深水生產(chǎn)鉆井中心水平跨接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

黃會(huì)娣，孫國(guó)民，何　寧，程寒生，趙　娜（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

深水生產(chǎn)鉆井中心水平跨接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

黃會(huì)娣，孫國(guó)民，何寧，程寒生，趙娜
（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

跨接管的設(shè)計(jì)是深水生產(chǎn)鉆井中心設(shè)計(jì)的重要組成部分，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析是跨接管設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。闡述了水下生產(chǎn)鉆井中心跨接管布置設(shè)計(jì)需要考慮的因素，建立了跨接管模型，研究了跨接管建模時(shí)的關(guān)鍵載荷。指出了加載順序應(yīng)與實(shí)際作業(yè)過程一致才能保證計(jì)算結(jié)果合理，應(yīng)力分析結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目連接器接口載荷限制的解決方法。水平跨接管布置設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法在西非某實(shí)際深水項(xiàng)目中成功應(yīng)用，可為我國(guó)南海類似深水項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

生產(chǎn)鉆井中心；跨接管；布置設(shè)計(jì)；建模；應(yīng)力分析

在叢式布置水下井口架構(gòu)（Architecture）中，各井口圍繞在中心生產(chǎn)管匯四周，通過生產(chǎn)跨接管（Production Jumper）與其連接，生產(chǎn)管匯的位置稱為生產(chǎn)鉆井中心［1］。在生產(chǎn)鉆井中心，跨接管是連接井口和管匯的紐帶，是匯聚生產(chǎn)流體實(shí)現(xiàn)外輸?shù)摹皹蛄骸薄＞诤凸軈R的位置以及海底管道的走向在基本設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定；在后續(xù)設(shè)計(jì)階段，跨接管的設(shè)計(jì)需要適應(yīng)鉆井中心各元素的安裝作業(yè)限制，同時(shí)還要滿足其自身的制造、運(yùn)輸、安裝、操作、維護(hù)要求，提供足夠的柔性以確保在大水深條件下，能依靠水下機(jī)器人（ROV）實(shí)現(xiàn)井口和管匯的連接；并適應(yīng)各種載荷，將應(yīng)力控制在合適的范圍內(nèi)，保證油田長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全生產(chǎn)，因而跨接管的設(shè)計(jì)在整個(gè)鉆井中心的設(shè)計(jì)過程中非常重要［2-4］。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的應(yīng)用均為立式跨接管。本文結(jié)合西非某深水項(xiàng)目，對(duì)生產(chǎn)鉆井中心水平跨接管進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

1　生產(chǎn)鉆井中心跨接管的布置設(shè)計(jì)

在進(jìn)行應(yīng)力分析之前，需要初步布置設(shè)計(jì)跨接管，考慮因素如下：

1）滿足流動(dòng)保障以及操作、維修要求。

2）適應(yīng)整個(gè)鉆井中心的布置需要。

3）便于制造。

4）滿足海上運(yùn)輸、安裝船舶的尺寸限制。若能利用較小的船舶，例如供應(yīng)船實(shí)現(xiàn)跨接管的運(yùn)輸，多功能作業(yè)支持船MSV實(shí)現(xiàn)海上安裝，則可以大幅節(jié)省項(xiàng)目成本。

5）滿足其他水下結(jié)構(gòu)物的安裝空間要求。為防止安裝其他水下結(jié)構(gòu)物時(shí)可能造成落物、碰撞等損壞，跨接管與井口、外輸跨接管道（Spool）安裝時(shí)固定海管位置的起始錨鏈應(yīng)保持一定的安全間隔距離；另外，跨接管的布置也不應(yīng)影響其本身的安裝順序。

