懸鏈系泊系統(tǒng)中的粘接軟管

王 猛,張 捷

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

懸鏈系泊系統(tǒng)中的粘接軟管

王 猛,張 捷

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

懸鏈系泊(CALM)系統(tǒng)中的粘接軟管是主要的裝卸油設(shè)施。此類軟管主要材質(zhì)為橡膠材料，通過(guò)鋪放涂膠織物、纏繞鋼絲等加強(qiáng)層，增加其拉伸和彎曲強(qiáng)度。目前，國(guó)內(nèi)海洋工程中對(duì)粘接軟管的研究和應(yīng)用較少。通過(guò)對(duì)CALM系統(tǒng)中兩種粘接軟管即漂浮軟管和水下軟管的結(jié)構(gòu)選型、長(zhǎng)度和布置形態(tài)的研究，提出了軟管的結(jié)構(gòu)選型和布置形態(tài)的設(shè)計(jì)方法。最后以水下軟管為例進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。

單點(diǎn)系泊；懸鏈系泊；粘接軟管；漂浮軟管；水下軟管

0 引 言

懸鏈系泊(CALM)系統(tǒng)是一種單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，它包括浮筒、系泊鏈、系泊纜繩、漂浮軟管、水下軟管、水下管匯和海底管道等設(shè)施。浮筒依靠懸鏈?zhǔn)藉^鏈系泊，油輪通過(guò)系泊纜繩系泊在浮筒上。其中，漂浮軟管和水下軟管是重要的油氣裝卸設(shè)施,其結(jié)構(gòu)形式屬于粘接軟管。在油輪系泊時(shí)，漂浮軟管連接油輪與浮筒；裝卸油完畢后，與油輪解脫自由漂浮在海面上。水下軟管連接單點(diǎn)浮筒和水下管匯，安裝后形成直立柔性管。

世界上第一個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)安裝于1959年。CALM技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已較為成熟。但國(guó)內(nèi)目前僅有兩個(gè)CALM 系統(tǒng)，分別位于茂名和潿洲島，建設(shè)于20世紀(jì)90年代。此后，國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究較少，粘接軟管設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外壟斷。

本文對(duì)粘接軟管的結(jié)構(gòu)選型、長(zhǎng)度和布置形態(tài)進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，并以水下軟管為例進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。

1 結(jié)構(gòu)型式

CALM系統(tǒng)的組成如圖1所示，其中包括兩種類型的粘接軟管：漂浮軟管與水下軟管。美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API) Spec 17K[1]中規(guī)定的粘接軟管的典型截面形式如圖2所示。從內(nèi)至外共包括7個(gè)典型層：骨架層、內(nèi)膠層、涂膠織物層、螺旋鋼絲層、墊層、外膠層和包裹層。

骨架層由互鎖的金屬構(gòu)成內(nèi)部骨架，可抵抗外壓對(duì)軟管的壓潰效應(yīng)。CALM系統(tǒng)的橡膠軟管一般不設(shè)置該層。

內(nèi)膠層材料通常為丁腈橡膠。應(yīng)按選擇光滑內(nèi)壁，保證流體的線性流速。

涂膠織物層由高模量、高強(qiáng)度的聚酯織物灌注橡膠形成，提供一定的管體強(qiáng)度。圖2中截面設(shè)置了2層涂膠簾線層，每層厚度可達(dá)1.2 mm。徐業(yè)峻等[2]對(duì)涂膠織物層的纏繞角度進(jìn)行了研究。該層纏繞角度小于50°時(shí)，可以滿足石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)原型試驗(yàn)規(guī)范[3]要求。

螺旋鋼絲層為在管體上螺旋纏繞鋼絲(見(jiàn)圖3)。纏繞鋼絲增加軟管的拉伸和彎曲強(qiáng)度。圖2中的典型截面設(shè)置了4層螺旋鋼絲層。徐業(yè)峻[4]對(duì)螺旋鋼絲層的纏繞角度與軟管強(qiáng)度進(jìn)行了研究。纏繞角度對(duì)軟管拉伸強(qiáng)度影響較大，對(duì)其彎曲強(qiáng)度影響不明顯。按API Spec 17K規(guī)定，纏繞角度一般為55°。在管端鋼絲的纏繞角度增大，纏繞行程縮短，最終焊接固定于端部法蘭。

