水下井口頭在張力腿平臺頂張式立管作用下的疲勞分析和參數(shù)比較

張 寧,冒家友,陽建軍

[中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067]

水下井口頭在張力腿平臺頂張式立管作用下的疲勞分析和參數(shù)比較

張 寧,冒家友,陽建軍

[中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067]

張力腿平臺(TLP)通過頂張式立管和水下井口頭的結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)了干式采油在深水浮式平臺中的應(yīng)用。其中水下井口頭將會受到頂張式立管給井口頭施加的持續(xù)荷載，需要對其抗疲勞性能進(jìn)行校核。以南海某TLP項(xiàng)目為基礎(chǔ)，在對該項(xiàng)目井口頭系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹后，從長期疲勞分析和單個極端事件疲勞分析兩個方面，對疲勞分析進(jìn)行闡述。然后對影響疲勞分析的幾個關(guān)鍵要素進(jìn)行對比與分析，包括導(dǎo)管頭尺寸和焊接疲勞曲線選擇等。該研究可為其他深水油氣田的開發(fā)提供參考與借鑒。

頂張式立管；水下井口頭；長期疲勞；單個極端事件疲勞；焊接疲勞曲線

0 引 言

張力腿平臺(TLP)通過頂張式立管(TTR)和水下井口頭的結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)了干式采油在深水浮式平臺中的應(yīng)用，其中TLP水下井口頭可以使用常規(guī)水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的井口頭形式[1]。但由于TLP會通過頂張式立管給井口頭施加持續(xù)的載荷，使得TLP水下井口頭的疲勞響應(yīng)和常規(guī)水下項(xiàng)目的水下井口頭的不盡相同，特別在長期疲勞和單個極端事件疲勞分析方面。在國外，尤其是在墨西哥灣海域，TLP加TTR的生產(chǎn)模式已經(jīng)大量推行，對應(yīng)的工程分析能力已經(jīng)趨于成熟化。在國內(nèi)，半潛式鉆井船隔水管加水下井口頭的理論分析計(jì)算已經(jīng)較為成熟，但是TLP相對半潛式鉆井船來說屬于一個永久系泊系統(tǒng)，TTR施加在井口頭上的疲勞響應(yīng)大不相同，再加上國內(nèi)還沒有使用TTR的生產(chǎn)性項(xiàng)目，所以國內(nèi)的分析能力離實(shí)際的工程應(yīng)用尚有一段距離。

本文以南海某TLP項(xiàng)目為基礎(chǔ)，在對該項(xiàng)目井口頭系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹后，從長期疲勞分析和單個極端事件疲勞分析兩個方面，對疲勞分析進(jìn)行闡述。然后對影響長期疲勞分析的幾個關(guān)鍵要素進(jìn)行對比與分析，包括導(dǎo)管頭尺寸和焊接疲勞曲線選擇等幾方面，并給出相應(yīng)的優(yōu)化方法。

1 某TLP井口頭系統(tǒng)簡介

該TLP位于南海東部，水深約404 m，具有12個井槽，計(jì)劃使用12根單層生產(chǎn)立管，每根生產(chǎn)立管通過水下連接器和水下井口頭連接，水下井口頭將承受TLP在操作/極端/生存工況下的所有荷載。具體情況參考圖1。該TLP項(xiàng)目對應(yīng)的井身結(jié)構(gòu)為30英寸×20英寸—13-3/8英寸×9-5/8英寸(1英寸=2.54 cm), 導(dǎo)管頭出泥高度為2.2 m，井口頭安裝誤差為±0.6 m, 平臺和水下井口之間的間距均為4.5 m，平臺井口離水下井口頭高度為440 m，其中30英寸的導(dǎo)管將采用兩種壁厚的形式來減輕安裝重量。

由于生產(chǎn)立管和井口頭是永久連接，不能像半潛式平臺一樣實(shí)現(xiàn)隔水管和水下防噴器的應(yīng)急解脫。所以TLP在所有環(huán)境工況下產(chǎn)生的運(yùn)動載荷，均將通過TTR施加在井口頭上，雖然立管通過張緊器，能和TLP實(shí)現(xiàn)半耦合，但是和水下生產(chǎn)系統(tǒng)中所使用的井口頭相比，TLP項(xiàng)目所使用的井口頭在疲勞分析上具有以下不同點(diǎn)：

(1) 井口頭需要長期承受頂張式立管底部張力，而在水下生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目中，井口頭通常只承受水下防噴器(BOP)施加的壓力。