各井口位置在滿足項(xiàng)目鉆井要求后，對(duì)稱的布置在管匯的兩側(cè)，盡可能減少跨接管的類型，從而減少設(shè)計(jì)、建造工作量。采用水平跨接管，有利于防止水合物的產(chǎn)生，無需回收跨接管就可以回收生產(chǎn)管匯和采油樹。為了減少油田生產(chǎn)關(guān)斷置換維護(hù)的時(shí)間，盡量減小跨接管長(zhǎng)度，同時(shí)也為海上運(yùn)輸、安裝船舶類型的選擇提供多種可能性。跨接管平面形狀為U型，以提供更多的柔性控制跨接管應(yīng)力，減小安裝、操作載荷。綜合考慮各種因素，生產(chǎn)鉆井中心跨接管平面布置如圖1所示。管匯和井口位于設(shè)計(jì)位置，長(zhǎng)度單位為m。

圖1　生產(chǎn)鉆井中心跨接管平面布置

2　跨接管建模

在完成跨接管的布置以后，需對(duì)其進(jìn)行計(jì)算校核，包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、渦激振動(dòng)分析、疲勞壽命估算、落物分析以及ROV作業(yè)時(shí)纏繞能力評(píng)估等。結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析是跨接管校核的重點(diǎn)。

2.1跨接管模型

在進(jìn)行總體應(yīng)力分析時(shí)，需要建立整個(gè)跨接管的有限元模型，計(jì)算跨接管內(nèi)各點(diǎn)的力和力矩?；诳缃庸軐?shí)際的空間布置，建立典型U型跨接管三維模型，如圖2。模型由若干段直管和彎頭組成，其具有相同的壁厚，彎頭彎曲半徑是管道直徑的3倍。在ABAQUS中，直管模型選為2節(jié)點(diǎn)、12自由度的PIPE31H；彎頭模型為ELBOW31。

2.2載荷

在進(jìn)行跨接管應(yīng)力分析時(shí)，一般需要考慮的功能載荷包括重力、浮力、海床作用力以及由于制造、測(cè)量誤差、跨接管連接和水下結(jié)構(gòu)物沉降強(qiáng)制加在跨接管兩端的位移等。需要考慮的環(huán)境載荷包括海底海流產(chǎn)生的拖拽力和升力，拖拽力和升力按照DNVRPC205規(guī)范［5］，用式（1）～（2）計(jì)算。

式中：CD為拖拽力系數(shù)；CL為升力系數(shù)；ρ為海水密度，kg／m3；D為跨接管有效外徑，m；v為海底海流速度，m／s。

2.2.1跨接管重力

為了簡(jiǎn)化以及保守起見，在跨接管的有限元模型中只考慮工藝管道為結(jié)構(gòu)元件，假設(shè)其他元件（例如表面涂層、犧牲陽極、綁在工藝管道上的小尺寸液壓和藥劑管線）為沒有結(jié)構(gòu)剛度的非結(jié)構(gòu)元件。在計(jì)算跨接管的水下質(zhì)量時(shí)，可以引入當(dāng)量非結(jié)構(gòu)質(zhì)量來考慮這些非結(jié)構(gòu)元件的影響。在分析模型中，跨接管工藝管道的有效線密度mtot為

圖2　跨接管模型

式中：mmat為跨接管和假定為沒有剛度的非結(jié)構(gòu)元件當(dāng)量線密度，kg／m mint為管線內(nèi)流體當(dāng)量線密度，kg／m；CA為附加質(zhì)量系數(shù)，根據(jù)DNV RP C205規(guī)范選擇；A為橫截面積，m2。

2.2.2海床和跨接管的管土作用

考慮海底土壤對(duì)跨接管的支撐，跨接管沉降和土壤垂直作用力關(guān)系基于簡(jiǎn)化的線性Verley&Lund［6］公式：

式中：z為跨接管沉降，m；Fc為土壤垂直作用力，kN／m；D為跨接管有效外徑，m；γ′為土壤單位質(zhì)量，kN／m3；Su為土壤剪切強(qiáng)度，kPa。

