深水懸鏈線式柔性立管參數(shù)敏感性分析

揭曉俠, 李家旺, 朱克強(qiáng), 劉 建

(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院, 浙江 寧波 315211)

2017-04-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(11272160)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51309133)

揭曉俠(1990—)，男，江西玉山人，碩士生，主要從事海洋工程撓性管線結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究。E-mail:jie123xiao456@126.com

李家旺(1981—),男,安徽望江人,副教授,研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物流體與結(jié)構(gòu)物動(dòng)力學(xué)性能、運(yùn)動(dòng)控制。

E-mail:lijiawang@nbu.edu.cn

1000-4653(2017)03-0039-05

深水懸鏈線式柔性立管參數(shù)敏感性分析

揭曉俠, 李家旺, 朱克強(qiáng), 劉 建

(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院, 浙江 寧波 315211)

針對(duì)柔性立管所處的深水環(huán)境，選取應(yīng)用較為廣泛的懸鏈線式布置方法，在特定的海洋環(huán)境中，在大型有限元軟件OrcaFlex上建立懸鏈線立管模型進(jìn)行動(dòng)力分析。選取懸掛角、立管末端錨固點(diǎn)位置和管內(nèi)流體等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。結(jié)果表明：懸掛角的變化對(duì)立管頂部曲率有作用，但立管底部曲率和最大張力對(duì)懸掛角的變化不敏感；立管末端錨固點(diǎn)位置變化對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)有明顯影響，布置立管時(shí)需重點(diǎn)考慮；立管曲率和彎矩對(duì)管內(nèi)流體密度及流速的變化不敏感，但立管最大張力隨管內(nèi)流體密度的增大而減小，隨管內(nèi)流速的增大而增大。

懸鏈線； 柔性立管； 敏感性分析； OrcaFlex

海洋浮式生產(chǎn)系統(tǒng)由浮式生產(chǎn)平臺(tái)、立管和系泊系統(tǒng)組成。柔性立管是一種由金屬鎧裝螺旋纏繞聚合物圓柱組成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，各層間非黏結(jié)、可滑動(dòng)，具有優(yōu)良的彎曲性能。[1]柔性立管的上端與浮式平臺(tái)鉸接，下端與水下井口鉸接，實(shí)現(xiàn)兩者間的油氣傳輸；其適用水深可達(dá)3 000 m，可承受70 ℃的高溫和70 MPa的高壓。[2]柔性立管能代替剛性立管應(yīng)用于深海石油開采中的原因在于其能大曲率彎曲，因而對(duì)浮式生產(chǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)具有良好的順應(yīng)性。

對(duì)柔性立管進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析采用的方法有別于剛性立管，原因在于柔性立管的軸向剛度可比彎曲剛度大5個(gè)數(shù)量級(jí)，致使一般的有限元?jiǎng)偠确ㄒ桩a(chǎn)生數(shù)值病態(tài)系數(shù)矩陣，導(dǎo)致不良或不穩(wěn)定的計(jì)算產(chǎn)生，且在時(shí)域中應(yīng)用有限元法一般會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的程序。[3]凝集質(zhì)量法可避免出現(xiàn)大系統(tǒng)耦合方程，展現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。柔性立管結(jié)構(gòu)見圖1。

王安嬌等[3]利用集中質(zhì)量法建立一種能考慮管內(nèi)流體流動(dòng)情況的非線性動(dòng)力分析方法。孫麗萍等[4]基于集中質(zhì)量法建立深水S型鋪管的三維數(shù)值模型，對(duì)其進(jìn)行求解，并將其與利用商業(yè)軟件OrcaFlex得到的結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證程序的正確性。IWONA等[5]利用改進(jìn)型剛性有限元方法離散細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件預(yù)測(cè)立管運(yùn)動(dòng)，考慮水動(dòng)力和附加質(zhì)量的影響，與解析解和商業(yè)軟件結(jié)果相對(duì)比，證明方法的正確性。KORDKHEILI等[6]利用三維環(huán)形梁的拉格朗日有限元公式進(jìn)行立管大位移和大扭轉(zhuǎn)動(dòng)力分析，考慮浮力和穩(wěn)態(tài)流的影響，將結(jié)果與其他文獻(xiàn)結(jié)果相比對(duì)。CHAI等[7]得到考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的立管三維集中質(zhì)量公式，可廣泛應(yīng)用在系泊纜和立管上，并可解決與海床接觸的問題。

