深水柔性立管整體性能分析

魯成林，李 蘭，宋平娜，曹 靜，沙 勇，周巍偉

(1. 天津市海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384；2.中海油研究總院，北京 100028)

深水柔性立管整體性能分析

魯成林1，李 蘭1，宋平娜1，曹 靜2，沙 勇2，周巍偉2

(1. 天津市海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384；2.中海油研究總院，北京 100028)

海洋軟管在海洋油氣資源開發(fā)中起到關鍵的作用。由于其耐腐蝕性強、地形適應性好、連續(xù)長度長、安裝方便等優(yōu)點，逐漸取代了傳統(tǒng)的海洋鋼管。國際上已在深水油氣田開發(fā)中大量使用柔性立管來連接浮式結構與海底生產(chǎn)系統(tǒng)，但在國內還沒有深水柔性立管的設計和生產(chǎn)技術。主要針對柔性立管在位工況下的整體性能如何分析來進行系統(tǒng)介紹。將立管參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、與立管相連的浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)參數(shù)、立管造型等作為整體分析的輸入條件，利用分析軟件，進行靜態(tài)分析、動態(tài)分析、規(guī)則波分析和不規(guī)則波分析。根據(jù)分析結果即可判斷柔性立管是否符合應用要求。

海洋油氣管道；柔性立管；復合軟管；浮式生產(chǎn)儲卸油裝置；系泊分析；整體分析

0 引 言

在海洋油氣田開發(fā)中，海底管線是海洋基礎結構的關鍵組成部分。傳統(tǒng)的海底管線主要是鋼管。隨著石油天然氣工業(yè)的發(fā)展，國際上海底輸油復合軟管技術也逐漸趨于成熟。與傳統(tǒng)鋼管相比，復合軟管有以下優(yōu)點：耐腐蝕性強；地形適應性好；連續(xù)長度長；安裝方便；不需大型鋪管船，安裝費用低。復合軟管以其優(yōu)越的特能在海洋油氣田開發(fā)中的應用越來越廣泛。

目前深水復合柔性立管的設計技術主要由國外公司掌握，國內尚處于起步階段。為了提高海上油氣開發(fā)能力，我國把“深水海底管道和立管工程技術”納入“十二五”規(guī)劃中，大力發(fā)展海洋資源開發(fā)的相關裝備技術?！氨剌斢蛙浌荜P鍵技術研究”是“深水海底管道和立管工程技術”的子課題之一，研究目標為掌握保溫輸油軟管設計、制造和試驗的關鍵技術，生產(chǎn)出可以在300 m水深作業(yè)的保溫輸油軟管樣管及相關附件，并進行相關試驗，以及設計1 500 m水深作業(yè)的保溫輸油軟管及相關附件。

本文研究的柔性立管由聚合物非金屬層和金屬增強層通過物理的方式組合而成，層與層間不需要使用化學工藝黏合，各層是直接裝配起來的，各層間通過摩擦和接觸壓力來傳遞荷載，能夠承受較大荷載，同時柔韌性較鋼管更好。柔性立管是海底生產(chǎn)系統(tǒng)與浮式裝置之間的連接紐帶，由于其運行期間一直懸浮在海水中，長期受到環(huán)境荷載的動態(tài)作用，所以需要對柔性立管進行動態(tài)的整體分析。本文主要介紹柔性立管的整體分析方法。

1 柔性立管的結構形式

柔性立管的結構如圖1所示。主管各層結構的功能[1-3]如表1所示。表2給出了軟管整體的性能參數(shù)。

圖1 柔性立管結構Fig.1 Flexible riser structure

表1 各層結構功能介紹Table 1 Function of each layer in the structure

表2 軟管性能參數(shù)Table 2 Properties of flexible risers

2 柔性立管整體分析

2.1 整體分析方法

柔性立管整體分析過程如圖2所示。整體分析中，立管在水中的造型、立管參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和浮式結構[如浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)和鉆井平臺等]的運動形式等均作為立管整體分析的輸入條件輸入到分析軟件(例如OrcaFlex)中，最終得到立管的變形和受力情況，進而對復合軟管進行截面分析，保證其滿足規(guī)范要求。

