深水鋼懸鏈線立管安裝方案對比

于衛(wèi)紅，趙志朋，郭　亮

(太重(天津)重型裝備科技開發(fā)有限公司，天津 300457)

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深水鋼懸鏈線立管安裝方案對比

于衛(wèi)紅，趙志朋，郭亮

(太重(天津)重型裝備科技開發(fā)有限公司，天津 300457)

為掌握SCR在海底提升過程中的動力特性，得到控制安裝作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)，基于Euler-Bernoulli梁的復(fù)雜彎曲理論，采用兩種不同的操作方案(非耦合方案和耦合方案)對海底提升(Pick Up)進行分析，結(jié)果表明，非耦合方案安裝過程簡單、便于控制，但絞車張力要求和張力波動較大，且SCR的應(yīng)力/應(yīng)變極值難于控制；耦合方案操作快、用時短，絞車張力及SCR整體應(yīng)力/應(yīng)變水平都得到了良好的控制。因此，深水和大管徑/壁厚的或需充水安裝的SCR應(yīng)選擇耦合方案，而淺水和小管徑/壁厚的SCR應(yīng)力水平低、對絞車張力要求低，可采用非耦合方案。

鋼懸鏈線立管；深水立管安裝；海底提升；耦合；OrcaFlex

鋼懸鏈線立管(SCR)與浮式平臺系統(tǒng)通常被認(rèn)為是典型的深水開發(fā)系統(tǒng)[1-2]，SCR與浮式平臺通過柔性接頭(Flexible Joint)安裝于平臺外側(cè)，立管自由懸掛形成懸鏈線形狀，該系統(tǒng)使用水深可超過3 000 m。由于作業(yè)水深增加，浪、流等海洋環(huán)境條件更為復(fù)雜，且SCR長度及管徑日益增大，在施工船運動和環(huán)境條件的共同作用下，SCR在安裝過程中要承受靜水壓力、張力和彎矩等的聯(lián)合作用，通常會表現(xiàn)出復(fù)雜的動力特性，其安全性受到很大威脅。為此，采用OrcaFlex軟件對深水SCR安裝的關(guān)鍵步驟——海底提升(Pick Up)進行仿真研究，基于兩種不同的操作方案(非耦合方案和耦合方案)，對SCR在提升過程中的動力特性和關(guān)鍵控制參數(shù)進行分析，得到了兩種方案的優(yōu)缺點和適用范圍，為深水SCR安裝提供參考依據(jù)。

1　SCR安裝方法

SCR安裝的主要任務(wù)是由鋪管船鋪設(shè)后，通過柔性接頭完成與平臺的懸掛連接。SCR安裝包括預(yù)鋪設(shè)和平臺連接兩部分，根據(jù)鋪設(shè)和平臺就位的先后順序以及鋪設(shè)開始的位置，SCR常用的安裝方法分為后鋪設(shè)法(post-lay)、后建造法(post-construct)和預(yù)鋪設(shè)法(pre-lay)三種[3]。后鋪設(shè)法及后建造法均是在平臺安裝就位后，從近平臺端或遠(yuǎn)平臺端開始SCR鋪設(shè)與安裝。本文分析針對預(yù)鋪設(shè)法，即平臺就位前完成SCR鋪設(shè)，通過棄管操作將立管臨時放置到海底，當(dāng)平臺就位安裝完成后，由遠(yuǎn)平臺端進行海底提升及回收管操作等最終將SCR安裝到平臺上。采用預(yù)鋪設(shè)法時，Spar平臺的SCR安裝包括以下步驟[4-10]。

1)鋪管：采用S形鋪管法、J形鋪管法、卷管式鋪管法或拖曳式鋪管法按設(shè)計路由進行鋪管。

2)末端棄放：鋪管結(jié)束后，通過收棄絞車將SCR末端下放至海底，整根SCR暫時鋪于海底。

3)海底提升：平臺就位后，通過收棄絞車將SCR末端從海底提升至Spar龍骨下合適高度。

4)穿越拖拉：將SCR在提升的高度上從平臺的一側(cè)穿越平臺底部傳遞到平臺的另一側(cè)。

5)懸掛：將SCR通過柔性接頭懸掛于Spar平臺外側(cè)。

在以上安裝步驟中，海底提升時SCR要受施工船移船速度、絞車收纜速度等影響，還要承受環(huán)境荷載和海床等的耦合作用，動力特性較為復(fù)雜，是最具挑戰(zhàn)性和直接威脅作業(yè)安全性的安裝步驟。根據(jù)移船與收纜操作是否同步，將海底提升操作分為非耦合和耦合兩種方法完成[11]。