研究結(jié)果表明，在一般水深的作業(yè)環(huán)境中，由于懸鏈線布置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、成本較低及對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，故其是海洋管線布置的首選。[8]文獻(xiàn)[9]針對(duì)管道彎矩與曲率的非線性關(guān)系研究懸鏈線柔性立管的動(dòng)力時(shí)域分析問題，但沒有考慮管內(nèi)流體的影響。因此，這里在大型水動(dòng)力學(xué)軟件OrcaFlex上建立懸鏈線柔性立管模型，重點(diǎn)考慮管內(nèi)液體對(duì)立管的影響，同時(shí)分析懸掛角和錨固點(diǎn)位置等參數(shù)對(duì)立管動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

1 理論基礎(chǔ)

圖2為凝集質(zhì)量法示意。[9]管道被分成若干個(gè)無質(zhì)量段，每段的兩端都有1個(gè)節(jié)點(diǎn)。無質(zhì)量段只模擬管道軸向特性，其他(諸如質(zhì)量、質(zhì)量和浮力)全部集中到節(jié)點(diǎn)上。一般的凝集質(zhì)量模型僅考慮彈簧剛度，沒有計(jì)入阻尼特性，與實(shí)際立管差異較大。OrcaFlex上管道模型見圖2。在無質(zhì)量段中間由軸向彈簧和阻尼來模擬管道的軸向剛度及阻尼。彎曲特性則由節(jié)點(diǎn)兩邊旋轉(zhuǎn)的彈簧和阻尼來模擬。

1.1有效張力的計(jì)算

有效張力的計(jì)算式為

Te=EA·ε+(1-2ν)(P0A0-PiAi)+

EA·C(dL/dt)/L0

(1)

式(1)中：EA為管道軸向剛度，等于楊氏模量與截面積的乘積；ε為總平均軸向應(yīng)變，ε=(L-λL0)/(λL0)；L為管段瞬時(shí)長(zhǎng)度；λ為管段的膨脹系數(shù)；L0為管段初始長(zhǎng)度；ν為泊松比；Pi,P0分別為內(nèi)壓力和外壓力；Ai,A0分別為內(nèi)截面積和外截面積；C為阻尼系數(shù)；dL/dt為長(zhǎng)度變化率。

阻尼系數(shù)C表示管道的數(shù)值阻尼，其計(jì)算式為

C=(λa/100)Ccrit

(2)

式(2)中：λa為目標(biāo)軸向阻尼；Ccrit為管段臨界阻尼值，Ccrit=(2ML0/EA)1/2。

a) 纜索模型簡(jiǎn)單示意

b) 纜索模型詳細(xì)示意

1.2彎矩的計(jì)算

彎矩的計(jì)算式為

|M2|=EI·|C|+D·d|C|/dt

(3)

式(3)中：EI為彎曲剛度；D=(λb/100)Dcrit；λb為目標(biāo)彎曲阻尼；Ccrit為管段彎曲臨界阻尼值，Ccrit=L0(M·EI·L0)1/2；M為管段質(zhì)量，含管內(nèi)流體。

1.3動(dòng)力計(jì)算方法

運(yùn)動(dòng)方程為

M(p,a)+C(p,v)+K(p)=F(p,v,t)

(4)

式(4)中：M(p,a)為系統(tǒng)慣性載荷；C(p,v)為阻尼載荷；K(p)為剛度載荷；F(p,v,t)為外部載荷。

在隱式解法中，力、力矩、阻尼和質(zhì)量等參數(shù)的計(jì)算方法與顯式解法相同，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程在時(shí)間步結(jié)束時(shí)被求解出。由于在時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)的位移、速度和加速度都未知，因此需用到迭代法。相應(yīng)地，每一隱式時(shí)間步長(zhǎng)相對(duì)于顯式需更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，但隱式解法對(duì)于時(shí)間步較長(zhǎng)的情況更加穩(wěn)定和快速。因此，采用隱式解法對(duì)立管進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。