圖2 柔性立管整體分析圖解Fig.2 Schematic of the global analysis for flexible riser

2.2 輸入條件

2.2.1 立管參數(shù)

分析中軟管立管的輸入條件參數(shù)包括內徑、外徑、管重、最小操作彎曲半徑、彎曲剛度、軸向剛度和扭轉剛度[4]。

2.2.2 環(huán)境參數(shù)

分析中需要知道水深，風波流的相關數(shù)據(jù)，風波流的相對方向考慮共線和交叉兩種工況[5]，如圖3所示。

圖3 風波流方向Fig.3 Directions of wind, wave, and current

2.2.3 FPSO參數(shù)

首先需要對與立管相連的FPSO做系泊分析[5]，從中得到FPSO在5個方向[Far, Near, Quartering far (Qfar), Quartering near (Qnear)和Cross]的偏移量，同時確定立管的初始離船角度[6]。偏移方向的描述見表3。

表3 方向定義描述和圖示Table 3 Description and illustration for direction definition

2.2.4 其他參數(shù)

除FPSO的參數(shù)外，整體分析還需要用到的參數(shù)包括立管水力特性、管體內部流體性質和海生物屬性等[7]。

2.2.5 立管造型

在立管整體分析前，需進行立管的靜態(tài)整體分析來得到立管在位狀態(tài)的整體造型[8]，如圖4所示。

圖4 柔性立管的Lazy wave形式Fig.4 Lazy wave configuration of flexible riser

2.3 柔性立管整體分析

2.3.1 柔性立管靜態(tài)分析

柔性立管的靜態(tài)分析，不考慮波浪和風的作用，考慮海流和FPSO的偏移。靜態(tài)分析檢驗立管的靜態(tài)拉力、剛度和曲率是否滿足要求。同時靜態(tài)分析可以確定立管的整體長度、立管上浮塊的個數(shù)和分布形式、立管的初始離船角度及海底錨固位置等。

2.3.2 柔性立管動態(tài)分析

柔性立管動態(tài)分析很重要，是檢驗柔性立管是否滿足使用要求的關鍵一步。動態(tài)分析要考慮所有荷載工況下的極端分析，一共分為50種工況來進行分析。

首先分為兩部分，即系統(tǒng)完整工況下的分析和破壞工況下的分析[9]。系統(tǒng)完整工況下，按波的譜峰周期Tp分為三種情況分析：TP、TP_20%less和TP_20%more。系統(tǒng)破壞工況下分為一條系泊纜損壞(One line damage)和轉塔損壞(Turret damage)兩種工況分析。以上5組情況下又按風波流的兩種組合方向(共線和交叉)分別進行分析。這10種工況又按照FPSO的5個不同偏移方向分別進行分析，因此一共有50種工況。表4為Tp工況列表。

表4 TP工況列表Table 4 Case list of TP working conditions

表4中只列出了TP條件下的工況，除此以外還有TP_20%less、TP_20%more、One line damage和Turret damage條件下的40種工況。

為了提高分析效率，節(jié)約分析計算時間，同時滿足全面分析的要求，每個條件下分為規(guī)則波和不規(guī)則波兩種分析。規(guī)則波分析得出立管所受拉力最大、拉力最小和曲率最大的最危險工況，然后分別對這些挑選出的最危險工況進行不規(guī)則波條件下的校核分析。

2.3.3 規(guī)則波分析

以TP條件為例，規(guī)則波分析結果如表5所示。

表5 TP條件下規(guī)則波分析結果Table 5 Regular wave analysis results for TP conditions

從表5可以看出最大有效拉力和最大曲率出現(xiàn)的工況是EX-01-Re共線Far，最小有效拉力(最大壓縮)出現(xiàn)工況是EX-06-Re交叉Far，這兩個工況需要進一步進行不規(guī)則波條件下的校核分析。

