柔性立管線型分析與鋪設(shè)要點(diǎn)研究

薛士輝 彭勇 劉作榆 陳曉東 張亞雷

摘 要：柔性立管是連接浮式設(shè)備和水下設(shè)施的橋梁，用于輸送液體和氣體，具有非常關(guān)鍵的作用。隨著深水油氣開發(fā)的進(jìn)行，越來越多的柔性立管被應(yīng)用。本文對柔性立管線型進(jìn)行系統(tǒng)分析，并研究線型參數(shù)對其影響，另外針對陡波型柔性立管鋪設(shè)要點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)論述。本文既能為柔性立管選型與設(shè)計(jì)提供參考，也能為其鋪設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：柔性立管；線型設(shè)計(jì)；參數(shù)；鋪設(shè)

中圖分類號：TE53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

柔性立管是海洋油氣開發(fā)的重要裝備，常用于浮式生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)，連接平臺(tái)設(shè)備與海底設(shè)備，傳輸液體、氣體。柔性立管的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)70年代，隨著柔性管技術(shù)的迅猛發(fā)展，柔性立管在氣候惡劣的海域如北海等地區(qū)和深海領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，目前應(yīng)用的最大水深是3000m左右，全球約85%的動(dòng)態(tài)立管采用的是柔性立管。

柔性立管由多層非粘結(jié)結(jié)構(gòu)纏繞而成，其截面剛度較低，在波浪和海流作用下運(yùn)動(dòng)幅值較大，為避免在極端情況下發(fā)生立管與其它設(shè)施之間的碰撞干涉，需對柔性立管的線型進(jìn)行研究。柔性立管線型隨水深等環(huán)境條件變化而變化，至今基本的柔性立管線型有懸鏈線、緩波型、陡波型、緩S型和陡S型（如圖1所示）。五種基本線型具有各自特點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同海洋環(huán)境。此外為了增強(qiáng)柔性立管的適用性，在基本線型的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了改進(jìn)形式，如柔順波形、WAW型等。

柔性立管的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)技術(shù)被掌握在國外少數(shù)公司手中。其中著名的有Wellstream，Technip以及NKT。我國柔性管道相關(guān)技術(shù)研究起步較晚，立管制造技術(shù)和安裝技術(shù)都相對落后，商業(yè)化也遠(yuǎn)不如國外成熟。但隨著深海油氣的開發(fā)，尤其是南海油氣開發(fā)不斷深入，柔性立管的研究、制造和安裝已經(jīng)引起了越來越多的專家學(xué)者的注意和重視，也取得了很多重要的成果。

1 柔性立管線型分析

影響柔性立管線型的因素主要有6個(gè)，分別為：水深、浮體運(yùn)動(dòng)特性、所在海域的海況、油田布局、管纜物理力學(xué)性能和成本。

1.1 自由懸鏈線型

自由懸鏈線是指柔性立管一端固定懸掛在浮式設(shè)施上，管線在重力作用下形成懸鏈線的形式。

1.1.1 線型特點(diǎn)

懸鏈線適應(yīng)于中等環(huán)境下中等水深以淺區(qū)域，具有結(jié)構(gòu)簡單、無需張力補(bǔ)償、施工方便、成本較低、以及對浮體運(yùn)動(dòng)有較大的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。工作水深由上部浮體提供的張力及立管自身重量決定。水深較大，管線長度增加，會(huì)提高頂部懸掛點(diǎn)處張緊器的張力要求；水深較淺、工作環(huán)境惡劣或者浮式設(shè)施運(yùn)動(dòng)劇烈時(shí)，管線長度減小會(huì)減小設(shè)施和波浪動(dòng)態(tài)干擾沿管線傳播的阻尼，從而觸地點(diǎn)處的疲勞損傷增大，出現(xiàn)屈曲。

