鋼懸鏈立管的敏感性分析與疲勞壽命預(yù)估

祝慶斌， 王 瑋， 康 莊， 劉小飛

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

鋼懸鏈立管的敏感性分析與疲勞壽命預(yù)估

祝慶斌， 王 瑋， 康 莊， 劉小飛

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

通過(guò)建立緩波型鋼懸鏈立管(Steel Catanary Riser,SCR)系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析有限元模型，在時(shí)域內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。在分析中，考慮系統(tǒng)懸鏈線(xiàn)的質(zhì)量、阻尼和流體加速度等隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的影響。通過(guò)分析管壁的厚度、浮力塊布置長(zhǎng)度、浮力塊外徑等重要參數(shù)對(duì)立管系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立并完善鋼懸鏈立管系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的敏感性分析。在原定參數(shù)的基礎(chǔ)上重新選定優(yōu)化后的參數(shù)，進(jìn)行疲勞分析，并預(yù)估其疲勞壽命，驗(yàn)證模型的合理性。

鋼懸鏈立管(SCR)；時(shí)域耦合分析；敏感性分析；疲勞壽命

0 引言

近年來(lái)，深海石油和天然氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)工作發(fā)展較快，深海資源的開(kāi)發(fā)利用可改善陸地資源日益稀缺的現(xiàn)狀。對(duì)于深海工程系統(tǒng)，立管系統(tǒng)是必不可少的，它是連接水上浮體與水下井口的唯一結(jié)構(gòu)，是海洋工程裝備中最重要的結(jié)構(gòu)之一。在眾多立管樣式中，鋼懸鏈海洋立管以其優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在深海油氣生產(chǎn)開(kāi)發(fā)這一工程難度較大的海工領(lǐng)域中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

BURKE[1]用梁的理論模擬立管，分析不同激振頻率下相關(guān)響應(yīng)的敏感度情況，發(fā)現(xiàn)由于水上浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)立管的動(dòng)力響應(yīng)，在任何水深下都應(yīng)該作為重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。白勇等[2]對(duì)Spar平臺(tái)配套的鋼懸鏈線(xiàn)式油氣輸送立管進(jìn)行分析探究，主要考慮渦流引起的水上浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和立管被迫運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生疲勞損傷的累積情況。秦偉等[3]推導(dǎo)出新型尾流振子模型，用于立管結(jié)構(gòu)雙向渦激振動(dòng)響應(yīng)的預(yù)報(bào)，并計(jì)算其時(shí)域下的疲勞損傷。

本文主要研究緩波型鋼懸鏈立管系統(tǒng)，運(yùn)用時(shí)域分析軟件OrcaFlex，建立其有限元的數(shù)值分析模型，在時(shí)域內(nèi)分別對(duì)西非作業(yè)海域鋼懸鏈立管運(yùn)行工況下，十年一遇的風(fēng)生浪、涌浪、風(fēng)和流組合工況進(jìn)行研究，并針對(duì)其研究現(xiàn)狀，選取相應(yīng)的參數(shù)(如：立管尺寸參數(shù)中管壁的厚度，立管布局參數(shù)中的浮力塊材料的外徑和長(zhǎng)度等)進(jìn)行敏感性分析。通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比，最終確定相應(yīng)參數(shù)，并應(yīng)用雨流法和S-N疲勞計(jì)算曲線(xiàn)進(jìn)行疲勞分析，預(yù)估疲勞壽命，驗(yàn)證其是否符合規(guī)范要求。

1 緩波型鋼懸鏈立管系統(tǒng)模型參數(shù)

鋼懸鏈立管的底端與海底工程設(shè)備相連，頂端通過(guò)撓性接頭與浮力筒相連，浮筒位于30萬(wàn)噸FPSO的船首。立管總長(zhǎng)1 714.5m，分為4類(lèi)：立管撓性連接、帶螺旋列板的立管、裸管和包裹浮力塊的立管，共352段，具體模型參數(shù)見(jiàn)表1。由于立管系統(tǒng)模型各個(gè)部位的受力情況和計(jì)算精度的要求不同，各部位的單元?jiǎng)澐忠膊煌?，最大的單元長(zhǎng)2.096m，最小的單元長(zhǎng)0.457m，模型如圖1所示。

表1 緩波型鋼懸鏈立管系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)參數(shù)

圖1 系泊浮筒及立管系統(tǒng)

立管所處環(huán)境為西非海域典型十年一遇的風(fēng)生浪、涌浪、風(fēng)和流的組合工況[4]。其中主涌的波浪譜為Gaussian Swell，風(fēng)浪的波浪譜為JONSWAP，譜峰提升因子γ取3.3，環(huán)境工況方向?yàn)?°，流是剪切流，西非海域海洋具體環(huán)境條件見(jiàn)表2。