(2) 由于井口頭將承受平臺所傳遞的載荷，且TTR底部不具有球接頭(僅有應(yīng)力短節(jié))，TLP的運(yùn)動響應(yīng)將對井口頭施加很大的彎矩，其30英寸導(dǎo)管需要使用強(qiáng)度較高的管材。一般水下項(xiàng)目使用API 5L X56，但是本項(xiàng)目需要使用X70，這將對管材的焊接提出較高的要求。

圖1 生產(chǎn)立管布置Fig.1 Layout of production TTR

通過以上不同點(diǎn)可以看出TLP項(xiàng)目中的水下井口頭需要考慮長期疲勞和短期極端事件(例如臺風(fēng)情況)所產(chǎn)生的疲勞。另外由于篇幅有限，本文僅對波浪與浮體運(yùn)動引起的疲勞損傷進(jìn)行評估，而對海流引起的渦激振動疲勞不進(jìn)行具體介紹。

2 TLP水下井口頭長期疲勞分析

對于長期疲勞分析，首先要確定水下井口頭中幾個典型的疲勞熱點(diǎn)。該項(xiàng)目的幾個典型疲勞熱點(diǎn)如圖2所示，主要集中在最外部的30英寸導(dǎo)管上。疲勞熱點(diǎn)1為高壓井口頭和導(dǎo)管頭的機(jī)械連接，疲勞熱點(diǎn)2為導(dǎo)管頭和導(dǎo)管的焊接部分，疲勞熱點(diǎn)3為導(dǎo)管和導(dǎo)管快速連接器之間的焊接部分，疲勞熱點(diǎn)4為導(dǎo)管連接器之間的連接。對于疲勞熱點(diǎn)1和4，其抗疲勞能力是由井口頭廠家產(chǎn)品本身的能力來決定的，其對應(yīng)的疲勞曲線一般都能達(dá)到C級以上，應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)能控制在1.6以下，根據(jù)以往水下項(xiàng)目的分析經(jīng)驗(yàn)，其往往不是起控制因素的疲勞熱點(diǎn)。但是對疲勞熱點(diǎn)2和3，其受焊接質(zhì)量的影響較大，所以下文將著重分析這兩個疲勞熱點(diǎn)。

該項(xiàng)目的30英寸導(dǎo)管采用變壁厚設(shè)計(jì)，具體規(guī)格如表1所示。

圖2 水下井口頭疲勞熱點(diǎn)Fig.2 Fatigue critical points for subsea wellhead

表1 30英寸導(dǎo)管規(guī)格Table 1 Specifications of 30 inch conductor

通過ABAQUS建立水下井口頭以及頂張式立管的有限元模型，該模型從TLP生產(chǎn)立管張緊器的懸掛點(diǎn)開始，到海底泥面60 m以下為止，相關(guān)信息如圖3(a)所示。水下井口頭、頂張式立管均認(rèn)為是管件，軟件定義了不同組件的質(zhì)量、剛度和拖曳力系數(shù)，同時相對泥面-60 m以上的土壤采用非線性彈簧單元，相應(yīng)的p-y曲線如圖3(b)所示。分析采用時域分析的方法，通過輸入船體的運(yùn)動響應(yīng)，以及波浪與海流對立管直接作用的荷載。通過軟件計(jì)算得到的立管與井口頭運(yùn)動響應(yīng)歷程，轉(zhuǎn)化為其各節(jié)點(diǎn)的彎矩(彎曲應(yīng)力)。

下面對模型運(yùn)動響應(yīng)與彎曲應(yīng)力的轉(zhuǎn)化進(jìn)行簡單介紹。應(yīng)力與彎矩的關(guān)系為

(1)

式中：σ為某點(diǎn)的應(yīng)力；E為彈性模量；y為管單元節(jié)點(diǎn)到中性軸的距離；1/R為曲率(即運(yùn)動響應(yīng)的二階導(dǎo)數(shù))。這樣就建立起了應(yīng)力和響應(yīng)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

圖3 疲勞分析模型和土壤p-y曲線Fig.3 Fatigue analysis model and soil p-y curve

通過參考BS 7608-93版[2]，可以根據(jù)下式對疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算：

lgN=lga-mlg(FSC×S0),

(2)