2.2.3跨接管兩端的邊界約束

跨接管兩端的邊界約束包括制造、測(cè)量誤差。在水下連接跨接管時(shí)，兩端必須適應(yīng)這些誤差。設(shè)計(jì)中考慮制造和測(cè)量誤差至關(guān)重要，誤差過大或過小對(duì)跨接管的設(shè)計(jì)影響很大。建模時(shí)，將相同幅度的線性位移和角度位移作用于跨接管兩端以模擬這些誤差。

3　應(yīng)力分析及載荷組合

應(yīng)力分析工況基于典型的水下跨接管操作程序確定，包括：

1）跨接管停放在水下結(jié)構(gòu)物上。

2）管匯端拖拉。將跨接管管匯端的連接器接口拖拉至水下管匯上的連接器接口處。

3）管匯端連接。使用連接器安裝工具把管匯端連接器的兩半連接起來。

4）采油樹端拖拉。將跨接管采油樹端的連接器接口拖拉至采油樹上的連接器接口處。

5）采油樹端連接。使用連接器安裝工具把采油樹端連接器的兩半連接起來。

6）海底水壓試驗(yàn)。

7）生產(chǎn)作業(yè)?？缃庸茉谠O(shè)計(jì)溫度、壓力下工作，需要考慮最大操作溫度時(shí)材料強(qiáng)度的降低。

8）長(zhǎng)期生產(chǎn)但伴有水下結(jié)構(gòu)物的沉降。

9）失去壓力。如沒有生產(chǎn)流體，跨接管內(nèi)壓力降為大氣壓或真空。

在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，為了得到合理的結(jié)果，需按照確定的操作順序在跨接管兩端施加載荷以及誤差。加載順序如表1。

表1　加載順序

4　設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)力及載荷校核

參考標(biāo)準(zhǔn) ASME B31.8［7］，用式（8）計(jì)算管線壁厚。依據(jù)DNV OS F101［8］，用式（9）進(jìn)行承壓校核；用式（10）進(jìn)行局部屈曲校核。若沒有局部屈曲就無需進(jìn)行擴(kuò)展屈曲的校核，采用式（11）或式（12）進(jìn)行載荷校核。

組合荷載標(biāo)準(zhǔn)-荷載控制條件：承受彎矩、有效軸向力和內(nèi)部過壓的管道在所有橫截面上要滿足式（11）。

當(dāng)αc取值不大于1.2，參見DNV OS F101，承受彎矩、有效軸向力和外部過壓的管道要滿足式（12）。

式中：t為壁厚，mm；pi為設(shè)計(jì)內(nèi)壓，kPa；D為管線外徑，mm；fy屈服強(qiáng)度，kPa；F為環(huán)境設(shè)計(jì)系數(shù)；E為縱向接頭系數(shù)；T為溫度影響系數(shù)；pli為局部偶然壓力，kPa；pe為設(shè)計(jì)外壓，kPa；pb（t）為破裂抗力，kPa；pc為壓潰壓力，kPa；γsc為抗力安全等級(jí)；γm為材料抗力因子；αc為考慮應(yīng)變硬化的流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)，αc取值最大1.2；Md為設(shè)計(jì)彎矩，N·m；Sd為設(shè)計(jì)有效軸力，N；Mp為塑性彎矩抗力，N·m；Sp為特征塑性軸向抗力，N；Δpd為設(shè)計(jì)壓力差，kPa。

跨接管兩端的連接器承載能力有一定的限制，因此，在對(duì)跨接管進(jìn)行總體分析時(shí)，應(yīng)確?？缃庸軆啥说姆醋饔昧土卦谶B接器的可接受載荷范圍內(nèi)。

5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1項(xiàng)目輸入

西非深水項(xiàng)目跨接管設(shè)計(jì)壓力517bar，設(shè)計(jì)溫度-18～82℃，設(shè)計(jì)水深1750m。生產(chǎn)鉆井中心跨接管布置如圖1，表2為制造和測(cè)量誤差值，表3為保守的強(qiáng)制位移。

