在位浮式平臺(tái)回接鋼懸鏈線(xiàn)立管安裝設(shè)計(jì)

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(1.高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100029; 2.海洋石油工程股份有限公司 安裝公司， 天津 304500)

在位浮式平臺(tái)回接鋼懸鏈線(xiàn)立管安裝設(shè)計(jì)

朱為全1,宋亞新1,王銘飛1,李斌2,牛強(qiáng)2,劉月舟2,羅勇1

(1.高泰深海技術(shù)有限公司，北京100029; 2.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津304500)

詳細(xì)介紹在位浮式平臺(tái)的鋼懸鏈線(xiàn)立管(Steel Catenary Riser, SCR)回接安裝的流程、安裝分析方法以及分析準(zhǔn)則。 以某半潛平臺(tái)為例，對(duì)其鋼懸鏈線(xiàn)立管的安裝進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和疲勞分析，得到安裝作業(yè)的氣候窗和關(guān)鍵狀態(tài)最長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間等重要安裝參數(shù)。

浮式平臺(tái)；鋼懸鏈線(xiàn)立管； J型鋪管；安裝

0 引 言

立管系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著將海底的石油或天然氣傳輸?shù)礁∈狡脚_(tái)和向海底注水注氣等任務(wù)。目前常見(jiàn)的立管形式主要有：柔性立管、頂部張緊式立管、鋼懸鏈立管(Steel Catenary Riser, SCR)和復(fù)合式立管。其中，SCR由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝建造成本低、滿(mǎn)足大管徑要求和耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于深水油氣的開(kāi)發(fā)中。自1994年首次使用以來(lái)，目前世界上已經(jīng)有百余條SCR立管完成安裝并投入使用，其母平臺(tái)包括張力腿平臺(tái)、SPAR平臺(tái)、半潛平臺(tái)以及多點(diǎn)系泊的FPSO，最大安裝水深達(dá)3 000 m[1]。

SCR安裝是近年來(lái)深水工程研究的熱點(diǎn)，與普通海底管道的安裝相比，其安裝更加復(fù)雜，需要根據(jù)安裝船舶資源、氣候條件、SCR本身特性和母平臺(tái)特性綜合考慮安裝方案。根據(jù)所使用鋪管船類(lèi)型的不同，可將SCR安裝方法[2]分為：S型鋪管法(S-lay)、J型鋪管法(J-lay)和卷管鋪管法(Reel-lay)。目前，全世界這3種類(lèi)型的鋪管船共有數(shù)十艘。Subsea7，Saipem，EMAS等國(guó)外海洋工程安裝公司同時(shí)擁有這3種鋪管船，而國(guó)內(nèi)目前僅有S型鋪管船。根據(jù)母平臺(tái)是新建還是已有，可選擇不同的SCR安裝流程：(1)SCR預(yù)鋪設(shè)再回收安裝法。首先將SCR預(yù)鋪設(shè)在海底，等待新建母平臺(tái)安裝就位后，通過(guò)安裝船對(duì)預(yù)鋪設(shè)SCR進(jìn)行回收并與母平臺(tái)連接。該方法可使SCR鋪設(shè)與平臺(tái)建造同時(shí)進(jìn)行，從而縮短了整個(gè)項(xiàng)目的建造周期。(2)SCR回接安裝法。先將SCR從鋪管船傳遞給現(xiàn)有在位平臺(tái)并連接，然后從平臺(tái)側(cè)開(kāi)始往海底終端方向鋪設(shè)，一般采用J-型鋪管或者卷管鋪設(shè)。該方法常用于對(duì)現(xiàn)有在位平臺(tái)的新增立管回接安裝。

目前，國(guó)內(nèi)已有多位學(xué)者對(duì)SCR安裝分析進(jìn)行了研究，于衛(wèi)紅等[3]基于SPAR平臺(tái), 對(duì)深水SCR的安裝方法進(jìn)行研究，給出SCR典型安裝步驟，并采用有限元軟件OrcaFlex對(duì)SCR的回收和穿越母平臺(tái)底部的跨底拖轉(zhuǎn)進(jìn)行分析。陳嚴(yán)飛等[4]介紹SCR回收后跨底拖轉(zhuǎn)的安裝步驟，并對(duì)1 500 m水深SPAR平臺(tái)鋼懸鏈立管的跨底拖轉(zhuǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。康莊等[5]對(duì)深水半潛平臺(tái)SCR的J型鋪管方法進(jìn)行計(jì)算分析，得到適合安裝作業(yè)的氣候作業(yè)窗。汪紅艷等[6]以南海1 500 m水深的SPAR平臺(tái)為目標(biāo)平臺(tái)，對(duì)SCR的安裝過(guò)程進(jìn)行分析和研究。然而，現(xiàn)有研究大多針對(duì)SCR預(yù)鋪設(shè)再回收安裝法，對(duì)于SCR的回接安裝流程的研究較少。

