深水立管干涉分析研究

何 楊, 孫國(guó)民, 趙天奉

(1.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司, 天津 300451; 2.中國(guó)石油大學(xué), 北京 102249)

深水立管干涉分析研究

何 楊1, 孫國(guó)民1, 趙天奉2

(1.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司, 天津 300451; 2.中國(guó)石油大學(xué), 北京 102249)

隨著立管長(zhǎng)度的增加，海洋立管間的干涉風(fēng)險(xiǎn)也在增大，在深水油氣田開發(fā)的早期就應(yīng)關(guān)注立管干涉問題。立管干涉包含了復(fù)雜的物理現(xiàn)象，其中水動(dòng)力相互作用對(duì)于眾多立管系統(tǒng)的干涉分析來(lái)說(shuō)不可忽略。該文主要根據(jù)DNV-RP-F203規(guī)范介紹了基于水動(dòng)力相互作用的深水立管干涉分析方法，給出了深水立管干涉分析的設(shè)計(jì)流程，探討了立管干涉的可接受標(biāo)準(zhǔn)，為深水立管設(shè)計(jì)分析提供借鑒。

深水立管；干涉；水動(dòng)力相互作用；尾流效應(yīng)；拖曳力放大

0 引言

當(dāng)油氣勘探走向深水時(shí)，隨著立管長(zhǎng)度的增加，海洋立管間的干涉風(fēng)險(xiǎn)也在增大。立管干涉是深水浮式生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，它對(duì)于浮體概念選擇、定位系統(tǒng)確定以及立管系統(tǒng)布置產(chǎn)生決定性的影響。因此，在深水油氣田開發(fā)的早期就應(yīng)關(guān)注立管干涉問題。

立管干涉包含了復(fù)雜的物理現(xiàn)象，對(duì)于很多立管系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在立管干涉分析中必須考慮相鄰立管間的水動(dòng)力相互作用。穩(wěn)定流速下的水動(dòng)力相互作用研究較多，如Huse[1，2]、Huse&Kleiven[3]、Kavanagh[4]等人的工作具有一定的代表性；但關(guān)于波浪加載引起的相互作用研究比較少，僅有Duggal & Niedzwecki[5，6]等開展了一些工作。此外還進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)來(lái)研究多圓柱體間的水動(dòng)力相互作用，Blevins[7]和Zdravkovich[8]對(duì)此進(jìn)行了綜述，F(xiàn)ontaine等[9]研究了SCR之間的碰撞，F(xiàn)ernandes等[10]給出了暴露在流下的柔性跨接管的試驗(yàn)結(jié)果。在這兩種情況下，都觀察到了尾流效應(yīng)引起的碰撞，但是仍然缺少由波、流和浮體運(yùn)動(dòng)的復(fù)合加載引起的水動(dòng)力相互作用試驗(yàn)結(jié)果。立管干涉的機(jī)理研究還在繼續(xù)，這些基礎(chǔ)研究需要充分了解荷載的機(jī)制以及彼此之間如何相互作用，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需要引入由保守合理的假設(shè)支持的簡(jiǎn)化方法。

工業(yè)界傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在正常條件或者是極端條件下都不允許出現(xiàn)立管的碰撞，但是過于保守的設(shè)計(jì)往往帶來(lái)成本的大幅增加和效益的顯著降低，因此，尋求實(shí)用的立管干涉評(píng)估方法變得日益重要。該文主要根據(jù)挪威船級(jí)社的“立管干涉”推薦做法DNV-RP-F203 對(duì)深水立管干涉的分析方法、可接受的準(zhǔn)則等問題進(jìn)行探討。

1 立管干涉分析關(guān)鍵技術(shù)