1.1.2 參數(shù)影響分析

當(dāng)懸掛位置和水深確定，自由懸鏈線的設(shè)計(jì)參數(shù)是脫離角度（如圖2所示）。隨脫離角的增大，管線懸空段長度增加，最大總張力增加，易造成頂部疲勞破壞。同時(shí)水平張力增大，既要求管抗拉能力提高，也要求海底靜態(tài)段長度增加以滿足縱向穩(wěn)定性，從而經(jīng)濟(jì)性降低。同時(shí)，脫離角越大，觸泥點(diǎn)區(qū)域受到的影響越小，能夠避免出現(xiàn)過度彎曲、壓屈和疲勞等問題。

1.2 緩波型和陡波型

在懸鏈線的基礎(chǔ)上，通過安裝一定數(shù)量浮子，使管線一段隆起，形成類似于波浪形狀的線型，稱為波型。波型線型可以分為緩波型和陡波型兩種。

1.2.1 線型特點(diǎn)

隆起段分離了立管的頂端與觸泥點(diǎn)，減弱浮式設(shè)施運(yùn)動(dòng)和波浪載荷對觸泥點(diǎn)的動(dòng)態(tài)干擾。同時(shí)浮力和重量都附加在立管上，減少了頂部懸掛張力對浮式設(shè)施的影響，可以適應(yīng)更大位移。緩波和陡波型都適應(yīng)淺水和深水，兩者的結(jié)構(gòu)都相對簡單，造價(jià)和安裝成本較低。

兩者相比較而言，緩波型海底基礎(chǔ)設(shè)施少，動(dòng)態(tài)響應(yīng)大，浮體的運(yùn)動(dòng)和立管流體密度改變會(huì)使線型傾向于改變；陡波型由于在海床增設(shè)海底基座和限彎器，線型更加容易保持，運(yùn)動(dòng)敏感，響應(yīng)良好，適宜擁擠海床。

1.2.2 參數(shù)影響分析

波型線型的設(shè)計(jì)參數(shù)有：頂端脫離角a、下懸鏈線段L1、分布式浮子段L2、上懸鏈線段L3及分布式浮子間距Sf，直徑Df，長度Lf，如圖5所示。

L3 段越短（淺波型），L2越靠近海面，受波浪和表層流的影響大，易與浮式設(shè)施底部發(fā)生碰撞，穩(wěn)定性差，并要求管有較小的彎曲半徑；L3越長（深波型），浮子越靠近海底，管在浮體升沉運(yùn)動(dòng)的牽動(dòng)下，浮子有可能和海床發(fā)生碰撞，連續(xù)持久撞擊使浮子受損。另外，深波型也會(huì)增大頂部懸掛張力要求。浮子的位置和尺寸是波型線型的高敏感參數(shù)，在滿足最小彎曲半徑的前提下，宜選用淺波型。增加Df可以減少對動(dòng)態(tài)立管頂部懸掛張力的要求，但可能過度彎曲和浮力過剩導(dǎo)致管底端拔離終端。

1.3 緩S型和陡S型

在懸鏈線的基礎(chǔ)上，通過安裝浮力模塊和固定在海床的結(jié)構(gòu)物，使立管形如S，稱為S型。S型線型可以分為緩S型和陡S型。

1.3.1 線型特點(diǎn)

S型中浮力模塊能夠緩沖浮式設(shè)施運(yùn)動(dòng)對觸泥點(diǎn)的影響，使觸泥點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)僅引起很小的張力變化。但該種布局形式布局復(fù)雜，安裝成本高。

兩者相比較而言，緩S型的適應(yīng)性較好，可以安裝在淺水至深水，整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)小，安裝相對簡單，但上部平臺(tái)與立管的分離較為復(fù)雜；陡S型適用于中等和深水區(qū)域，動(dòng)態(tài)響應(yīng)值較小，可以適用更惡劣的環(huán)境，上部平臺(tái)的分離操作更簡單，安裝成本較高。

一般在懸鏈線和波型不適應(yīng)下才考慮緩S型。S型所需要的安裝作業(yè)較為復(fù)雜：緩S型需要浮筒、牽索和牽索基座；陡S型在緩S的基礎(chǔ)上還需增加管匯和防彎器。當(dāng)浮式設(shè)施運(yùn)動(dòng)幅度較大時(shí)，緩S型的立管可能在觸泥點(diǎn)產(chǎn)生壓潰問題，此時(shí)可以考慮陡S型。另外陡S型在若干立管衛(wèi)星式回接時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。