式中：N為導(dǎo)致疲勞的循環(huán)載荷次數(shù)；a與m分別為S-N曲線的特征疲勞強(qiáng)度常數(shù)與疲勞指數(shù)；FSC為應(yīng)力集中系數(shù);S0為應(yīng)力變化范圍(應(yīng)力幅),其值可以通過上文的時歷響應(yīng)轉(zhuǎn)換函數(shù)得出。由于每年內(nèi)不同海況的分布是已知的，所以一年內(nèi)不同海況組合所導(dǎo)致的長期疲勞損傷也能通過Miner定理進(jìn)行計(jì)算。一年內(nèi)不同海況的部分組合可參考表2。

對于SCF，可以通過DNV-RP-C203[3]中給出的公式進(jìn)行計(jì)算。由于30英寸導(dǎo)管采用不等壁厚進(jìn)行計(jì)算，需要對原公式進(jìn)行修正：

(3)

式中：δm為最大錯位距離(約為3 mm)；δt為壁厚不一致所導(dǎo)致的偏心；δ0為對焊所導(dǎo)致的最大錯位距離；T為最大壁厚；t為最小壁厚。

通過上述計(jì)算方法，可以得出井口頭幾個疲勞熱點(diǎn)對應(yīng)的疲勞壽命，如表3所示。其中安全系數(shù)取10，每口井最小設(shè)計(jì)壽命為20年。從表3可以看出，熱點(diǎn)2的疲勞壽命最低，略低于20年的設(shè)計(jì)壽命要求。另外可以看出疲勞主要發(fā)生在相對泥面-10 m以上的地方，例如熱點(diǎn)3和熱點(diǎn)4雖然是疲勞熱點(diǎn)，但是因?yàn)槠淙肽嗌疃容^大，疲勞壽命大大高于平均水平。

3 TLP水下井口頭單個極端事件疲勞分析

如API RP 2T[4]所述，TLP的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行單個極端事件的疲勞校核。所謂單個極端事件引起的疲勞，指的是單個的極端環(huán)境條件(例如臺風(fēng))，作用在TLP或者TLP的某個組件上，而引起的短時間高強(qiáng)度疲勞。需要注意的是該疲勞損傷不和長期疲勞損傷相疊加，僅作為一個能力校核。

對于本項(xiàng)目中的水下井口頭，單個極端事件定義為100年一遇的波浪施加在船體上引起的船體運(yùn)動響應(yīng)施加在生產(chǎn)立管上后，進(jìn)而耦合到井口頭上的事件。在單個極端事件下，井口頭在短時間內(nèi)將承受高強(qiáng)度以及高頻次的循環(huán)載荷，雖然強(qiáng)度校核能通過，但是往往會發(fā)生疲勞，有關(guān)單個極端事件的部分疲勞載荷如表4所示。流雖然也會引起船體的渦激運(yùn)動和立管的渦激振動，但是耦合到井口頭上的載荷會比較小，所以在本文中不考慮。

表2長期疲勞分析海況組合

Table2Seastatecombinationforlongtermfatigueanalysis

表3 30英寸導(dǎo)管疲勞損傷情況Table 3 Fatigue damage for 30 inch conductor

本項(xiàng)目單個極端事件疲勞分析的環(huán)境條件如圖4所示，該事件為最大波高為百年一遇極值的一條時程曲線，總持續(xù)時間為144 h，最大有義波高為13.6 m。分析方法可以參考上文的長期疲勞分析方法。分析結(jié)果如表5所示，其中安全系數(shù)取10，每口井最小設(shè)計(jì)壽命為6天。從表5可以看出，該井口頭在單個極端事件下的疲勞壽命能滿足要求，并且分布大致也與長期疲勞壽命類似，疲勞熱點(diǎn)2仍是疲勞分析中的最薄弱點(diǎn)。

表4 單個極端事件的部分疲勞載荷Table 4 Part of fatigue load under 100 year single event wave fatigue

圖4 單個極端事件時程曲線Fig.4 Run-up/down period for single event

表5 30英寸導(dǎo)管單個極端事件疲勞損傷情況Table 5 Single event fatigue damage for 30 inch conductor

4 疲勞分析關(guān)鍵參數(shù)比選

通過上述的長期疲勞分析和單個極端事件的疲勞分析，可以看出以下參數(shù)對疲勞分析有影響：導(dǎo)管尺寸選擇、焊接處疲勞曲線、焊縫的位置、井口形式等。下面從導(dǎo)管尺寸選擇、焊接疲勞等級選擇、井口形式選擇三個方面來進(jìn)行比選，并給出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