本文對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)的SCR回接安裝流程進(jìn)行研究，介紹其安裝分析方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并以某半潛式平臺(tái)的SCR回接安裝項(xiàng)目為例進(jìn)行安裝計(jì)算分析，為今后的SCR回接安裝設(shè)計(jì)和分析提供參考。

1 SCR回接安裝方法基本流程

SCR回接鋪設(shè)的基本流程如圖 1所示，主要分3個(gè)階段。

圖 1 SCR回接安裝基本流程

(1) SCR首端接入安裝平臺(tái)。首先在鋪管船J型塔上安裝好首段SCR管節(jié)與柔性接頭，接頭朝下并連接一段纜繩深入水中(如圖 1a)所示)，利用ROV將纜繩與平臺(tái)放下的絞車(chē)?yán)|繩連接(如圖 1b)所示)；鋪管船一邊駛離平臺(tái)，一邊鋪放SCR，并適當(dāng)調(diào)節(jié)J型塔的傾斜角度，以降低SCR頂端的彎矩；待SCR與纜繩形成的半圓弧度較大時(shí)，開(kāi)始一邊收絞車(chē)?yán)|繩，一邊鋪放SCR，過(guò)程中需調(diào)節(jié)走船距離和J型塔角度(如圖 1d)所示)，盡量使SCR各部分的應(yīng)力達(dá)到最?。划?dāng)柔性接頭拉至平臺(tái)的立管連接處附近時(shí)，連接水平纜，配合絞車(chē)?yán)|繩一起將柔性接頭拉入立管卡具(如圖 1e)所示)。

(2) SCR鋪設(shè)。當(dāng)SCR首端接入平臺(tái)后繼續(xù)鋪放SCR，直到全部的SCR從J型塔架鋪出(如圖 1f)所示)。鋪設(shè)中同樣需要控制每步的走船距離、SCR鋪放長(zhǎng)度和J型塔的傾斜角度，以減小SCR各部分的應(yīng)力。

(3) SCR尾端在線(xiàn)結(jié)構(gòu)(In-Line Structure, ILS)下放。在SCR尾端焊接ILS， ILS尾端焊接海底管道(如圖 1g)所示)，將ILS上端系1個(gè)浮力塊用于抵消其重力(如圖 1h)所示)，并繼續(xù)鋪放海底管道，直到ILS到達(dá)海底(如圖 1i)所示)。當(dāng)ILS到達(dá)海底后，SCR安裝結(jié)束，繼而是海底管道正常鋪設(shè)過(guò)程。

2 SCR回接安裝分析方法與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.1分析方法與步驟

完整的SCR回接安裝分析一般包括靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析和疲勞分析：靜態(tài)分析不考慮環(huán)境力和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng), 目的在于確定鋪管過(guò)程中的關(guān)鍵名義參數(shù), 包括安裝船位置、水平鋪管長(zhǎng)度、總鋪管長(zhǎng)度、頂部張力和海底管道離去角(J型塔傾斜角度)等；動(dòng)態(tài)分析對(duì)靜態(tài)分析中選取的關(guān)鍵工況進(jìn)行考慮波浪和流作用的動(dòng)力分析, 以確定鋪管作業(yè)氣候窗；疲勞分析的目的在于確定關(guān)鍵作業(yè)狀態(tài)的最大停留時(shí)間，避免熱點(diǎn)位置過(guò)度的疲勞損傷。詳細(xì)分析步驟為：

(1) 確定安裝細(xì)化步驟，設(shè)置靜態(tài)分析工況。計(jì)算中首先將整個(gè)安裝過(guò)程拆分成若干小步驟，從初始狀態(tài)開(kāi)始每步中分別調(diào)節(jié)安裝船位置、J型塔傾斜角度、纜繩長(zhǎng)度和鋪管長(zhǎng)度等，每一步作為1個(gè)靜態(tài)分析工況。 通常視安裝內(nèi)容和設(shè)計(jì)深度的不同分為30～80個(gè)工況，工況選取的原則是不遺漏SCR或海底管道整段應(yīng)力或頂部張力較大的情況。