表2 西非海域海洋環(huán)境條件

2 立管參數(shù)的敏感性分析

深海中的鋼懸鏈立管受復(fù)雜、多變和模糊性風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，在海風(fēng)、波浪和海流等環(huán)境載荷以及水上浮式平臺(tái)FPSO運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合作用下，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題十分復(fù)雜，需要詳細(xì)分析校核鋼懸鏈立管的尺寸參數(shù)和布局參數(shù)問(wèn)題，以滿(mǎn)足使用規(guī)范的要求。影響其性能的參數(shù)主要有：(1)環(huán)境因素。作業(yè)水深、海風(fēng)、波浪和海流等。(2)作業(yè)因素。管內(nèi)流體密度和與立管上部連接的相關(guān)浮式結(jié)構(gòu)的偏移等。(3)其他因素。浮力塊直徑及長(zhǎng)度、立管自身壁厚等有關(guān)尺寸參數(shù)和布局參數(shù)。

BURKE[5]和SPARKS[6]對(duì)立管的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，就環(huán)境參數(shù)和作業(yè)因素對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)產(chǎn)生的作用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。本文著重研究立管尺寸參數(shù)中的管壁厚度、布局參數(shù)中的浮力塊外徑和長(zhǎng)度對(duì)立管系統(tǒng)強(qiáng)度的相關(guān)作用，以確定最佳的鋼懸鏈立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，有效降低成本，保證緩波形鋼懸鏈立管系統(tǒng)作業(yè)達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，敏感性分析中各參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 敏感性分析中各參數(shù)取值

對(duì)鋼懸鏈立管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了時(shí)域耦合分析，得到了時(shí)域下系統(tǒng)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)、等效應(yīng)力、有效張力和彎矩隨系統(tǒng)長(zhǎng)度的變化值，選取其中有代表性的結(jié)果整理對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同參數(shù)時(shí)立管系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

從圖2中可以看出：壁厚、浮力塊長(zhǎng)度和浮力塊直徑對(duì)立管系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響均較大。

(1) 如圖2a所示：隨著立管壁厚的增加，有效張力和彎矩隨立管長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)一致，但有效張力和彎矩的數(shù)值均隨之變大；有效張力在浮力塊分段隨立管壁厚變化的改變不大，相差均在5%以?xún)?nèi)，但是在裸管部分，立管壁厚增加0.004 m，有效張力值增大可達(dá)15.4%；彎矩隨浮力塊分段管壁厚度的增加而減小，在裸管部分隨管壁厚度的增加而增大。

(2) 如圖2b所示：隨著立管浮力塊長(zhǎng)度的增加，有效張力和彎矩隨立管長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)一致；有效張力隨立管長(zhǎng)度的改變變化較小，相差在10%以?xún)?nèi)，但是隨著立管長(zhǎng)度的增大，有效張力值先減小后增大；彎矩隨著立管長(zhǎng)度的增大先增加后減小，彎矩的峰值變化較明顯。

(3) 如圖2c所示：隨著立管浮力塊直徑的增加，有效張力和彎矩隨立管長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)一致，有效張力數(shù)值隨之變小，彎矩的峰值也隨之減小；有效張力在浮力塊分段隨立管直徑變化的改變不大，但是在裸管部分，立管直徑增加0.03 m，有效張力值減小16%。這是因?yàn)榘迅×K和其包裹的立管看成一個(gè)整體時(shí)，其直徑的增大會(huì)在一定程度上增加相連立管材料的張力，相當(dāng)于一定程度上增加了立管系統(tǒng)的剛度，從而減小了變形。

綜上所述，在其他參數(shù)條件允許的前提下，立管壁厚應(yīng)盡量小，浮力塊的直徑應(yīng)盡量大，而浮力塊的長(zhǎng)度則比較復(fù)雜應(yīng)具體考慮。因此，按上述方法反復(fù)進(jìn)行大量計(jì)算對(duì)比最后選定立管的壁厚為0.046 8 m，外直徑為0.709 m，其他參數(shù)不變，估算這組參數(shù)下鋼懸鏈立管的疲勞壽命，以驗(yàn)證其合理性。

3 疲勞分析理論

該緩波型鋼懸鏈立管系統(tǒng)的疲勞壽命分析是在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行的。通過(guò)相關(guān)應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)和所設(shè)定應(yīng)力的數(shù)值范圍分析立管的疲勞損傷，所用到的基本S-N曲線(xiàn)[7]為

式中:N為在應(yīng)力幅的相關(guān)作用下鋼懸鏈立管因疲勞而產(chǎn)生失效時(shí)的循環(huán)總次數(shù)；S為應(yīng)力幅值；a和m是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到的和材料相關(guān)的常數(shù)。

應(yīng)力幅值范圍的計(jì)算式為

式中：S0為名義應(yīng)力范圍；SCF為應(yīng)力集中因子；(tfat/tref)k為厚度相關(guān)因子。

運(yùn)用Miner累積損傷理論的規(guī)則計(jì)算此緩波形鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)的疲勞損傷，表達(dá)式[8]為