在各螺旋鋼絲層和涂膠簾線層間鋪放中膠片作為夾層。圖2中共設(shè)置了4層墊層。

外膠層通常為氯丁橡膠或聚氨酯，具有耐環(huán)境條件影響的特性、耐氣候和海水侵蝕的能力。

包裹層為尼龍布，在進(jìn)行管體整體硫化前纏繞，硫化后被剝掉。

漂浮軟管需要保證穩(wěn)定的漂浮狀態(tài)。通過(guò)將閉孔泡沫材料填充到管體中，提供穩(wěn)定的浮力。其材料為多層閉孔海綿橡膠，能保證整根軟管最少20%的剩余浮力。

軟管單根管長(zhǎng)有兩種規(guī)格：9.15 m和10.67 m(30英尺和35英尺)。管端為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)標(biāo)準(zhǔn)法蘭，主管段與端部間采用錐形過(guò)渡，可有效減緩端部的應(yīng)力集中。

橡膠軟管在無(wú)維修的情況下平均使用壽命為3年，部分使用至6年后仍能繼續(xù)輸油。

圖1 懸鏈系泊系統(tǒng)Fig.1 Catenary anchor leg mooring (CALM) system

圖2 粘接軟管典型截面Fig.2 Typical section of bonded hose

圖3 螺旋鋼絲纏繞Fig.3 Helical steel wire

2 軟管選型

軟管類型應(yīng)根據(jù)功能要求、輸送介質(zhì)壓力、介質(zhì)的成分、環(huán)境條件、強(qiáng)度等進(jìn)行選型。不同的軟管生產(chǎn)商依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，會(huì)增加或減少典型層，生產(chǎn)多種規(guī)格的軟管。軟管以字母型號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。以Yokohama的軟管為例，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的軟管如表1所示[5]。該軟管所用材料如表2所示。

表1 Yokohama標(biāo)準(zhǔn)軟管的操作參數(shù)Table 1 Operating parameters of Yokohama standard type hose

表2 Yokohama標(biāo)準(zhǔn)軟管材料Table 2 Materials of Yokohama standard type hose

由于行業(yè)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，故不同軟管廠家對(duì)軟管類型標(biāo)識(shí)的定義不同。以Yokohama的軟管為例，其型號(hào)標(biāo)識(shí)一般包括6個(gè)部分(見(jiàn)表3)：鎧裝層、規(guī)格、前綴、模塊型號(hào)、后綴和尺寸。例如，標(biāo)識(shí)為Seaflex DC STD M 3070F-HA 500 mm×10.7 m的軟管含義為：雙層鎧裝(DC)，標(biāo)準(zhǔn)管(STD)，外膠層相比標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行修改(M)，3070F型，適用于高含量芳烴流體(HA)，內(nèi)徑500 mm，單根長(zhǎng)度10.7 m。

浮筒至油輪間的整條漂浮軟管至少需考慮3種類型的軟管。與浮筒管匯接口連接的首管管端應(yīng)為加強(qiáng)型，最小的儲(chǔ)存浮力可為0。與油輪連接的尾管應(yīng)考慮油輪的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的摩擦現(xiàn)象，管體應(yīng)具有較強(qiáng)的抗摩擦性能。同時(shí)，當(dāng)軟管與油輪斷開(kāi)時(shí)，是漂浮在海面上的，因此應(yīng)具有浮力儲(chǔ)備。中間段應(yīng)采用具有最小20%浮力儲(chǔ)備的軟管。漂浮軟管如不考慮特殊要求，其最小許用彎曲半徑為6倍公稱內(nèi)徑。

相比于漂浮軟管，水下軟管布置為曲線布置形狀，需要考慮更高的拉伸和彎曲性能。這可通過(guò)增加簾線層中鋼絲的直徑獲得。水下軟管一般至少需要兩種類型：與浮筒、水下管匯連接的軟管端部應(yīng)一端加強(qiáng)，中間段可使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格軟管。軟管管體上設(shè)置管領(lǐng)，用于綁扎浮塊。水下軟管最小許用彎曲半徑相比漂浮軟管要小，為4倍公稱內(nèi)徑。