(2) 靜態(tài)分析。對(duì)每個(gè)工況在Orcaflex軟件中建模并做靜態(tài)計(jì)算，計(jì)算中安裝船和平臺(tái)處于靜平衡位置，不考慮波浪和流的作用，得到SCR或海底管道靜態(tài)最大應(yīng)力、平臺(tái)和安裝船受到的最大張力等。若計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，則需要重新調(diào)整安裝細(xì)化步驟，最終保證每個(gè)靜態(tài)工況結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

(3) 動(dòng)態(tài)分析。從靜態(tài)分析工況中挑選控制工況做時(shí)域計(jì)算，計(jì)算中考慮波浪和流對(duì)管線(xiàn)的作用，并考慮安裝船和平臺(tái)在波浪和流作用下的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)安裝船與平臺(tái)距離過(guò)近時(shí)可能還需要考慮多船之間的水動(dòng)力耦合作用[7]。動(dòng)態(tài)分析關(guān)注的結(jié)果是SCR或海底管道動(dòng)態(tài)最大應(yīng)力、平臺(tái)和安裝船受到的最大張力等。若動(dòng)態(tài)分析結(jié)果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，則需要降低作業(yè)海況等級(jí)或重新回到靜態(tài)分析，調(diào)整安裝細(xì)化步驟，再重新做靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，提高其抵抗惡劣作業(yè)海況的能力。靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的環(huán)境條件為可作業(yè)的氣候窗。

(4) 疲勞分析。從動(dòng)態(tài)分析工況中挑選出持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的工況(如ILS焊接、作業(yè)中歇待機(jī)狀態(tài)等)進(jìn)行疲勞分析。根據(jù)該海域的波浪散布圖，設(shè)置不同等級(jí)波浪海況；對(duì)每個(gè)波浪海況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，計(jì)算管節(jié)應(yīng)力并對(duì)比S-N曲線(xiàn)得到管節(jié)的疲勞損傷；最終通過(guò)不同波浪海況的概率計(jì)算出單位小時(shí)的熱點(diǎn)區(qū)域的疲勞損傷。疲勞分析的最終目的是計(jì)算出該狀態(tài)最大可允許的持續(xù)時(shí)間。

2.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

分析結(jié)果需要滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[8-10]：

(1) SCR或海底管道在安裝船端頂部張力不超過(guò)船上張緊器能力。

(2) 平臺(tái)端纜繩頂部張力不超過(guò)錨機(jī)能力。

(3) SCR或海底管道的von Mises應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)最大許用von Mises應(yīng)力值(見(jiàn)表1)。

表1 最大許用von Mises應(yīng)力值

(4) 根據(jù)DNV-OS-F101[8]，最大局部屈曲校核UC值應(yīng)不超過(guò)表2中的許用值。

表2 最大許用局部屈曲UC值

(5) 整個(gè)安裝過(guò)程，SCR管節(jié)和海底管道熱點(diǎn)處的疲勞損傷不超過(guò)表3規(guī)定的最大值。

表3 最大許用局部屈曲UC值[10]

3 分析算例

本文以某半潛平臺(tái)的SCR回接安裝為例，研究其安裝過(guò)程，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1安裝海域基本條件

該平臺(tái)所處水深為1 200 m。動(dòng)態(tài)計(jì)算中，考慮不同的波高、波浪周期和方向的組合，其中有義波高為1.0～2.5 m，平均周期為6～10 s，方向?yàn)?～180°。安裝海域的流速保持不變，方向假定與波浪一致，表面流速為0.46 m/s。流剖面參數(shù)見(jiàn)表 4，海流剖面如圖2所示[11]。由于風(fēng)對(duì)SCR的影響較小，計(jì)算中不予考慮。將所有的海況組合進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定可作業(yè)的氣候窗。

表4 流剖面參數(shù)

圖2 海流剖面圖

3.2鋪管船參數(shù)

主安裝船舶為某J型深水鋪管船，船長(zhǎng)204.65 m，型寬39.2 m，型深14 m，具有DP 3動(dòng)力定位系統(tǒng)。J型塔高90 m，位于船中右舷，最大可傾斜角度為30°(與垂向的夾角)。該船主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 5，其總布置圖如圖3所示。

表5 J型深水鋪管船的主要參數(shù)

圖3 J型深水鋪管船的總布置圖

3.3SCR與海底管道參數(shù)