1.1 立管干涉的主要影響因素

對(duì)于單根立管來(lái)說(shuō)，一般承受波、流、受迫的波頻以及低頻的浮體運(yùn)動(dòng)等荷載作用。對(duì)于兩根相鄰立管來(lái)說(shuō)，二者之間是否發(fā)生碰撞會(huì)受到很多因素的影響，主要包括：(1)加載環(huán)境；(2)在浮體上及在海床終端處立管的間距；(3)立管結(jié)構(gòu)形狀和立管張力；(4)在初始條件和偶然情況下的浮體偏移量，偶然情況如一根或多根錨鏈?zhǔn)В?5)海生物；(6)水動(dòng)力相互作用，包括屏蔽、尾波不穩(wěn)定性及渦激振動(dòng)；(7)渦激振動(dòng)抑制裝置的使用，例如螺旋列板；(8)立管作業(yè)，例如輸送介質(zhì)密度的變化，鉆井/完井/修井作業(yè)；(9)偶然荷載工況，例如預(yù)張力損失或者浮力損失；(10)由于在質(zhì)量、直徑、有效重量、施加張力或者有效張力等方面的不同導(dǎo)致立管具有不同的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)屬性。

1.2 水動(dòng)力相互作用

水動(dòng)力相互作用分析與模擬是立管干涉分析的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于不同的立管系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，水動(dòng)力相互作用的重要性程度不同。如果水動(dòng)力相互作用的區(qū)域與立管的總長(zhǎng)度相比非常小，則可以忽略水動(dòng)力相互作用，例如具有不同懸掛角的順應(yīng)式立管間的相互作用或者與錨鏈的相互作用。但是對(duì)于頂張力立管系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行立管干涉分析時(shí)必須考慮水動(dòng)力相互作用問題。

在立管干涉中，將來(lái)流方向近端的立管稱為上游立管，將來(lái)流方向遠(yuǎn)端的立管稱為下游立管(如圖1所示)。從保守設(shè)計(jì)的角度考慮，上游立管上的水動(dòng)力相互作用可以忽略不計(jì)，這樣上游立管可以被視為一根孤立的立管。因此只需要充分重視水動(dòng)力相互作用對(duì)下游立管的影響。

圖1 上游立管與下游立管

影響立管干涉分析最重要的兩個(gè)水動(dòng)力相互作用的現(xiàn)象是尾流效應(yīng)和拖曳力放大效應(yīng)。其中尾流效應(yīng)是指由于上游立管的屏蔽作用，使兩根立管間距有減小的傾向，同時(shí)導(dǎo)致下游立管上受到的平均力減少；拖曳力放大效應(yīng)是指由于渦激振動(dòng)的作用會(huì)導(dǎo)致拖曳力出現(xiàn)放大，影響到作用在上游立管和下游立管上的平均力。

1.2.1 尾流效應(yīng)

上游立管產(chǎn)生的尾流場(chǎng)會(huì)影響到作用在下游立管上的水動(dòng)力荷載。對(duì)下游立管平均力的影響包括由屏蔽效應(yīng)引起的平均拖曳力折減及由尾流場(chǎng)的速度梯度引起的升力。

因此，平均拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)將依賴于立管之間的相對(duì)距離。在局部坐標(biāo)系中描述平均力系數(shù)是最方便的，流體的流入方向?yàn)閤軸，橫向方向上為y軸。坐標(biāo)原點(diǎn)位于上游立管的中心(如圖2所示)，V0定義為自由流速。

圖2 下游立管上拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)的坐標(biāo)系

圖3和圖4給出了圓柱體上的平均拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)的例子，該圓柱體位于另外一個(gè)相同直徑的圓柱體的尾流中，這些系數(shù)是兩個(gè)圓柱體之間相對(duì)間距的函數(shù)。

圖3 尾流中圓柱體上的平均拖曳力 圖4 尾流中圓柱體上的平均升力

當(dāng)立管靠近時(shí)可以看到明顯的屏蔽效應(yīng)。此外，可以看到平均升力朝向尾流中心線，這意味著它將盡力把立管推向尾流的中心。

1.2.2 拖曳力放大效應(yīng)