更詳細(xì)的軟管選型應(yīng)參考廠家產(chǎn)品手冊(cè)進(jìn)行?；蛳蜍浌軓S家提出功能要求，由其確定型號(hào)。

3 軟管長(zhǎng)度確定

軟管應(yīng)有足夠長(zhǎng)度，保證正常裝卸油，并避免其隨油輪和浮筒的運(yùn)動(dòng)形成過(guò)度的彎曲，產(chǎn)生過(guò)大張力。漂浮軟管與水下軟管長(zhǎng)度的決定因素基本相同，但也有一定差別。

表3 軟管類型標(biāo)識(shí)Table 3 Hose type mark

3.1 漂浮軟管

油輪與浮筒的相對(duì)位置是決定漂浮軟管長(zhǎng)度的主要因素，同時(shí)需考慮環(huán)境載荷，長(zhǎng)度應(yīng)滿足保證浮筒與油輪間的最大距離要求。漂浮軟管的布置如圖4和圖5所示，假設(shè)軟管水平投影曲線近似為圓弧，且船艏正對(duì)浮筒。推導(dǎo)出漂浮軟管總長(zhǎng)的計(jì)算式為

(1)

式(1)的計(jì)算結(jié)果僅作為漂浮軟管靜態(tài)長(zhǎng)度。應(yīng)在動(dòng)態(tài)分析中，考慮油輪和浮筒運(yùn)動(dòng)、潮位、波流等因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，對(duì)靜態(tài)長(zhǎng)度進(jìn)行驗(yàn)證，以保證軟管長(zhǎng)度滿足要求。

圖4 漂浮軟管布置Fig.4 Configuration of floating hose

圖5 油輪端部漂浮軟管Fig.5 Floating hose at shuttle tanker

3.2 水下軟管

水下軟管可布置為懶S形或中國(guó)燈籠形[7](見(jiàn)圖6)。懶S形適用于潮位變化較大或浮筒不在水下管匯正上方的情況。中國(guó)燈籠形適用于潮位變化較小或浮筒位于水下管匯正上方的情況。由于中國(guó)燈籠形可布置兩條軟管，裝卸油效率更高，因此近些年的CALM系統(tǒng)中多采用中國(guó)燈籠形布置水下軟管。

水下軟管的布置需考慮兩個(gè)要求：軟管應(yīng)有足夠長(zhǎng)度，以滿足浮筒與水下管匯的最大間距要求；浮筒與水下管匯間距最小時(shí)，軟管彎曲半徑應(yīng)不小于最小許用半徑。

軟管長(zhǎng)度確定應(yīng)考慮以下因素：浮筒最大升沉位移；浮筒、管匯與軟管連接的相對(duì)位置；水深、潮位、波流等環(huán)境載荷；等等。

根據(jù)以上要求分析確定軟管的靜態(tài)布置形態(tài)；然后進(jìn)行波流作用下的動(dòng)態(tài)分析，確保軟管間不發(fā)生碰撞、軟管與海床不發(fā)生摩擦、軟管的彎曲半徑在許用范圍內(nèi)。

圖6 水下軟管布置形態(tài)Fig.6 Configuration of marine hose

4 實(shí)例分析

對(duì)中國(guó)燈籠形水下軟管進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，模型如圖7所示。軟管參數(shù)和環(huán)境參數(shù)分別如表4和表5所示。水下軟管單根長(zhǎng)10.67 m，28 m水深需要3根軟管。

圖7 水下軟管Orcaflex模型Fig.7 Orcaflex model of marine hose

表4 水下軟管參數(shù)Table 4 Marine hose parameters

表5 環(huán)境參數(shù)Table 5 Environmental parameters

對(duì)軟管彎矩、有效軸力、彎曲半徑進(jìn)行分析。從分析結(jié)果可得出如下結(jié)論：

(1) 對(duì)于28 m水深海域，單根軟管串選擇3根軟管，能滿足系統(tǒng)要求。

(2) 由于水下軟管彎曲存在正反彎，在結(jié)果中取絕對(duì)值，并去掉半徑大于20 m的結(jié)果，如圖8所示。可以看出，軟管的彎曲半徑均大于其最小彎曲半徑1.956 m。