待安裝的目標(biāo)SCR管徑為14英寸(1英寸=0.025 4 m)，壁厚1英寸，總長(zhǎng)度為2 500 m；海底管道管徑和壁厚與SCR相同，總長(zhǎng)度為2 000 m。SCR與海底管道的裸管參數(shù)見(jiàn)表 6，涂層設(shè)計(jì)見(jiàn)表 7，涂層材料屬性見(jiàn)表 8。

表6 SCR和海底管道的裸管參數(shù)

表7 SCR和海底管道的涂層設(shè)計(jì)

表8 SCR和海底管道的涂層材料參數(shù)

3.4在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物參數(shù)

在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物用于連接SCR與海底管道，如圖4所示，其參數(shù)見(jiàn)表 9。安裝中為了減小自重對(duì)SCR和海底管道的影響，在頂部懸掛1個(gè)凈浮力為30 t的浮筒。

表9 在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物的尺寸和重量

圖4 在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物示意圖

3.5計(jì)算模型

本文采用OrcaFlex 軟件[12]進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 OrcaFlex計(jì)算模型

模型包括：

(1) SCR、海底管道和絞車(chē)?yán)|繩。SCR、海底管道和絞車(chē)?yán)|繩采用線(xiàn)單元模擬。 OrcaFlex線(xiàn)單元算法基于集中質(zhì)量和彈簧系統(tǒng)，即將SCR或者絞車(chē)?yán)|繩的質(zhì)量進(jìn)行離散后分布在各個(gè)“節(jié)點(diǎn)”上，每個(gè)“節(jié)點(diǎn)”之間通過(guò)具有剛度的彈簧系統(tǒng)相連，并通過(guò)擴(kuò)展的Morison方程計(jì)算線(xiàn)單元受到的水動(dòng)力。

(2) 半潛式平臺(tái)和鋪管安裝船。半潛式平臺(tái)和鋪管安裝船使用船型模擬，船的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)特性通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)描述。運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)通過(guò)水動(dòng)力軟件(如WAMIT等)計(jì)算得到后導(dǎo)入OrcaFlex模型中。

(3) 在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物和浮筒。在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物和浮筒模擬成6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的浮筒，計(jì)算中考慮其受到的浮力、重力和流力。

(4) 海底。海底模擬成彈性表面，可模擬SCR與海底的接觸。

3.6靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果

首先設(shè)置計(jì)算工況，將安裝過(guò)程分成多個(gè)小步驟。以第1階段SCR首端接入安裝平臺(tái)為例，可將其分成16個(gè)小步驟(見(jiàn)表10)：工況0為初始狀態(tài)，此時(shí)船與平臺(tái)位置如圖 1 c)所示，最小間距為50 m，J型塔呈豎直方向(90°)，SCR伸出張緊器10 m；工況1為第1操作小步結(jié)束時(shí)的狀態(tài)，鋪管船駛離了40 m，同時(shí)船艏轉(zhuǎn)了90°(如圖 1d)所示)；由此一步步駛離鋪管船，增加鋪管長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)J型塔角度等，直到工況16狀態(tài)，此時(shí)柔性接頭首次接觸半潛平臺(tái)的立管架。

表10 靜態(tài)分析結(jié)果示例

從表10的靜態(tài)分析結(jié)果可以看出：SCR從開(kāi)始狀態(tài)10 m鋪至1 460 m，絞車(chē)?yán)|繩從開(kāi)始600 m收至52 m，SCR頂部張力最大出現(xiàn)在工況16，為64 t，沒(méi)有超出張緊器能力(400 t)，SCR最大的von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在工況8，為53%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。比較表10中不同工況結(jié)果可知：在SCR首端接入作業(yè)中，J型塔與水平面的夾角由90°逐漸減小到73.5°最后又增大至75°，在開(kāi)始收纜繩之前達(dá)到最小夾角；船側(cè)頂部張力隨著鋪出的SCR長(zhǎng)度增加而逐漸增加；SCR最大應(yīng)力發(fā)生在SCR鋪出足夠長(zhǎng)度纜繩開(kāi)始收回的時(shí)候。

若靜態(tài)分析工況結(jié)果完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，則可以開(kāi)展動(dòng)態(tài)分析，根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果選擇若干個(gè)控制工況，選擇的原則是不遺漏關(guān)鍵工況。 本算例選擇SCR應(yīng)力最大的工況6～11, 考慮不同波浪方向、波高、周期以及流速和流向，進(jìn)行時(shí)域分析，得到最大張力和SCR應(yīng)力，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于工況數(shù)目多，表11只列出了每個(gè)方向最大可承受的環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，包括最大張力、von Mises應(yīng)力和局部屈曲UC值。