在整體立管干涉分析前先對(duì)上游立管和下游立管單獨(dú)進(jìn)行渦激振動(dòng)分析。上游立管被保守地看做是一根孤立的立管，下游立管上的渦激振動(dòng)響應(yīng)基于平均位置處局部的流入速度，以該位置的響應(yīng)來(lái)代表渦激振動(dòng)響應(yīng)。

可以利用振幅來(lái)表征拖曳力放大。對(duì)于振動(dòng)拖曳力系數(shù)增加，推薦由Vandiver[11]給出的表達(dá)式：

(1)

作為保守分析，一般將上限值用于上游立管。對(duì)于下游立管上由VIV引起的拖曳力放大，采用下限值，將趨向于使立管的平均位置彼此相互接近。

2 立管干涉分析工具及流程

圖5 立管干涉分析流程

當(dāng)需要考慮水動(dòng)力相互作用時(shí)，通常使用通用元軟件來(lái)進(jìn)行立管干涉分析。由于干涉分析的復(fù)雜性，同時(shí)針對(duì)多根立管進(jìn)行干涉分析會(huì)導(dǎo)致工作量劇增且難以收斂，因此，在目前的工程實(shí)踐中，通常會(huì)對(duì)同一時(shí)刻的兩根臨近立管進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，給出立管的最小間距。這樣的分析通常是通過使用特定的彎曲、軸向、扭轉(zhuǎn)特性的三維梁?jiǎn)卧獊?lái)建模。

立管干涉分析的主要流程：

(1) 考慮浮體偏移和流加載因素來(lái)確定碰撞是否可能發(fā)生。環(huán)境條件中無(wú)方向性的值和船體偏移應(yīng)用于所有的方向上，從0°～360°，典型地每一步以5°～10°為宜。忽略多根立管的任何水動(dòng)力相互作用，對(duì)每根立管計(jì)算由自由流加載引起的靜態(tài)偏移量，如果這個(gè)靜態(tài)偏移量小于名義靜態(tài)條件下立管間的最小間距，可以得出結(jié)論立管干涉是不可能發(fā)生的，也就沒有進(jìn)一步分析的必要了。

(2) 如果初步評(píng)估揭示出相互作用效應(yīng)是顯著的，則要求進(jìn)行精確分析，分析中要考慮可能的水動(dòng)力相互作用效應(yīng)。對(duì)于尾流效應(yīng)來(lái)說(shuō)，可以采用如下程序：(1)計(jì)算靜態(tài)的上游立管結(jié)構(gòu)形狀；(2)計(jì)算在輸入流荷載作用下靜態(tài)的下游立管結(jié)構(gòu)形狀；(3)考慮來(lái)自上游立管的屏蔽效應(yīng)，計(jì)算對(duì)下游立管的流入；(4)考慮算出的流入作為流荷載，重新計(jì)算下游立管的結(jié)構(gòu)形狀；(5)重復(fù)進(jìn)行第三步和第四步直到收斂；(6)對(duì)于拖曳力放大效應(yīng)來(lái)說(shuō)，需要考慮前面描述的由于VIV引起的拖曳力放大。

在考慮了尾流效應(yīng)和拖曳力放大效應(yīng)后，對(duì)立管的最小凈距進(jìn)行判斷。如果不滿足要求，則需要進(jìn)行立管布置的重新設(shè)計(jì)或考慮其它可接受的標(biāo)準(zhǔn)。

3 立管干涉的可接受標(biāo)準(zhǔn)

目前在工業(yè)界有兩種不同的可接受標(biāo)準(zhǔn)。第一種是禁止碰撞，鑒于立管干涉預(yù)測(cè)的高度不確定性，工業(yè)界的傳統(tǒng)做法是在正常條件甚至是極端條件下，都不允許出現(xiàn)立管的碰撞(API RP 2RD)。