4.1 導(dǎo)管尺寸選擇

為了說明導(dǎo)管尺寸對井口頭長期疲勞的影響，選擇4種不同外徑和壁厚的導(dǎo)管來進(jìn)行敏感性分析，同時考慮D和F兩種疲勞曲線，疲勞熱點(diǎn)選擇熱點(diǎn)2。分析結(jié)果如圖5所示。4種導(dǎo)管的規(guī)格分別為：30英寸(外徑)×1.5英寸(壁厚)；36英寸(外徑)×1.5英寸(壁厚)；36英寸(外徑)×2.0英寸(壁厚)；38英寸(外徑)×2.0英寸(壁厚)。

由圖5可以看出，通過增大導(dǎo)管外徑和壁厚，可以降低熱點(diǎn)2處的疲勞壽命，尤其是外徑從30英寸變?yōu)?6英寸后，其疲勞損傷減少了82%。然而壁厚的增加，對于長期疲勞壽命的貢獻(xiàn)比較小，從圖中可以看出，同樣是36英寸外徑的導(dǎo)管，1.5英寸壁厚變?yōu)?英寸壁厚僅能減少50%的疲勞損傷。對于該TLP項(xiàng)目，30英寸導(dǎo)管上部采用1.5英寸壁厚的主要原因是為了增加井壁穩(wěn)定性以及滿足強(qiáng)度計(jì)算要求。如果未來對長期疲勞強(qiáng)度有更高的要求，那么可以考慮通過增加上部導(dǎo)管的外徑至36英寸，然后再通過大小頭和下部30英寸導(dǎo)管連接即可。由于使用大小頭也會導(dǎo)致應(yīng)力集中，尤其是大小頭焊縫附近，可以考慮使用2根36英寸導(dǎo)管，將大小頭以及相應(yīng)的焊縫布置在相對泥面-10 m以下，遠(yuǎn)離疲勞高發(fā)區(qū)。

圖5 不同尺寸導(dǎo)管的長期疲勞損傷Fig.5 Long term fatigue damage for various conductor sizes

需要注意的是，目前幾個主要廠家的導(dǎo)管頭均能和30英寸以及36英寸的導(dǎo)管進(jìn)行焊接，唯一的區(qū)別是導(dǎo)管頭下方焊接短節(jié)的尺寸，導(dǎo)管頭上部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兩個尺寸的通用設(shè)計(jì)。

4.2 焊接疲勞等級選擇

從上文可以看出，焊接處的疲勞對整個井口頭的疲勞分析影響最大，尤其是熱點(diǎn)2處的疲勞。為了說明焊接疲勞等級和SCF對井口頭長期疲勞的影響，該部分選擇熱點(diǎn)2作為分析點(diǎn)，對應(yīng)的導(dǎo)管尺寸為30英寸×1.5英寸， 疲勞等級選擇為BS 7608-93中的F～C級4種規(guī)格，同時SCF也選擇了1.3和1.1兩種規(guī)格，分析結(jié)果如圖6所示。可以看出在相同的SCF下，等級F所對應(yīng)的疲勞損傷為等級C的25倍。對于抗疲勞等級為F的焊縫，一般是指初始完成的單面焊狀態(tài)，焊縫也沒有經(jīng)過打磨處理，所以焊縫下的錯位和咬邊等缺陷都可能會造成斷裂延展，影響焊縫的抗疲勞性能。但是這樣對焊接作業(yè)的要求比較低，能簡化制造過程。

同樣根據(jù)DNV-RP-C203[3]的定義，如果焊縫的抗疲勞等級要達(dá)到C，環(huán)焊縫的內(nèi)徑和外徑部分均需經(jīng)過100%的無損探傷、熱處理以及打磨，另外在焊接過程中通過降低SCF，以及減少管子的制造誤差，均能提高焊縫處的抗疲勞性能。但是對于1.5英寸厚壁管的焊接，而且是APL 5L X70的材質(zhì)，會對焊接能力提出很高的要求。目前國外類似項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)外徑36英寸，壁厚1.5英寸，X80的管段和導(dǎo)管頭的焊接，但是需要在專業(yè)的焊接廠家進(jìn)行，而且需要十分嚴(yán)格的全尺寸疲勞測試。