1.3.2 參數(shù)影響分析

S型主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：脫離角a、浮筒高度Hf、浮筒與懸掛點(diǎn)的水平距離Df和浮筒浮力Ff，如圖8所示。

改變Hf時(shí)，需改變上、下兩段管的長度，以使立管形成具有一定曲率的S型。S型線型最大曲率出現(xiàn)在觸泥點(diǎn)，且淺S型布置大于深S型布置，可通過防彎器、限彎器和喇叭口等裝置緩和此處的曲率。

隨Df的增大，上段立管長度增大，頂部懸分離角增大，下段立管長度減小，線形變陡。柔性立管的下段管極值曲率隨Df的增大而增大，上段極值曲率隨Df的增大而減小。

Ff與浮筒尺寸相關(guān)，尺寸影響波浪與流對中水浮筒作用力的大小，從而影響動(dòng)力學(xué)特性（如回復(fù)周期）。立管觸泥點(diǎn)最大曲率和上段管末端的極值曲率隨Ff增加而增大。

2 波型線型優(yōu)化

波型線型優(yōu)化主要通過減小觸泥點(diǎn)的應(yīng)力和增強(qiáng)線型穩(wěn)定性兩方面實(shí)現(xiàn)，典型代表有：柔順波型、WAW型、雙波型等。

2.1 柔順波形

柔順波形是利用張力繩纜連接觸泥點(diǎn)的上部和觸泥點(diǎn)附近的錨，將觸泥點(diǎn)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到張緊狀態(tài)中的繩纜中，減小該處應(yīng)力。柔順波型能夠適用淺水到深水，也能適用較大范圍流體密度改變和船舶運(yùn)動(dòng)，兼有緩波型和陡波型的優(yōu)點(diǎn)。該線型下立管可以直接被回接至浮式設(shè)施下方的油氣井（如圖9所示中虛線段），在沒有其他船只支持下，修井作業(yè)也可進(jìn)行。但海底安裝較復(fù)雜，纜繩和立管連接部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，一般在懸鏈線和波形線型不可取的情況下考慮。

2.2 WAW型

WAW型是基于緩波型改進(jìn)而得，是在立管浮子段位置連接繩索和錨鏈。立管在正常位置時(shí)，錨鏈位于海床上；立管上浮時(shí)，錨鏈被拉起，重量增加，限制立管的上浮。此線型可以避免因管內(nèi)流體密度減小和上部平臺(tái)靠近立管末端所導(dǎo)致的柔性管上浮問題，但需考慮錨鏈的纏繞問題。

2.3 雙波型

雙波型是基于緩波型改進(jìn)而得，通過將立管上的一段浮子分成兩段來減小立管單位長度上的浮力，從而避免上部浮式設(shè)施運(yùn)動(dòng)而造成的立管上浮問題。

3 柔性立管鋪設(shè)要點(diǎn)

柔性管道適用卷盤或卷筒鋪設(shè)。張緊器履帶對管道施加徑向張力，提供摩擦力實(shí)現(xiàn)管道向下傳輸。柔性立管與靜態(tài)軟管鋪設(shè)最大不同在于浮力模塊安裝，此作業(yè)增加施工的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性，本文以陡波型為例分析柔性立管鋪設(shè)過程中的要點(diǎn)。

3.1 首端下放

首端鋪設(shè)根據(jù)開始位置不同分為從管匯端開始和從浮式設(shè)施開始。不同的開始方式會(huì)影響到下水橋的類型。

從管匯端開始鋪設(shè)時(shí)，水平式下水橋和立式入水橋都可行。此時(shí)需用到配重塊輔助以作為著力點(diǎn)。立式入水橋下放時(shí)，首端過下水橋入水，吊機(jī)起吊配重塊入水，ROV水下連接首端和配重塊。水平式入水橋下放時(shí)，甲板連接首端和配重塊，提高效率。下放首端和配重塊過程中需要ROV跟蹤監(jiān)視狀況，應(yīng)避免在水下設(shè)施正上方下放。