在深水工程實(shí)踐中，過于嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范要求帶來(lái)了成本的大幅增加和效益的顯著降低，因此出現(xiàn)了第二種可接受標(biāo)準(zhǔn)，即在臨時(shí)、偶然和極端條件下允許出現(xiàn)碰撞，且滿足下列條件：進(jìn)行整體荷載效應(yīng)分析時(shí)，應(yīng)充分考慮水動(dòng)力相互作用；進(jìn)行結(jié)構(gòu)相互作用分析并對(duì)碰撞的后果結(jié)合認(rèn)證試驗(yàn)和設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明未危及到結(jié)構(gòu)完整性，允許出現(xiàn)偶發(fā)的碰撞。在極端或者偶然荷載工況下放松不允許碰撞的設(shè)計(jì)原則，由此所帶來(lái)的費(fèi)用節(jié)約是非常顯著的，為此，在一些實(shí)際工程中放寬了對(duì)立管干涉的要求，在極端情況下可以發(fā)生碰撞。

圖6 最小間距標(biāo)準(zhǔn)

需要注意的是，在第二種可接受標(biāo)準(zhǔn)下，仍然禁止順應(yīng)式立管的浮力塊、立管與錨鏈、立管與其它結(jié)構(gòu)(如中水浮筒、立管與未受保護(hù)的外部線狀物)發(fā)生碰撞。

立管間的間距可用于衡量立管碰撞的可能性。最小間距要求(MSR)是指上游立管和下游立管間的面與面之間的距離(凈距)要求。如果在流和海況作用下立管間的最小間距小于MSR，則具有較高的碰撞可能性，否則，不會(huì)發(fā)生碰撞。

第二種可接受標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于較遠(yuǎn)的尾流區(qū)參數(shù)化尾流模型是適用的，該區(qū)是指在上游圓柱體后大于2倍直徑的區(qū)域，但對(duì)于較近的尾流區(qū)，還不能充分地描述流動(dòng)行為，因?yàn)檫@是一個(gè)高度非線性現(xiàn)象。另一個(gè)問題是，在凈距評(píng)估分析中不包括鄰近立管的VIV響應(yīng)，最大的VIV位移為每根立管的一倍直徑，考慮兩個(gè)圓柱體可能的VIV來(lái)選擇最小的間距標(biāo)準(zhǔn)。在圖6中，Δ定義為兩個(gè)圓柱體外側(cè)邊緣間的距離，由此對(duì)于具有相等外徑的立管，推薦最小凈距為2倍的外徑。

對(duì)于具有不同外徑的立管，推薦兩根立管的外徑之和作為可接受標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了避免碰撞，最小的間距由式(1)給出：

(2)

該標(biāo)準(zhǔn)并未體現(xiàn)任何的安全系數(shù)，工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的做法是取2.5倍的安全系數(shù)，取最大管徑，設(shè)計(jì)中盡量避免出現(xiàn)立管碰撞，根據(jù)實(shí)際工程的一些經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)要保持立管間4D～5D的凈距。

4 抑制立管干涉的主要措施

總體而言，為了使臨近立管系統(tǒng)獲得類似的性能經(jīng)常規(guī)定設(shè)計(jì)目標(biāo)的重量/直徑比。需要注意的是重量/直徑比受到海生物的顯著影響，對(duì)于小直徑重量較輕的立管特別重要。因此，應(yīng)對(duì)帶有海生物和沒有海生物的情況下設(shè)計(jì)目標(biāo)的重量/直徑比進(jìn)行校核。