2 數(shù)值模型

在OrcaFlex上建立柔性立管懸鏈線式模型。立管頂端距離水面166 m，與SPAR平臺(tái)底端固接，通過設(shè)置立管的連接剛度為無窮大完成。立管末端錨定在不遠(yuǎn)處海底，與海底的軸向摩擦系數(shù)設(shè)置為0.25。立管總長(zhǎng)1 850 m,設(shè)置不同的立管分段，以便對(duì)敏感受力區(qū)進(jìn)行分析。因此，頂端100 m和觸底段100 m劃分為1 m長(zhǎng)的小段單元，而懸垂段和海床靜態(tài)立管劃分為5 m長(zhǎng)的小段單元。

1 500 m柔性立管系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖見圖3，相關(guān)參數(shù)見表1～表3。坐標(biāo)系統(tǒng)見圖4，分為全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系。立管底部末端X的位置是相對(duì)于全局坐標(biāo)系而言的。波浪方向的定義見圖5。

圖3 1 500 m水深柔性立管系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

參數(shù)數(shù)值立管長(zhǎng)度/m1850頂端脫離角度/(°)8硬艙直徑/m30．50硬艙高度/m74．60參數(shù)數(shù)值軟艙尺寸/m30．48×30．48軟艙高度/m12主桁架/m93．20重心深度/m68

表2 柔性立管參數(shù)

表3 環(huán)境參數(shù)

圖4 坐標(biāo)系統(tǒng)

圖5 波浪方向的定義

3 敏感性分析

設(shè)定懸掛角為10°，立管末端錨固點(diǎn)X坐標(biāo)為653 m,管內(nèi)流體密度為1 t/m3,流速為0.1 t/s，在5個(gè)波浪周期內(nèi)進(jìn)行時(shí)域仿真，得到立管動(dòng)力響應(yīng)見圖6。

由圖6可知，立管有效張力沿弧長(zhǎng)方向不斷減小。立管有效張力主要來自于其自身懸掛質(zhì)量，因此立管頂部張力值最大。沿著弧長(zhǎng)方向，懸掛長(zhǎng)度減小，立管張力隨之減小，在觸底點(diǎn)以后保持不變。立管曲率在頂點(diǎn)處和觸底點(diǎn)處有極大值，彎矩變化規(guī)律正比于曲率變化規(guī)律，也在頂點(diǎn)處和觸底點(diǎn)有極大值。頂點(diǎn)處的最大曲率值(0.25)比觸底點(diǎn)處的最大曲率值(0.003 8)大100倍，而兩者的彎矩僅相差12.3倍，原因在于模型中立管采用非線性彎曲剛度。彎曲剛度見圖7。

a) 有效張力

b) 曲率

c) 彎矩

d) 頂點(diǎn)曲率

圖6 立管動(dòng)力響應(yīng)

3.1改變懸掛角

為分析立管系統(tǒng)對(duì)懸掛角的敏感性[10]，懸掛角分別取6°,8°,10°,12°,14°和16°。在5個(gè)波浪周期內(nèi)進(jìn)行仿真，得到不同懸掛角下立管的曲率、彎矩和最大張力見圖8。

由圖8可知：隨著懸掛角的增大，立管頂點(diǎn)曲率先減小后增大，觸底點(diǎn)曲率保持不變；彎矩的變化規(guī)律與曲率的變化規(guī)律一致；立管最大張力始終保持在恒定值。由此可知，懸掛角只對(duì)立管頂部有明顯的作用，立管觸地部分和立管最大張力對(duì)懸掛角的變化不敏感。