從浮式設(shè)施端開始鋪設(shè)時(shí)，需使用水平式入水橋，因?yàn)樵诎惭b浮子向管匯鋪設(shè)的過程中，軟管會(huì)上浮貼近水面，此時(shí)立式下水橋?qū)芫€不能起到控制作用。吊機(jī)下放首端一定水深，ROV連接首端和浮式設(shè)施臨時(shí)懸掛索具即可完成首端下放。

3.2 浮子安裝

在鋪設(shè)浮子段立管時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)問題：（1）水中柔性立管的方向和受力情況。立管安裝浮子之后，浪涌流影響顯著增大，偏離路由和管內(nèi)張力也隨之加劇。為避免管受力過大而把配重塊拉離設(shè)計(jì)位置或連接索具拉斷，需關(guān)注此時(shí)立管在水中的方向和受力情況。（2）在使用立式入水橋時(shí)，需關(guān)注立管與水橋的相對位置。在安裝設(shè)計(jì)中雖已明確浮子安裝位置、放管長度和同步移船距離，但由于現(xiàn)場施工復(fù)雜多變，并不能確保立管仍能與入水橋保持理想位置，往往出現(xiàn)管線上浮接近水面、柔性立管遠(yuǎn)離入水橋的現(xiàn)象。此時(shí)可以退船并釋放管，使柔性立管緊貼入水橋，以保證浮子的繼續(xù)安裝和持續(xù)鋪設(shè)。

3.3 防止打扭

將軟管盤入卷管盤或卷筒中時(shí)，會(huì)在管線內(nèi)累積扭矩，在鋪設(shè)時(shí)如果管中張力不足，在扭矩作用下會(huì)造成軟管打扭。為防止打扭，主要采取兩個(gè)方面措施加以控制：一是保持合理的鋪設(shè)Layback值。柔性立管始終保持一定的張力以控制和減少打扭的可能性；二是加強(qiáng)柔性立管鋪設(shè)過程中監(jiān)測

Layback值較小時(shí)，柔性立管張力相對較小，打扭可能性較大，觸泥點(diǎn)處的柔性立管彎曲會(huì)較大，可能會(huì)超過柔性立管最小彎曲半徑；Layback值較大時(shí)，柔性立管張力相對較大，打扭可能性較小，軸向拉力較大（必須小于柔性立管的最大允許軸向拉應(yīng)力），且著泥點(diǎn)離作業(yè)船較遠(yuǎn)，應(yīng)考慮ROV的飛行距離。

鋪設(shè)過程中需用ROV時(shí)刻監(jiān)測觸泥點(diǎn)。出現(xiàn)有打扭跡象時(shí)，需停止作業(yè)，查找原因，并對Layback和鋪設(shè)速度優(yōu)化；如果有兩臺(tái)ROV作業(yè)，可增設(shè)ROV對立管的中上部監(jiān)測，以便早期發(fā)現(xiàn)打扭并進(jìn)行預(yù)防。此外，在柔性立管鋪設(shè)時(shí)，需時(shí)刻監(jiān)測張緊器拉力值，卷盤、塔輪、放管速度、移船速度、設(shè)備間管的的松弛度等。而對于已經(jīng)產(chǎn)生打扭，可令船沿打扭反方向原地旋轉(zhuǎn)，緩解后，通過試漏檢測判斷管線情況。

結(jié)語

柔性立管線型是結(jié)合水深、浮體運(yùn)動(dòng)特性、所在海域的海況、油田布局、管纜物理力學(xué)性能和成本等綜合考慮的結(jié)果。懸鏈線、緩波型、陡波型、緩S型陡S型和相關(guān)優(yōu)化線型具有各自的適用情況和特點(diǎn)，在梳理和總結(jié)的同時(shí)，通過橫向?qū)Ρ群蛥?shù)分析，揭示五種基本線型間和同一線型不同參數(shù)下的異同及變化特點(diǎn)，為浮式設(shè)施柔性立管的選型提供參考。另外以陡波型鋪設(shè)為例，闡明鋪設(shè)過程中要點(diǎn)和解決措施，為柔性立管鋪設(shè)提供借鑒。

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