深水鋼質(zhì)懶波型立管技術(shù)進展及研究方向

王金龍，范嘉堃(.中國特種設(shè)備檢測研究院 壓力管道事業(yè)部，北京0007；.中海石油氣電集團有限責任公司 研發(fā)中心，北京0009)

深水鋼質(zhì)懶波型立管技術(shù)進展及研究方向

王金龍1，范嘉堃2
(1.中國特種設(shè)備檢測研究院 壓力管道事業(yè)部，北京100017；2.中海石油氣電集團有限責任公司 研發(fā)中心，北京100029)

作為一種改良型的鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)，鋼質(zhì)懶波型立管(Steel Lazy-Wave Riser，SLWR)在深水油氣開發(fā)中的應(yīng)用越來越廣泛。介紹了SLWR技術(shù)概況，調(diào)研了SLWR在海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀；分析了SLWR在力學分析、安裝分析等力學方面的研究進展；進行了SLWR分析的主要理論介紹，包括懸鏈線理論和大撓度梁理論；最后就SLWR技術(shù)作出了展望，可對中國SLWR技術(shù)發(fā)展起到一定的參考作用。

深水；立管；鋼質(zhì)懶波型立管；大撓度梁理論；發(fā)展趨勢

鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)在使用過程中，隨著水深的增長，水中懸掛段長度越來越長，海洋環(huán)境載荷更加惡劣。特別是懸掛在大運動幅度的生產(chǎn)平臺上，SCR的頂部張力越來越大，對立管以及連接立管和平臺的接頭都帶來了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)[1-2]。為了解決和適應(yīng)此種工況下油氣的開采，SCR發(fā)展出了很多種形式：簡單懸鏈線式(Simple Catenary Riser)、懶波型立管(Lazy-wave Riser)、陡波型立管(Steep-wave Riser)、懶S型立管(Lazy S Riser)、陡S型立管(Steep S Riser)和順應(yīng)波式立管(Pliant Wave Riser)[3]等形式。為了減小立管頂端的懸掛張力，其中一種方法就是在SCR中間段鋼管外側(cè)安裝多個浮筒模塊，抵抗一部分張力，成為深水中可行的選擇，這樣形成的立管就是鋼質(zhì)懶波型立管(Steel Lazy-wave Riser，SLWR)。

本文介紹了SLWR技術(shù)概況，調(diào)研了SLWR在海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀；分析了SLWR在力學分析、安裝分析等力學方面的研究進展；進行了SLWR分析的主要理論介紹，包括懸鏈線理論和大撓度梁理論；最后就SLWR技術(shù)作出了展望，并提出了相應(yīng)的研究建議。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼質(zhì)懶波型立管(Steel Lazy-wave Riser，SLWR)形態(tài)如圖1所示?！皯小笔侵负秃４步佑|處的管道軸線近似平行于海床，“波”是波浪的簡稱，是用來描述由于增加了浮筒模塊而形成的立管形狀。雖然這種立管比簡單懸鏈線立管成本更高(需要額外制造及維護的浮筒和更高的安裝成本，浮筒一般為更輕質(zhì)的聚乙烯材料)，但能較大幅度降低立管的頂端張力，而成為在深水開發(fā)中的一種更加可行的SCR解決方案。由于浮筒的特性，增大了立管在海水中的浮力，頂端張力最大能下降50%左右。相對于簡單懸鏈線立管，SLWR在底部形成拱彎段和垂彎段，能夠?qū)⒂|地點(Touchdown Point，TDP)運動和頂端運動隔離開，減小頂端載荷，提高疲勞壽命[4]。

圖1 簡單懸鏈線立管和鋼質(zhì)懶波型立管結(jié)構(gòu)形式

自1994年殼牌石油公司在墨西哥灣872 m水深的“Auger”張力腿平臺安裝了世界上第1條SCR[5]開始，經(jīng)過20 a的發(fā)展，SCR在海上油氣田開發(fā)中得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。目前已有上百條SCR投入使用[6]，并且廣泛應(yīng)用于各種水深和各種浮式平臺。