4.1 順應(yīng)式結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于順應(yīng)式結(jié)構(gòu)形狀的立管布置，可以考慮下列減輕立管干涉或降低接觸引起的荷載效應(yīng)：(1)根據(jù)類似的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)屬性對(duì)立管分組，如重量/直徑比；(2)增加耐磨性，如在喇叭口，I/J型管和浮體接觸區(qū)域等地方增加外護(hù)套；(3)設(shè)計(jì)相鄰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀，使得立管在不同的豎向位置處跨越；(4)在水平和豎直方向上與鄰近立管結(jié)構(gòu)錯(cuò)開；(5)使用不同的豎向懸掛角使立管分開；(6)使用不同的水平方向懸掛角使立管分開；(7)可通過清潔立管來(lái)去掉海生物；(8)通過改變浮力塊或配重塊分布來(lái)修正有效張力，從而調(diào)整橫流結(jié)構(gòu)形狀剛度。

為了避免由于錨鏈?zhǔn)?duì)立管造成損傷，通常在任何情況下不允許錨鏈在立管上方跨越。

4.2 頂張力立管列陣的設(shè)計(jì)參數(shù)

在SPAR和TLP平臺(tái)上作業(yè)的TTR以豎向或接近于豎向的立管集束方式布置，這些立管表示為立管列陣，在立管列陣中，單根立管的數(shù)量也許達(dá)到20根或更多。

頂張力和立管間距是減輕立管干涉的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。增加頂部張力或加大浮體終端處的立管間距，與此相關(guān)的成本可能會(huì)非常高。為減輕立管干涉或降低接觸引起的荷載效應(yīng)而建議的其它設(shè)計(jì)變化是：(1)根據(jù)類似的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)屬性對(duì)立管分組，如重量/直徑比；(2)清潔立管來(lái)去掉海生物；(3)為減少碰撞引起的荷載效應(yīng)可在立管關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)采用緩沖器或涂層；(4)張緊器同步作用來(lái)對(duì)立管列陣中的全部立管施加相等的負(fù)載或相等的有效長(zhǎng)度；(5)在關(guān)鍵位置處采用間隔框來(lái)使立管保持分開狀態(tài)。

5 結(jié)論

隨著深水油氣田開發(fā)的不斷發(fā)展，立管干涉的問題會(huì)變得尤為突出。由于立管干涉包含了復(fù)雜的物理現(xiàn)象，其分析研究和工程設(shè)計(jì)的難度較大。通過研究，得出初步結(jié)論如下：

(1)水動(dòng)力相互作用分析與模擬是立管干涉分析的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于不同的立管系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，水動(dòng)力相互作用的重要性程度不同。對(duì)于頂張力立管系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行立管干涉分析時(shí)必須考慮尾流效應(yīng)和拖曳力放大效應(yīng)的水動(dòng)力相互作用問題。

(2)對(duì)于立管干涉問題工業(yè)界有兩種不同的可接受標(biāo)準(zhǔn)。第一種是在任何情況下禁止碰撞。第二種是允許極端條件下出現(xiàn)碰撞，但是要開展響應(yīng)的評(píng)估和試驗(yàn)工作。

(3)在立管設(shè)計(jì)中可以通過采取一系列措施來(lái)避免立管干涉。最簡(jiǎn)單有效的措施是控制立管間凈距大于兩倍的管徑，工程實(shí)踐中一般推薦為4～5的管徑。

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Study on Deepwater Riser Interference Analysis

HE Yang1, SUN Guo-min1, ZHAO Tian-feng2

(1. Engineering Company, Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China;2. Offshore Oil/Gas Research Center, China University of Petroleum, Beijing 102249， China)

The risk of interference between marine risers increases with increasing riser length. Riser interference should be addressed in early stages of the deepwater riser design process. Riser interference comprises complex physical phenomena including hydrodynamic interaction which should not be neglected for most of riser system interference analysis. In this paper, deepwater riser interference analysis approach based on the hydrodynamic interaction is introduced according to DNV-RP-F203, the corresponding design procedure is given and the acceptance criterion of interference analysis is discussed, which provide reference for deepwater riser interference analysis.

deepwater riser; interference; hydrodynamic interaction; wake effect; drag magnification

2013-07-15

何 楊(1978-)，男，工程師。

1001-4500(2014)04-0046-05

P756

A