圖8 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)彎曲半徑Fig.8 Static and dynamic bend radii

(3) 彎矩結(jié)果如圖9所示。與管匯連接的軟管端彎矩最大，這是由于軟管該處的彎曲半徑最小且有端部約束。動(dòng)態(tài)彎矩和靜態(tài)彎矩沿管長(zhǎng)分布相似，但動(dòng)態(tài)彎矩較靜態(tài)彎矩顯著增大，尤其是在管匯端部。

圖9 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)彎矩Fig.9 Static and dynamic bending moments

(4) 有效軸力如圖10所示。在不考慮環(huán)境與浮筒運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)分析中，軟管從浮筒起始，約1/3長(zhǎng)度軟管的有效軸力為拉力，其余為壓力；動(dòng)態(tài)分析中，軟管有效軸力均為拉力。

圖10 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)有效軸力Fig.10 Static and dynamic effective axial forces

5 結(jié) 語(yǔ)

從結(jié)構(gòu)型式看，漂浮軟管與水下軟管類似，但由于功能、所處環(huán)境和承受載荷的差別，結(jié)構(gòu)型式稍有差別。各軟管生產(chǎn)商對(duì)軟管類型定義不同，通?？捎稍O(shè)計(jì)方或使用方提出要求，由生產(chǎn)商進(jìn)行類型選擇。

軟管應(yīng)有足夠長(zhǎng)度，保證整個(gè)系統(tǒng)正常裝卸油，并能承受油輪和浮筒運(yùn)動(dòng)對(duì)其造成的外力。漂浮軟管長(zhǎng)度主要由浮筒與油輪的相對(duì)位置、浮筒與油輪的運(yùn)動(dòng)等因素決定。水下軟管長(zhǎng)度主要由浮筒與水下管匯間相對(duì)位置、布置形態(tài)、水深、潮位、浮筒運(yùn)動(dòng)等因素決定。在初步確定軟管長(zhǎng)度后，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析以驗(yàn)證其長(zhǎng)度、最小彎曲半徑和強(qiáng)度是否滿足要求。

CALM系統(tǒng)在國(guó)外廣泛應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)目前僅有兩個(gè)系統(tǒng)。如將粘接軟管技術(shù)廣泛用于我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)，還需開(kāi)展更多的研究。

[1] American Petroleum Institute. API Spec 17K, specification for bonded flexible pipe [S]. 2005.

[2] 徐業(yè)峻,呂立功，王旭東，等. 海上外輸漂浮軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 船海工程, 2013, 42(2): 118.

[3] Oil Companies International Marine Forum. Prototype rope testing[S]. 1987.

[4] 徐業(yè)峻.海上外輸漂浮軟管的結(jié)構(gòu)角度設(shè)計(jì)研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 35(2): 170.

[5] The Yokohama Rubber Co.,Ltd. Offshore loading & discharge hose catalog No.MH-001 R1[R].

[6] Oil Companies International Marine Forum. Guide to purchasing, manufacturing and testing of loading and discharge hoses for offshore moorings[S]. 1991.

[7] Ziccardi J J. Selection of hose systems for SPM tanker terminals [C]. OTC, 1970: 1152.

BondedHoseinCALMSystem

WANG Meng, ZHANG Jie

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Bonded hose is the important equipment for oil transportation in catenary anchor leg mooring (CALM) system. Bonded hose is made of elastomer with additional layer such as textile layer impregnated with rubber, steel wire, etc. to improve the axial tensile and bending strength of the hose. There is little research on the bonded hose for offshore oil and gas field in China so far. We present the research on two types of bonded hoses in CALM system: floating hose and marine hose. The investigations on structure and length selection and configuration of two types of hoses are carried out. A design approach for structure selection and configuration determination is proposed. Taking marine hose as an example, the static and dynamic analysis is presented.

single point mooring; catenary anchor leg mooring; bonded hose; floating hose; marine hose

TE973; U656.1+26

A

2095-7297(2015)01-0040-05

2015-01-10

王猛(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油和天然氣管道設(shè)計(jì)與研究。