作為一種新型的、更先進的SCR，SLWR的第1次應(yīng)用是在2009年位于巴西Campos Basin區(qū)域的Parque das conchas (BC-10)深水項目(如圖2所示)。在該區(qū)塊的1期工程Ostra、Abalone 和Argonauta B-west中，由殼牌石油公司在1 800 m水深處安裝了7根SLWR在轉(zhuǎn)塔系泊式FPSO(Floating Production Storage and Offloading，浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置)上[7-8]。此舉是為了在深水、超深水油氣田開發(fā)中，提高立管的疲勞壽命，降低立管頂端載荷，解決SCR在這方面的不足。之后在2012年，安納達科石油公司(Anadarko)在墨西哥灣約1 515 m水深的Caesar Tonga項目(如圖3所示)中的Green Canyon 680區(qū)塊安裝了2根SLWR，并于2012-03-12投產(chǎn)。2根由管中管組成的SLWR回接到約1 515 m水深處的“Constitution”Spar(單柱式平臺)上，它們的內(nèi)部設(shè)計壓力87.56 MPa(12 700 psi)，能耐93.33 ℃高溫[9]。

圖2 Parque das conchas (BC-10)油田布局

圖3 Caesar Tonga油田布局

我國于2014-04-23投產(chǎn)第1個1 500 m水深的深水油氣田——荔灣3-1(LW3-1)氣田，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)+淺水導(dǎo)管架平臺的生產(chǎn)模式，未使用深水立管。國內(nèi)還無深水SCR和SLWR的實際應(yīng)用記錄，缺少相關(guān)技術(shù)積累，并且在深水SCR和SLWR的技術(shù)儲備方面，與國外深水油氣開發(fā)先進國家美國和巴西等差距明顯。隨著我國南海深水油氣開發(fā)，相信SLWR在我國也會很快得到應(yīng)用。SLWR的設(shè)計技術(shù)、分析技術(shù)和安裝技術(shù)，需要進行深入詳細的研究，以便提高深水立管技術(shù)儲備水平，更好地服務(wù)于我國的深水油氣田開發(fā)戰(zhàn)略。

2 研究進展

SLWR分析主要有數(shù)值模擬、模型試驗及實際監(jiān)測分析3種方法。模型試驗及實際監(jiān)測分析成本高，而SLWR的數(shù)值模擬具有成本低、有效性高的特點。對于SLWR的動力響應(yīng)、靜力學模型和安裝力學分析等研究還非常少，因此對于SLWR的一些關(guān)鍵力學問題進行詳細而全面研究是很必要的，具有重要的學術(shù)價值和工程意義。

2.1 深水SLWR力學分析

深水SLWR在海水中除了受到風浪流等環(huán)境載荷作用外，還受到底端海床土壤的約束以及頂端生產(chǎn)平臺運動的影響。SLWR在海水中管道長度非常長，立管頂端接近豎直，底端接近水平，而且由于安裝了浮筒，呈現(xiàn)出拱彎段和垂彎段2個傾角和曲率變化都非常大的彎曲形態(tài)，具有非常強的幾何非線性特征。因此，如何準確計算SLWR的形態(tài)以及受力狀態(tài)成為各國研究人員關(guān)注的重點。

國內(nèi)外很多學者對SCR的靜力學形態(tài)、動力響應(yīng)、渦激振動(Vortex Induced Vibration，VIV)、疲勞、管土作用、可靠性、管道鋪設(shè)安裝等特性進行了大量全面深入的研究，也取得了非常重要的成果。由于SLWR是一種特殊的SCR，SLWR和SCR在底端海床土壤約束、力學模型等諸多方面有很多相似之處，SCR的相關(guān)研究成果對于SLWR的研究有著重要的參考價值。很多研究人員參考SCR研究成果，對SLWR的力學模型提出過很多理論和方法，進行過一些非常重要的研究。