2.3.4 不規(guī)則波分析

根據(jù)規(guī)則波條件下的篩選分析結果，對篩選出的最危險工況進行不規(guī)則波條件下的分析。分析時為了更合理，業(yè)內普遍采用選取隨機種子算術平均值的方法來得到分析結果。每個工況選取5個種子的算術平均值作為不規(guī)則波條件下的分析結果。仍以TP條件下的工況為例，分析結果如表6所示。

從表6可以看出分析最大拉力為669.5 kN，最大曲率為0.167 m-1，均小于軟管允許的最大拉力(2 300 kN)和最大曲率(0.25 m-1)，所以此軟管滿足設計要求。

表6 最危險工況下的分析結果Table 6 Analysis results for the most dangerous working conditions

3 結 語

整體分析是對海洋柔性立管整體性能強度的校核。當根據(jù)項目要求設計出一條新的柔性立管后，需分析此立管能否抵抗在項目目標海域條件下的環(huán)境荷載。此校核分析通過專業(yè)軟管整體分析軟件來進行，得到柔性立管在此環(huán)境荷載下受到的最大拉力和最大曲率值，與柔性立管本身的性能參數(shù)值進行比較，即可判斷柔性立管的設計是否滿足使用要求。

目前國內對深水柔性立管的研究已到了試制階段，試制完成后將通過對樣管進行各種原型試驗驗證設計結果，檢驗柔性立管各項性能是否達標。深水柔性立管研制成功，將使我國打破國外企業(yè)對深海柔性立管的壟斷，提高海上油氣資源開采能力，加速我國海洋石油的開發(fā)步伐。產(chǎn)品國產(chǎn)化也將大大降低海上油氣開采成本，創(chuàng)造更多經(jīng)濟價值。

[1] American Petroleum Institute. API SPEC 17J. Specification for unbonded flexible pipe[S]. 2008.

[2] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe[S]. 2008.

[3] International Organization for Standardization. ISO 13628-2. Petroleum and natural gas industries—design and operation of subsea production systems. Part 2: unbonded flexible pipe systems for subsea and marine application[S]. 2006.

[4] Det Norske Veritas. DNV-OS-F201. Dynamic risers[S]. 2001.

[5] Det Norske Veritas. DNV-OS-E301. Position mooring[S]. 2008.

[6] Det Norske Veritas. DNV-RP-C205. Environmental conditions and environmental loads[S]. 2007.

[7] Det Norske Veritas. DNV-OS-F101. Submarine pipeline systems[S]. 2012.

[8] Det Norske Veritas. DNV-RP-C103. Column stabilized units[S]. 2005.

[9] American Petroleum Institute. API RP 2SK. Recommended practice for design and analysis of station-keeping systems for floating structures[S]. 2005.

GlobalPerformanceAnalysisforDeepwaterFlexibleRiser

LU Cheng-lin1, LI Lan1, SONG Ping-na1, CAO Jing2, SHA Yong2, ZHOU Wei-wei2

(1.NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Ocean flexible pipe is of great importance in ocean oil resource exploitation. Due to its outstanding capability of erosion resistance, terrain adaptability, long continuous length and convenient installation, flexible pipe is gradually replacing traditional steel pipe. Flexible riser has been widely used among foreign countries to connect the floating structures to underwater production system of deepwater oil/gas field. However, there is no design and manufacturing technology in China for deepwater flexible pipe. Here we focus on the introduction of analysis method on the global performance of flexible pipe in-place condition. Taking riser parameters, environmental conditions, parameters of the floating production, storage and offloading system, and the riser shape as input parameters, static analysis, dynamic analysis, regular wave analysis and irregular wave analysis can be performed using certain software. Based on the analysis results, one can easily judge whether the designed riser can meet the application requirements.

marine oil and gas pipeline; flexible riser; composite flexible pipe; floating production, storage and offloading; mooring analysis; global analysis

TE832

A

2095-7297(2015)02-0088-05

2015-03-24

國家科技重大專項(2011ZX05026-005)

魯成林(1989—)，男，助理工程師，主要從事海洋工程和海洋軟管方面的研究。