差(輕質(zhì))SCR，內(nèi)部壓力對正重量公差(重質(zhì))SCR的等效應(yīng)力影響相對明顯。

3) 柔性接頭旋轉(zhuǎn)剛度對SCR強(qiáng)度的影響主要集中在上部懸掛區(qū)域，對于觸地區(qū)的影響可以忽略。這主要是因?yàn)閼覓靺^(qū)柔性接頭剛度的增加直接限制了SCR和船體的相對運(yùn)動，導(dǎo)致了懸掛區(qū)域產(chǎn)生了較大的彎曲應(yīng)力。

4) 由于安裝誤差導(dǎo)致懸掛角度的變化對SCR懸掛區(qū)和觸地區(qū)強(qiáng)度均有較為明顯的影響，因此在SCR安裝過程中控制安裝長度誤差是非常關(guān)鍵的一項。

5) 波浪周期的變化直接影響船舶運(yùn)動，因此對SCR懸掛區(qū)強(qiáng)度的影響較觸地區(qū)稍大。由于半潛平臺不一定在波浪譜峰周期最大時具有最大運(yùn)動響應(yīng)，因此SCR設(shè)計中在波浪譜峰周期極值附近進(jìn)行波浪敏感性分析是十分必要的。

6) SCR柔性接頭的旋轉(zhuǎn)角度主要受旋轉(zhuǎn)剛度、管線重量和船舶運(yùn)動的影響，SCR質(zhì)量輕、船舶運(yùn)動大則SCR上部運(yùn)動響應(yīng)大，柔性接頭的旋轉(zhuǎn)角度也隨之增加。有效降低旋轉(zhuǎn)角度的方法是調(diào)整柔性接頭旋轉(zhuǎn)剛度，但同時要平衡SCR懸掛區(qū)強(qiáng)度和廠家制造能力。