M型跨接管設(shè)計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)

M型跨接管設(shè)計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特殊的結(jié)構(gòu)形式與特點。因此跨接管設(shè)計通常獨立于海底管道進行。介紹跨接管的設(shè)計中需要考慮的主要因素，結(jié)合跨接管預(yù)制、安裝特點以及與海底管道、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提出基于參數(shù)化分析的設(shè)計方法，并通過計算模擬與結(jié)果比較就各敏感性因素對跨接管在位強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)其不同的類型與特點大體可分為：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，并滿足其運動疲勞壽命要求，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)計過程中的主要敏感性影響因素，并通過對這些因素的總結(jié)歸納提出一種參數(shù)化強度分析的方法，對各敏感性參數(shù)變量的影響結(jié)果做出解釋，對進行跨接管設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 跨接管設(shè)計內(nèi)容與要點

跨接管設(shè)計中通常獨立于海底管道，界面上涉及的專業(yè)包括水下流動保障、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)計內(nèi)容上需考慮的關(guān)鍵問題包括：

1)跨接管的流動保障分析；

2)管道端部位移與操作工況下極端荷載控制的強度分析；

3)環(huán)境荷載作用下的渦激振動(VIV)疲勞分析；

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

5)立管運動引起的跨接管強度與疲勞分析(基于FSHR應(yīng)用)；

6)跨接管的預(yù)制、FAT(工廠驗收測試)、SIT(系統(tǒng)集成測試)、運輸及安裝過程中的要求。通過多年來從跨接管在工程上的應(yīng)用來看，其結(jié)構(gòu)強度與VIV疲勞基本成為設(shè)計過程中最為關(guān)鍵的控制條件。

而設(shè)計中2個控制條件在一定情況下又彼此相制約，一方面需要足夠長度的跨接管來提供撓性釋放軸力避免在連接點的應(yīng)力集中，同時也需要控制其長度過長而導(dǎo)致渦振疲勞超出設(shè)計壽命要求。諸如此類設(shè)計中的問題還有很多方面。這就需要設(shè)計者對跨接管的幾何形狀等方面進行優(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)進行多工況的計算分析進行驗證。

2 跨接管設(shè)計中的敏感性因素及影響

跨接管設(shè)計中的敏感性因素是指在前期設(shè)計擬定的結(jié)構(gòu)尺寸基礎(chǔ)上，通過一定范圍內(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)果影響趨勢的這一類參數(shù)?？缃庸苊舾行苑治龅木唧w目的主要有以下3點：

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

2)在某些設(shè)計參數(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制造、安裝過程中的原則及限制；

3)由于安裝誤差的不可消除性，針對現(xiàn)場安裝后的狀態(tài)，判斷跨接管是否滿足設(shè)計要求的允許范圍。以下對國際工程上應(yīng)用最為廣泛的M型跨接管在設(shè)計中包含的敏感性因素及其影響進行介紹。

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)中通過合理的總體布置實現(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，需要的跨接管長度越短，安裝成本也會隨之下降。如跨接管長度越長，其受渦激振動影響引起的疲勞問題越顯著。此外對于水下基礎(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)場水下測量，根據(jù)測量結(jié)果對最后預(yù)留的3個組裝節(jié)點進行焊接、檢驗與外涂層處理方可進行FAT。在預(yù)制過程中允許的公差范圍主要基于廠商提供的連接器的對接能力。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來確定，由此可確定允許的跨接管長度與相對角度的范圍，根據(jù)不同的Target Box要求可以計算預(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度，圖3直觀地表示了許用安裝公差對跨接管幾何形狀的影響，因此在設(shè)計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在長期條件下將發(fā)生沉降，沉降對跨接管的影響即產(chǎn)生豎直向下的位移荷載，設(shè)計過程中需要判斷沉降引起的位移對跨接管強度是否會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)安裝的實際高度與海床對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

操作工況下當海底管道端部的膨脹荷載引起PLET滑動時，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系中分解成2個垂直的方向(見圖4)，即跨接管初始狀態(tài)軸向及與其對應(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際安裝的尺寸長度與總體坐標系中的角度與設(shè)計時存在一定變化，管道膨脹的位移荷載在跨接管局部坐標系中也會產(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)獎得主赫爾曼·黑塞激賞的長篇小說，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)性地描寫了女性命運，以及女性自我價值實現(xiàn)的意義。