非耦合方法：移船與收纜操作不同步。

1)移動施工船到預(yù)定位置。

2)保持施工船位置不動，絞車進行收纜。

3)保持纜繩長度不變，移動施工船到下一位置。

4)重復(fù)以上步驟，直至SCR被提升至預(yù)定高度。

耦合方法：移船與收纜同步操作。

1)移動施工船到預(yù)定位置。

2)絞車收纜的同時進行移船操作，直至SCR被提升至預(yù)定高度。

2　分析理論及方法

SCR安裝分析依據(jù)的是梁的彎曲理論，由于SCR屬于細(xì)長結(jié)構(gòu)，因此忽略其剪切變形。SCR的彎曲振動問題可采用Euler-Bernoulli梁的復(fù)雜彎曲理論，其控制方程有集中質(zhì)量法、有限差分法和有限元法等多種求解方法，本文采用有限元方法進行求解。

海底提升(Pick up)分析采用OrcaFlex軟件，分析模型主要包括SCR、收棄絞車和施工船等。此外，模型中還包括浮式平臺，以確認(rèn)管線與平臺之間的間隙，保證安裝過程中不會發(fā)生碰撞。

SCR采用LINE單元模擬，觸地點受力較為復(fù)雜且位置會隨時間發(fā)生變化，應(yīng)力/應(yīng)變值變化較大，而OrcaFlex軟件給出的單元內(nèi)結(jié)果為相鄰兩結(jié)點結(jié)果的平均值，因此懸垂段區(qū)域單元應(yīng)進行細(xì)化。施工船和Spar均由VESSEL單元模擬，該單元可直接輸入平臺的運動RAO來得到運動響應(yīng)，也可輸入平臺的荷載RAO和水動力系數(shù)由軟件自行求得運動響應(yīng)。施工船上設(shè)有收棄絞車，用于提升或下放SCR，該絞車采用WINCH單元進行模擬，通過分時間段進行參數(shù)設(shè)置來模擬SCR在不同階段的變速提升。

3　海底提升分析

3.1分析參數(shù)

依托于Spar平臺對一14 in的SCR進行海底提升安裝分析。SCR海底提升安裝分析將采用非耦合和耦合兩種方法，其目的是對兩種安裝方法進行比較，得到SCR在海底提升過程中的動力特性和控制安裝作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)，最終給出兩種方案的優(yōu)缺點和適用范圍，為深水SCR提升方案選擇提供指導(dǎo)。SCR參數(shù)見表1，施工船采用HYSY201，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表2，Spar平臺為第二代Truss Spar平臺，作業(yè)水深為1 500 m，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表3。

表1　SCR的物理和幾何參數(shù)

表2　施工船的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

表3　Spar平臺的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

3.2安裝分析

參考墨西哥灣工程項目結(jié)論，將SCR懸垂段觸地點最大彎曲應(yīng)變控制在0.15%范圍內(nèi)，且收棄絞車應(yīng)具有足夠的張力能力，以控制懸垂段的曲率，使SCR的應(yīng)力/應(yīng)變水平滿足設(shè)計要求[11]。為了便于收棄絞車?yán)|繩與預(yù)鋪設(shè)于海底的SCR端頭提升鎖具的連接，在海底提升操作開始時刻，施工船將位于提升鎖具的正上方，待連接完畢且經(jīng)ROV檢查可靠后，使施工船遠(yuǎn)離Spar平臺，以提供足夠的水平張力，此操作方案中施工船與Spar平臺距離為2 205 m。

兩種方案的提升操作均分為14個階段完成，非耦合方案的每一階段移船速度為1.2 m/s，時間為250 s，每一階段收纜速度為0.94 m/s，時間為250 s。海底提升操作結(jié)束時，吊頭(Pull-head)位于水下320 m，且應(yīng)保證施工船與Spar平臺間30 m的間距，以防止碰撞。采用耦合方案安裝時，安裝船勻速向Spar方向移動，同時勻速收纜，移船速度與收纜速度與非耦合方案相同。兩種方案下海底提升的SCR位形見圖1。

圖1　下海底提升的SCR位形圖

3.3結(jié)果及分析

海底提升過程中，SCR的應(yīng)力/應(yīng)變水平和絞車張力水平?jīng)Q定著操作方案的可行性和優(yōu)劣。兩種方案下的Pull-head高度時程曲線見圖2。

圖2　下Pull-head高度時程

從圖2可以看出在施工船不動/絞車收纜的階段Pull-head被抬升，在施工船移位/絞車?yán)|索不動的階段Pull-head高度又有所下降，因此采用非耦合方案時，Pull-head高度存在波動。采用耦合方案時，施工船移位與絞車收纜同步進行，故SCR的Pull-head被持續(xù)抬升，直至到達預(yù)定位置，見圖4。

兩張方案下整個提升過程中絞車(A&R)張力時程見圖3。

圖3　下絞車 (A&R) 張力時程

可以看出，圖3b)中張力逐漸地增加，而圖3a)中張力出現(xiàn)劇烈的波動。這是因為A&R絞車張力波動主要是由提升過程中SCR懸垂段自重引起的，由環(huán)境載荷引起的張力變化影響很小。當(dāng)采用非耦合方案時，由于Pull-head高度的波動(見圖2a))，引起懸垂段長度的變化，從而引起絞車張力的劇烈波動。管線振動及張力波動對絞車本身和SCR應(yīng)變控制都非常不利，在實際工程中應(yīng)重點控制。比較圖3a)、b)，可以得出非耦合方案中絞車的張力極值要大于耦合方案，這表明非耦合安裝方案需要較大的張力，對絞車張力的要求更加嚴(yán)格，尤其是深水管線和管徑/壁厚較大的管線安裝時。