5.2應(yīng)力分析結(jié)果

基于環(huán)向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算6英寸工藝管道外徑為168.3mm，壁厚為18.3mm。利用DNVOSF101規(guī)范校核屈曲能力，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。利用ABAQUS對(duì)各工況下的載荷進(jìn)行求解，得到最長(zhǎng)和最短跨接管各點(diǎn)受力，計(jì)算的應(yīng)力利用系數(shù)均在可接受范圍內(nèi)?？缃庸軆啥说淖畲蠼涌谳d荷在表4所示的連接器的承載能力范圍內(nèi)。

結(jié)構(gòu)分析顯示跨接管滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)和兩端載荷限制，圖2所示的跨接管布置可以接受。

表2　制造和測(cè)量誤差

表3　強(qiáng)制位移

表4　連接器允許的最大接口載荷

6　結(jié)論

1）跨接管布置設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析過程是一個(gè)反復(fù)相互校核的過程。

2）跨接管的布置需要考慮多種因素，尤其是運(yùn)輸、安裝船舶的尺寸限制以及在鉆井中心的空間約束。

3）跨接管的制造以及水下測(cè)量不可避免的存在誤差，同時(shí)，水下安裝工具有一定的誤差限制，為實(shí)現(xiàn)深水水下無人安裝，跨接管的設(shè)計(jì)需要具有一定的可靠性、柔性，必須合理考慮各種誤差，在跨接管的建模、應(yīng)力分析中應(yīng)將這些誤差引起的載荷考慮進(jìn)去。

4）跨接管承受的載荷在不同的作業(yè)過程中可能不同，應(yīng)力分析工況需要與實(shí)際作業(yè)過程一致，才能得到合理的分析結(jié)果。

［1］黃會(huì)娣，程寒生.深水油氣田開發(fā)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2014，29（5）：4-7.

［2］何同，李婷婷，段夢(mèng)蘭，等.深水剛性跨接管設(shè)計(jì)的主要影響因素分析［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2012，27（4）：50-57.

［3］周燦豐，焦向東，曹靜，等.水下跨接管連接器選型設(shè)計(jì)研究［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，24（3）：75-78.

［4］何同，李婷婷，段夢(mèng)蘭，等.深水混合立管基礎(chǔ)跨接管設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題［J］，石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（10）：14-20.

［5］DNV RP C205，Environmental Conditions And Environmental Loads［S］.2010.

［6］Verley RLP，Lund KM.A soil resistance model for pipelines placed on clay soils［J］.Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conf，1995，6（V）：225-232.

［7］ASME B31.8，Gas Transmission and Distribution Pip-ing Systems［S］.2010.

［8］DNV-OS-F101，Submarine Flowline Systems，DNV Offshore Standard［S］.2010.

Research of Structure Stress Analysis on Horizontal Jumper for Deepwater Production Drilling Center

HUANG Huidi，SUN Guomin，HE Ning，CHENG Hansheng，ZHAO Na
（Offshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin 300451，China）

The design of the jumper is the important part of deepwater production drilling center design and the structure stress analysis plays a very important role in the design of the jumper. The factors to be considered for the jumper layout design in subsea production drilling center are elaborated.The jumper model is created.Some critical loads are studied with emphasis while modeling the jumper and the solutions are presented in detail.To obtain the reasonable calculation outcome，which should meet the limitations of the design criterion and the connector interface loads，the loading sequence should be in line with the actual operation process.The method for the horizontal jumper layout design and the structure stress analysis presented have been applied into the actual deepwater project located in the West of Africa，and can be used for the design guidance for the similar deepwater project located in South China Sea.

production drill center；jumper；layout design；modeling tolerance；stress analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.001

1001-3482（2015）12-0001-05

2015-06-19

中海石油總公司科技項(xiàng)目“深水跨接管設(shè)計(jì)、制造、安裝關(guān)鍵技術(shù)研究”（CNOOC-KJ125ZDXM05GC00GC2011-04）

黃會(huì)娣（1980-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士，主要從事海底管道的設(shè)計(jì)與研究工作，Email：huanghd＠m(xù)ail.cooec.com.cn。