表11 動(dòng)態(tài)分析結(jié)果示例

動(dòng)態(tài)分析完成后即可將個(gè)安裝過(guò)程中所有滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的環(huán)境條件列出作為安裝的氣候窗，表12為SCR首端接入安裝平臺(tái)、SCR鋪設(shè)、SCR尾端水下結(jié)構(gòu)下放3個(gè)階段中所有工況動(dòng)態(tài)分析總結(jié)后的作業(yè)氣候窗。

表12 可作業(yè)的氣候窗

從表12可以看出：環(huán)境方向在首迎浪(180°)時(shí)，可作業(yè)的氣候窗最大，橫浪(90°)時(shí)可作業(yè)的氣候窗最??；另外系統(tǒng)承受尾部來(lái)浪(0，45°)比首部來(lái)浪(180°， 135°)的能力較弱，這是由于尾部來(lái)浪會(huì)使SCR彎曲曲率更大。

圖6 疲勞分析熱點(diǎn)分布

3.7疲勞分析結(jié)果

疲勞分析的目的是為了確定某些關(guān)鍵操作的最長(zhǎng)允許時(shí)間，如焊接在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物的最長(zhǎng)允許時(shí)間, 或管節(jié)焊接過(guò)程中的最長(zhǎng)允許待機(jī)時(shí)間等。以在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物焊接(如圖6所示)為例，在該狀態(tài)下存在2處應(yīng)力熱點(diǎn)，一處是在立管夾具(在焊接在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物時(shí)，用來(lái)夾緊SCR的模塊)附近，另一處為管線(xiàn)中垂最低點(diǎn)附近。 因此，分析中選擇立管夾具出口處焊接點(diǎn)、立管夾具下1.5 m處的第1個(gè)焊接點(diǎn)以及中垂處焊接點(diǎn)3點(diǎn)，計(jì)算其在不同疲勞分析海況下的應(yīng)力，并通過(guò)“雨流計(jì)數(shù)法”和S-N曲線(xiàn)得到單位時(shí)間內(nèi)這些熱點(diǎn)處的疲勞損傷，進(jìn)而計(jì)算出最長(zhǎng)允許的時(shí)間。見(jiàn)表13和表14。

表13 疲勞分析損傷結(jié)果

表14 疲勞壽命允許焊接在線(xiàn)結(jié)構(gòu)物的最長(zhǎng)時(shí)間

4 結(jié) 論

本文對(duì)現(xiàn)有浮式平臺(tái)的SCR回接安裝進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 在SCR首端接入作業(yè)中，SCR最大應(yīng)力發(fā)生的情況為SCR鋪出足夠長(zhǎng)度后和纜繩開(kāi)始收入前。

(2) J型船進(jìn)行SCR回接作業(yè)時(shí)，環(huán)境方向在首迎浪(180°)時(shí)，可作業(yè)的氣候窗最大，橫浪(90°)時(shí)可作業(yè)的氣候窗最小，承受尾部來(lái)浪(0，45°)比首部來(lái)浪(180°， 135°)的能力較弱。

(3) 本文列出的SCR回接分析方法和具體的安全校核準(zhǔn)則，包括靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析和疲勞分析，實(shí)施方便且可保證作業(yè)安全，可為今后的SCR回接鋪設(shè)分析提供參考。

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[11] 許鑫, 楊建民, 呂海寧. 導(dǎo)管架平臺(tái)浮托法安裝的數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2011(04):439-445.

InstallationDesignofTied-BackSCRforIn-ServiceFloatingPlatform

ZHU Weiquan1, SONG Yaxin1, WANG Mingfei1, LI Bin2NIU Qiang2， LIU Yuezhou2， LUO Yong1

(1 .COTEC Offshore Engineer Service, Beijing 100029, China; 2.Offshore Oil Engineering Corporation Installation Company， Tianjin 304500, China)

The general installation procedures, analysis methodology, and design criteria regarding a tied-back installation of Steel Catenary Riser (SCR) onto an existing floating platform are introduced. Exemplary static, dynamic and fatigue analyses are given for a SCR installed onto a semi-submersible to obtain key installation parameters such as limiting installation seastates and allowable welding stand-by time, etc.

floating platform; Steel Catenary Riser (SCR); J-lay pipelay; installation

2016-11-29

朱為全(1981-)，男，工程師

1001-4500(2017)04-0076-09

P75

： A