兩張方案下整個提升過程中SCR最大彎曲應(yīng)變的分布見圖4。

圖4　兩種方案下SCR最大應(yīng)變分布

從圖4可以看出，與張力時程曲線類似，非耦合方案下SCR的彎曲應(yīng)變分布也存在波動和突變，且SCR的彎曲應(yīng)變極值和整根管線的應(yīng)變水平均要大于耦合方案。提升過程中SCR最大彎曲應(yīng)力的分布趨勢與應(yīng)變曲線類似。對于深水管線和管徑/壁厚較大的管線，采用非耦合方案操作時，觸地點處應(yīng)變的控制難度較大。

4　結(jié)論

已有研究結(jié)果[11]指出非耦合和耦合方案均廣泛應(yīng)用于工程項目中，但僅給出非耦合方案下的SCR的應(yīng)力水平，并未對兩種方案的選擇給出結(jié)論。本文計算結(jié)果表明：耦合方案中絞車張力及SCR整體應(yīng)力/應(yīng)變水平都相對較低；非耦合方案中應(yīng)力/應(yīng)變極值及SCR整體應(yīng)力/應(yīng)變水平均要大于耦合方案，絞車張力存在較大的波動和突變，這對絞車和SCR都非常不利。因此，深水和大管徑/壁厚的或需充水安裝的SCR應(yīng)選擇耦合安裝方案；而淺水和小管徑/壁厚的SCR應(yīng)力水平低、對絞車張力要求低，可采用非耦合方案。本文操作數(shù)據(jù)及對比結(jié)論可為深水SCR安裝方案制定提供參考依據(jù)。耦合方案操作快、用時短，但移船和收纜操作耦合，需事先通過大量的分析才能確定合理的方案。

[1] LI Zhi-gang, WANG Cong, HE Ning， et al. An overview of deepwater pipeline laying technology[J]. China Ocean Engineering, 2008,22(3):521-532.

[2] MILIOU A, SHERWIN S J, GRAHAM J M R. Fluid dynamic loading on curved riser pipes[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering , 2003,125(3):176-182.

[3] MENIER P. Devils tower export lines: 160 Miles of 18’ OD Reeled Rigid Pipe[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 2003.

[4] LEFFLER W L, PATTAROZZI R, STERLING G. Deepwater petroleum exploration & production[M]. USA, PennWell Corporation, 2003.

[5] BEN C. GERWICK, JR. Construction of Marine and Offshore Structures[M]. USA, CRC Press, 2007.

[6] BAI Y, BAI Q. Subsea Pipelines and Risers[M]. Great Britain, Elsevier Ltd, 2005.

[7] HANSEN V, SODAHL N, AAMLID O, et al. Reeling and J-lay installation of SCR's on roncador field[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, OTC, Houston, 2001.

[8] PHIFER E H, KOPP F, SWANSON R C, et al. Design and installation of auger steel catenary risers[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 1994.

[9] KOPP F, LIGHT B D, PRELI T A, et al. Design and installation of the na kika export pipelines, flowlines and risers[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 2004.

[10] JEFFERIES A T, DESALOS A P, VAN DER LINDEN C. Matterhorn export pipeline and steel catenary riser design, fabrication, and installation[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 2004.

[11] WANG X, ZHOU X, GINNARD A J, et al. Installation method evaluation of export SCRs[C]∥Offshore Technology Conference, Houston, 2001.

Comparison of Deepwater SCR Installation Plan

YU Wei-hong, ZHAO Zhi-peng, GUO Liang

(TZ (Tianjin) Heavy Equipment Technical Development Company, Tianjin 300457, China)

In order to obtain the dynamic characteristic and critical controlling factors, complex bending theory of Euler-Bernoulli beam is used to study the pick up procedure based on un-coupled method and coupled method. The results show that the uncoupled method requires much higher tension capacity of A&R winch, and there exists abrupt fluctuation of tension and high level strain/stress of SCR. For the coupled scenario, tension of A&R winch and strain/stress of pipe are all well controlled. Therefore, un-coupled method is more suitable for shallow water installation and SCR with small diameter/thickness, and coupled method should be selected for deepwater installation and SCR with large diameter/thickness.

SCR; deepwater installation; pick up; coupled; OrcaFlex

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.039

2015-08-05

2015-11-07

于衛(wèi)紅(1985-)，女，碩士，工程師

U674.38；P751

A

1671-7953(2016)01-0182-04

研究方向:深海浮式結(jié)構(gòu)及其立管、系泊系統(tǒng)動力

E-mail:xiao_wei1985@163.com