對于一些采用不同管體截面屬性的管道，設(shè)計中需要對不同管體參數(shù)進行敏感性分析，對一些材料無法確定或具體證實的屬性可根據(jù)敏感性分析結(jié)果保守考慮。如雙金屬復(fù)合管道跨接管，就要判斷其內(nèi)襯層剛度、壁厚及彈性模量對整體結(jié)構(gòu)的影響。

以上基于跨接管設(shè)計中最為常見的幾種敏感性因素，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)計的其他影響因素，設(shè)計者可根據(jù)工程的實際情況加以考慮與研究。

3 參數(shù)化模型分析計算

圖5給出跨接管強度敏感性分析的設(shè)計流程，通過初選得到的管道壁厚結(jié)果、初期設(shè)計圖中形狀布置，同時結(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 跨接管強度敏感性分析設(shè)計流程圖Fig.5 Jumper strength sensitivity analysis flow chart

基于上述跨接管設(shè)計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，對跨接管參數(shù)化強度分析思路與方法進行簡介。

表1 跨接管設(shè)計主要基礎(chǔ)參數(shù)

結(jié)合敏感性因素分類，通過表2確定該跨接管強度分析的工況?？梢钥闯龃怂憷紤]的設(shè)計工況多達2 600個，如按每個工況單獨建模分析，在計算過程中的時間消耗巨大。因此需要設(shè)計者根據(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，通過迭代一系列變量完成多工況的計算分析。

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個焊接節(jié)點要基于水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)測量的間距、角度與高度進行裝配，以調(diào)整得到實際所需的跨接管的幾何尺寸。參照其典型結(jié)構(gòu)圖(見圖5)，不難發(fā)現(xiàn)L3，L4與L5段長度即可作為確定水平投影長度與底高的循環(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跨接管軸向的垂直方向上的膨脹位移進行分解(參見圖4和圖7)，通過設(shè)定該水平夾角為參數(shù)變量運用三角函數(shù)完成膨脹位移在跨接管局部坐標系中2個方向上的施加。

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

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

對于此類高溫高壓跨接管，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)邊界點荷載值也需要特別關(guān)注，具體可根據(jù)參考文獻[2]所作介紹進行連接器校核。

步驟1：結(jié)果云圖較多時，比較過程中就需要有針對性。根據(jù)文中給出的算例，先對跨接管設(shè)計底高為1 m，不考慮沉降的工況進行比較，如圖9所示，圖中縱坐標表示跨接管水平投影與設(shè)計角度偏離敏感性范圍，橫坐標表示跨接管長度敏感性范圍。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，計算得到的極值應(yīng)力系數(shù)相對較小，設(shè)計中出于保守考慮，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。

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(見圖10)與上一步篩選得到的工況(見圖8)進行比較，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。此外對于PLEM沉降位移遠小于端部膨脹位移的跨接管，對其應(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0.6 m的情況下，應(yīng)力極值有增大的趨勢。從整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力上解釋，當?shù)赘咴龃髸r，跨接管在PLET側(cè)管道豎直高度增長，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)力極值的作用點多數(shù)都位于此彎頭處。然而當?shù)赘呔嚯x過小的情況下，由于膨脹位移難以利用跨接管撓性進行釋放，引起底端連接器處荷載過大，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跨接管底高距離進行合理的選取。

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

通過對水下跨接管敏感性分析的介紹與實例分

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。同時敏感性分析得到的大量數(shù)值結(jié)果，清晰反映了設(shè)計、預(yù)制及安裝過程中各種參數(shù)的變化對實際操作階段跨接管強度的影響趨勢，為工程人員在初期對如何規(guī)劃水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置提供了參考，同時也對實際安裝完工狀態(tài)做出合理的判斷與及時反饋。

[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，段夢蘭,等.深水剛性跨接管設(shè)計的主要影響因素分析[J].中國海洋平臺，2012，27(4)：50-56.

[3] 韓峰，董楠，段夢蘭,等.水下跨接管與管道終端測試技術(shù)研究[J].石油礦場機械，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)計研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，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

中國海洋石油總公司科技項目“深水跨接管設(shè)計、制造、安裝關(guān)鍵技術(shù)研究”資助項目(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。

U674.38+1

A

1672-7649(2014)03-0125-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.026