Li[10]將 SLWR管道模擬成3段簡單的懸鏈線，并且研究了管道的動力響應(yīng)，但懸鏈線理論忽略了管道的彎曲剛度，不能完整反映立管的力學特性。Quéau[11-12]使用懸鏈線理論、邊界層、Winkler地基梁理論對SLWR進行了理論分析，但該文分析局限于靜態(tài)，并且海水中大部分管道采用理想懸鏈線理論模擬，無法考慮海流和管道內(nèi)流載荷，有很大局限性。da Silveira[13]提出了基于理想纜繩理論的SLWR的靜態(tài)常微分方程的數(shù)學模型，對SLWR進行大量的參數(shù)分析，得到最優(yōu)形態(tài)的SLWR。Campbell[14]詳敘了最優(yōu)最合適懶波形態(tài)的SLWR選擇方法，提出了SLWR靜態(tài)分析、動態(tài)分析、疲勞分析的一整套方法。Yue[15]使用商業(yè)軟件OrcaFlex分析了幾種不同拱彎形式的SLWR，并進行了比較。Torres[16]對注水用的SLWR進行了技術(shù)可行性的詳細研究以及一根外輸原油的SLWR進行了完整性和可行性的研究。Petruska[17]研究了在同一平臺選擇SCR、SLWR等不同立管的相關(guān)可能性。Balena[18]詳細介紹了立管浮筒段的相關(guān)細節(jié)及浮筒段模擬成一等效單層管，并且對SLWR進行了疲勞分析。Santillan[19-20]系統(tǒng)研究了懶S型和陡S型立管的力學模型，并通過實驗驗證了在不同形態(tài)和邊界條件下的數(shù)值結(jié)果的正確性。懶S型與懶波型立管形態(tài)幾乎類似，不同之處僅在于懶S型立管的拱彎段浮力是通過浮筒和懸繩將大浮力加載在管道的一個點上，而SLWR是一段特定長度的浮筒段立管提供很長一段長度的豎直向上的浮力。Sun[21]采用集中質(zhì)量法對陡波形立管進行了靜態(tài)和動態(tài)分析，并針對浮筒長度對立管的動態(tài)性能的影響進行了參數(shù)敏感性分析。

深水臍帶纜具有高柔性特征，但若臍帶纜以懶波形態(tài)的形式安裝布置在海水中時，其形態(tài)與SLWR形態(tài)相似，計算模型具備極大的借鑒意義。

Sun[22]使用有限元軟件ABAQUS對懶波型臍帶纜進行了參數(shù)分析。李清泉[23]對海洋環(huán)境載荷作用下懶波型臍帶纜的方位角、拖曳力系數(shù)及浮筒半徑等影響參數(shù)進行分析，分析結(jié)果表明臍帶纜位置構(gòu)型與這些參數(shù)之間有很大相關(guān)性。宋磊建[24]在給出懸鏈線和懶波型理論公式的基礎(chǔ)上，研究了某一深海臍帶纜進行懸鏈線布局和懶波型布局2種不同布局形式的選型設(shè)計，計算得到臍帶纜在2種布局下的靜態(tài)和動力響應(yīng)，及其有效張力和彎曲曲率的分布特性。Ruan[25]提出了一種考慮環(huán)境載荷、彈性海床、邊界層效應(yīng)的深水懶波型臍帶纜靜力學理論模型，將懶波型臍帶纜分為懸掛在海水中的纜繩段、鄰近觸地點的邊界層段、海床段3段結(jié)構(gòu)。

2.2 深水SLWR安裝分析

深水SLWR在安裝時與SCR有很多相類似的點，在安裝過程中遇到安裝工期、突發(fā)狀況等情況時，立管會從安裝船舶棄置到海底，或者從海底回收至安裝船舶的棄置回收過程，從安裝船舶轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)平臺的轉(zhuǎn)移安裝過程等。SLWR由于浮筒段的存在，這些棄置回收和轉(zhuǎn)移安裝等過程非常復(fù)雜，對工程安裝提出了相當大的挑戰(zhàn)，而且立管安裝對于立管的服役壽命也存在影響。因此在立管安裝前，需要對管道進行大量的計算分析以保證安裝的安全性[26]，選擇最佳的安裝方法與路徑。一些工程師和學者對SLWR安裝問題進行了大量的深入分析和研究。