圖6 不同焊接疲勞等級下的長期疲勞損傷Fig.6 Long term fatigue damage for various weld clarification

對于上文所說的熱點(diǎn)2和熱點(diǎn)3，由于熱點(diǎn)2部分的焊接可以在井口頭廠家完成，通過選擇有資質(zhì)的廠家，可以使得焊縫的抗疲勞等級達(dá)到C，同時SCF能達(dá)到1.1。但是對于熱點(diǎn)3的位置，目前都是在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)焊接，所以進(jìn)行長期疲勞分析時，最好選擇等級D以下的抗疲勞等級。

4.3 井口頭形式選擇

目前國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)或探井中所使用的水下井口頭均為標(biāo)準(zhǔn)的通用井口頭，高壓井口頭和導(dǎo)管頭之間只有一個限制了軸向位移的限位環(huán)，至于徑向上位移的限制僅通過高壓井口頭和導(dǎo)管頭之間較小的配合間隙來實(shí)現(xiàn)。在水下項(xiàng)目中，由于隔水管和防噴器之間有球接頭的存在，隔水管產(chǎn)生的彎矩大部分不會耦合到井口頭上。

但是對于TLP項(xiàng)目，頂張式立管會將很大的彎矩傳遞到井口頭頂端，如果高壓井口和導(dǎo)管頭之間的配合不是很緊密的話，則很容易發(fā)生疲勞損傷。目前TLP和深水單立柱式平臺(SPAR)所使用的水下井口頭均具有預(yù)緊功能[5]，也就是說在安裝高壓井口頭到低壓井口頭內(nèi)的時候，可以通過專用的工具將預(yù)緊裝置安裝到高壓井口頭和低壓井口頭之間的環(huán)空內(nèi)，如圖7所示。目前國際上幾大水下系統(tǒng)公司均能提供該設(shè)計(jì)，一般預(yù)緊力為6 672～8 896 kN。所以在井口頭形式的選擇上，需要考慮使用這種帶有預(yù)緊功能的井口頭，從而提高其抗疲勞性能。

圖7 高壓井口頭和導(dǎo)管頭之間的預(yù)緊機(jī)構(gòu)Fig.7 Lock-down mechanism between high pressure housing and conductor housing

5 結(jié) 語

分析計(jì)算表明，該TLP項(xiàng)目的井口頭能較好地滿足長期疲勞要求和單個極端事件下的疲勞壽命要求。對于這兩種疲勞分析，都能做到將對應(yīng)環(huán)境條件下的船體運(yùn)動通過生產(chǎn)立管耦合到井口頭上，有利于對井口頭的真實(shí)疲勞性能進(jìn)行評估。同時通過對導(dǎo)管頭尺寸、焊接疲勞等級進(jìn)行優(yōu)化，以及選擇合適的井口頭形式，能進(jìn)一步提高井口頭的疲勞壽命。

該技術(shù)的研究和應(yīng)用可為其他深水油氣田的開發(fā)提供很好的參考與借鑒。

[1] Dunn G. Dry tree top tensioned riser system [C]. OTC, 2013:24423.

[2] (British) Welding Standards Policy Committee. BS 7608. Fatigue design and assessment of steel structures [S].1993.

[3] Det Norske Veritas. DNV-RP-C203. Fatigue design of offshore steel structures [S].2012.

[4] American Petroleum Institute. API RP 2T. Planning, designing, and constructing tension leg platforms [S]. 2010.

[5] Hines F C, Jennings C E. Advancements in field installation of preloaded subsea wellhead systems for TLP and high-fatigue environment [C]. SPE，1991:23055.

FatigueAnalysisandParametersComparisonoftheSubseaWellheadunderApplicationofTLPTopTensionedRiser

ZHANG Ning, MAO Jia-you, YANG Jian-jun

(ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Tension leg platform (TLP) can have a dry tree access for the reservoir by the combination of top tensioned riser and subsea wellhead. Top tensioned riser will exert continuous cycling load over subsea wellhead, which will require the fatigue capacity check. After briefly introducing the subsea wellhead system in a TLP project, we demonstrate the main steps for the long term fatigue analysis and single event fatigue analysis. Then, a parameter sensitivity comparison is conducted, for which the size selection for conductor, the definition of fatigueS-Ncurve and the wellhead selection are considered. This application study can be used as a reference for the design of other similar TLP projects.

top tensioned riser; subsea wellhead; long term fatigue; single event fatigue;S-Ncurve

2015-09-30

張寧(1985—)，男，工程師，主要從事海洋工程水下生產(chǎn)系統(tǒng)方面的工作。

TE53

A

2095-7297(2015)05-0285-07