圖7 立管彎矩隨曲率變化

3.2錨固點(diǎn)變化

為分析立管系統(tǒng)對(duì)立管末端錨固點(diǎn)的敏感性，分別設(shè)定錨固點(diǎn)X坐標(biāo)為453 m,553 m,653 m,753 m和853 m。不同錨固點(diǎn)下立管的曲率、彎矩和最大張力見圖9。

a) 曲率

b) 彎矩

c) 最大張力

a) 曲率

b) 彎矩

c) 有效張力

由圖9可知，隨著立管末端錨固點(diǎn)X坐標(biāo)的增大，立管頂點(diǎn)的曲率先減小后增大，立管觸地點(diǎn)曲率持續(xù)減小，彎矩變化規(guī)律與曲率變化規(guī)律一致。最大張力隨著錨固點(diǎn)的遠(yuǎn)離而線性增大。因?yàn)殡S著錨固點(diǎn)的遠(yuǎn)離，立管的懸掛長(zhǎng)度變長(zhǎng)，所以最大張力會(huì)增大，而立管觸地點(diǎn)會(huì)更加平緩，立管觸地點(diǎn)的曲率會(huì)減小。

3.3管內(nèi)流體密度和流速變化

表6為不同管內(nèi)流體密度下立管的曲率、彎矩和最大張力，表7為不同管內(nèi)流速下立管的曲率、彎矩和最大張力，圖10為最大張力隨管內(nèi)流體密度和流速的變化。

表6 不同管內(nèi)流體密度下立管曲率、彎矩和最大張力

表7 不同管內(nèi)流速下立管曲率、彎矩和最大張力

a) 最大張力隨流體密度的變化

b) 最大張力隨流速的變化

由表6、表7和圖10可知:立管的曲率和彎矩對(duì)管內(nèi)流體的密度及其流速的變化不敏感;但是,立管的最大張力隨著管內(nèi)流體密度的增大而減小，隨著管內(nèi)流體的流速增大而增大;當(dāng)立管內(nèi)流體的密度增加時(shí)，相當(dāng)于立管變重，立管懸掛長(zhǎng)度變小，因此立管最大張力減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

在深水石油工程實(shí)踐中,柔性立管正日益取代剛性立管；而懸鏈線布置法安裝簡(jiǎn)單、成本較低，成為海洋工程立管敷設(shè)的首選。在大型水動(dòng)力學(xué)軟件OrcaFlex上建立深水柔性立管懸鏈線模型，通過對(duì)懸掛角、立管末端錨固點(diǎn)位置和管內(nèi)流體等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，得到以下結(jié)論：

1) 懸掛角只對(duì)立管頂部曲率有明顯作用，立管觸地部分曲率和立管最大張力對(duì)懸掛角的變化不敏感。

2) 隨著立管末端錨固點(diǎn)的遠(yuǎn)離，立管懸掛長(zhǎng)度增加，立管頂點(diǎn)曲率先減小后增大，立管觸地點(diǎn)曲率持續(xù)減小，彎矩變化規(guī)律與曲率變化規(guī)律一致，最大張力線性增大。

3) 立管的曲率和彎矩對(duì)管內(nèi)流體的密度及其流速的變化不敏感。但是，立管的最大張力隨著管內(nèi)流體密度的增大而減小，隨著管內(nèi)流體流速的增大而增大。

[1] 盧青針,馮俐,閻軍. 考慮非線性彎曲剛度的柔性立管時(shí)域分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,34(11):1352-1356.

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ParameterSensitivityAnalysisofCatenaryFlexibleRiserinDeepWater

JIEXiaoxia,LIJiawang,ZHUKeqiang,LIUJian

(Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

For deep-water environment of flexible riser, the commonly used catenary configuration is selected. In the specific ocean surroundings, the model of catenary riser is built with finite element software OrcaFlex. Parameter sensitivity analysis is made with the variation of top angle, mooring point and flow inside riser. Results show: the variation of top angle can affect the curvature of a top riser, while curvature of touch down point and max tension are not sensitive to it; Riser mooring point has clear influence on dynamic response of riser, which needs additional considerations; the curvature and bend moment of the riser are not sensitive to the variation of density and velocity of flow inside riser, but maximum tension decreases with the increasing density and increases with increasing velocity.

catenary; flexible riser; sensitive analysis; OrcaFlex

P756.2

A