式中:D為立管的疲勞損傷；n(Si)為設(shè)計(jì)壽命范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于應(yīng)力幅值Si的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)；N(Si)為第i個(gè)應(yīng)力幅下發(fā)生疲勞損傷失效時(shí)的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)。當(dāng)D=1時(shí)，結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生破壞。因此，可以定義結(jié)構(gòu)的疲勞壽命為

4 疲勞壽命計(jì)算

依據(jù)DNV規(guī)范要求，疲勞計(jì)算選用DNV-RP-C203中的S-N曲線(xiàn)，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 S-N曲線(xiàn)參數(shù)

運(yùn)用S-N曲線(xiàn)，輸入不同有義波高條件下的平均跨零周期，見(jiàn)表5，計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)疲勞分析圖如圖3所示。

表5 不同有義波高條件下的平均跨零周期

圖3 運(yùn)動(dòng)疲勞分析圖

由圖3可以看出：整個(gè)曝光時(shí)間1年，在所示工況下，立管的疲勞壽命約為531年，符合規(guī)范要求。

5 結(jié)論

該文運(yùn)用水動(dòng)力軟件OrcaFlex，考慮風(fēng)、浪、流3方面的共同作用，建立了鋼懸鏈立管系統(tǒng)時(shí)域耦合分析方法，對(duì)比分析了管壁厚度、浮力塊外徑和布置長(zhǎng)度等不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，并預(yù)估了最終選定參數(shù)下系統(tǒng)的疲勞壽命。結(jié)論如下：

(1) 在其他參數(shù)定性或定量的情況下，在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，管壁的厚度越大，系統(tǒng)的有效張力和彎矩值越大。在海洋工程立管的設(shè)計(jì)分析中，在滿(mǎn)足強(qiáng)度規(guī)范且成本和性能可接受的情況下，立管壁厚偏小為好。

(2) 在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，浮力塊直徑越大，系統(tǒng)的有效張力值越小，彎矩峰值也越小，說(shuō)明立管所受彎矩的作用會(huì)隨著浮力塊外徑的增大而減小。

(3) 浮力塊長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的立管力學(xué)性能呈波動(dòng)趨勢(shì)，說(shuō)明存在一個(gè)最優(yōu)的立管長(zhǎng)度。在海洋工程領(lǐng)域中，浮力塊的布置長(zhǎng)度要綜合考慮立管所規(guī)定的強(qiáng)度性能以及工程中的造價(jià)成本問(wèn)題，以最優(yōu)的性?xún)r(jià)比確定浮力塊的尺寸。

(4) 在疲勞損傷計(jì)算分析中，估算緩波形鋼懸鏈立管系統(tǒng)的疲勞壽命大小，得到其在應(yīng)力疲勞載荷下的運(yùn)動(dòng)疲勞壽命為531年，滿(mǎn)足立管使用壽命的要求。

[1] BURKE B G. An analysis of marine risers for deepwater [J]. Journal of Petroleum Technology, 1974，32(5):123-131.

[2] BAI Y, TANG A, SULLIVAN E O， et al. Steel catenary riser fatigue due to vortex induced spar motions [C]. Offshore Technology Conference (OTC)， Houston, 2004.

[3] 秦偉, 康莊, 宋儒鑫，等. 深水鋼懸鏈立管的雙向渦致疲勞損傷時(shí)域模型[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(1): 26-33.

[4] 張磊, 楊建民, 彭濤，等. 西非多點(diǎn)系泊FPSO波頻運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)研究[J]. 中國(guó)海上油氣, 2012, 24(2): 72-76.

[5] AZAR J J. A comprehensive study of marine drilling risers[Z]. American Society of Mechanical Engineers Petroleum Division，1978.

[6] SPARKS C P. Mechanical behaviour of marine risers mode of influence of principal parameters[C]. Proceedings of Winter Annual Meeting of the American Society of Mechanical Engineers，1979.

[7] 付俊杰. 深海鋼懸鏈立管動(dòng)力分析及觸地點(diǎn)疲勞特性評(píng)估[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2010.

[8] 楊和振, 李華軍. 深海鋼懸鏈立管時(shí)域疲勞壽命預(yù)估研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2010, 29(3) :22-25．

Sensitivity Analysis and Fatigue Life Prediction of SCR

ZHU Qingbin, WANG Wei, KANG Zhuang, LIU Xiaofei

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

A coupling analysis model in time domain between FPSO and Steel Catenary Riser(SCR) system is established. The dynamic response of the designed SCR system is analyzed in time domain. In time domain analysis, the influence of the damping, fluid acceleration and mass change over time is considered. The influence of different parameters on the system is compared and analyzed, including the wall thickness of riser, the length of buoyancy blocks and the diameter etc. It contributes to perfect the sensitivity analysis optimization of the SCR system. The optimized parameters are selected based on the original parameters. Fatigue analysis is used to forecast its fatigue life and the rationality of the model is verified.

Steel Catenary Riser(SCR) ; time domain coupled analysis; sensitivity analysis; fatigue prediction

2016-05-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209047)

祝慶斌(1993-)，男，碩士研究生

1001-4500(2017)01-0085-06

TE973

A