Hoffman[27]敘述了SLWR的相關(guān)設(shè)計和安裝內(nèi)容，特別研究了SLWR與平臺接頭的細節(jié)。Lahey[9]敘述了在Caesar-Tonga 油田的Green Canyon 680區(qū)塊1 514.856 m水深處安裝的2根SLWR，并且詳細描述了SLWR浮筒的安裝過程(如圖4所示)。

圖4 浮筒安裝現(xiàn)場

Senra[28]提出了SLWR設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，并且詳細分析了SLWR的安裝過程。Yue[29]對比研究了不同形態(tài)的SLWR，并且對SLWR使用J-lay方法安裝的可行性進行了研究。Thomas[4]介紹了SLWR的棄置回收過程以及它在安裝過程中遇到的挑戰(zhàn)(如圖5所示)，但該文沒有具體描述棄置回收的力學模型，僅介紹了使用商業(yè)軟件計算得到的結(jié)果。

(立管由上部的牽引纜繩懸掛。從左至右為棄置過程，反向則為回收過程)圖5 SLWR棄置回收過程中立管形態(tài)

對于SLWR從安裝船舶轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)平臺的轉(zhuǎn)移安裝問題，目前研究非常少。Thomas[4]介紹了SLWR在轉(zhuǎn)移安裝過程中遇到的挑戰(zhàn)，但沒有具體描述轉(zhuǎn)移安裝時SLWR的數(shù)學模型，僅介紹了使用商業(yè)軟件計算得到的結(jié)果。

以上是關(guān)于SLWR的安裝方面的研究，主要是一些工程上的計算探討，均未提出全面詳細的模擬SLWR鋪設(shè)、棄置回收、轉(zhuǎn)移安裝等不同安裝過程的力學模型。SLWR的靜力學、動力學、棄置回收、轉(zhuǎn)移安裝等安裝過程還需要進行深入研究，提出全面詳細的力學模型是非常有必要和有意義的。

3 主要力學模型

由于實際情況中立管的理論分析很復(fù)雜，具有復(fù)雜的受力狀況，因此需采取一定的簡化措施以及適當?shù)臓顟B(tài)方程來盡可能地真實反映立管實際的工作狀況。運用純理論的方法對立管進行分析很困難。本文主要敘述目前SLWR力學計算中用到的2種主要的力學模型：懸鏈線理論模型和大撓度梁模型。

3.1 懸鏈線理論模型

SLWR(如圖6所示)的某一位置管道外側(cè)安裝上浮筒，增加此段的浮力，使得此管段浮力大于重力，因而向上拱起，形成了拱彎段。本模型為2維模型。SLWR為O-A-B-C-D-E之間的管段，以管道和海床剛接觸的觸地點TDP處標記為全局坐標系(x,y)的零點O。立管底端O點與海底管道相接，頂端E點通過柔性接頭連接在海洋平臺上，整段立管暴露在海中，受到海洋載荷及海洋平臺傳遞過來的載荷的作用。SLWR中間安裝有浮筒，由此分成3部分：下懸鏈線段O-A(0≤S≤Sl，S為從O點開始的管道弧長，Sl是下懸鏈線立管弧長)，浮筒段A-B-C(Sl≤S≤Sl+Sb，Sb為浮筒段立管弧長)，上懸鏈線段C-D-E(Sl+Sb≤S≤SL+Sb+Su，Su為上懸鏈線段立管弧長)。點B是拱彎段的最高點，稱為拱彎點，其高度被定義為拱彎點高度Yarch，AB段稱為拖曳段，BC段稱為舉升段。上懸鏈線段C-D-E呈懸鏈線形態(tài)，在D點附近處形成了懸垂段。D點是本段的最低點，定義為垂彎點，垂彎點高度Ysag也是SLWR的一個重要參數(shù)，CD段稱為跨接段，DE段稱為懸掛段。拱彎點與垂彎點之間高度差稱為拱彎高度，高度越大，彎曲程度越大。E點為懸掛點，它的懸掛角為立管安裝在海洋平臺上的重要參數(shù)。懸掛角βhang-off是懸掛點切線與豎直y向的夾角，懸掛點傾斜角θE是懸掛點切線與水平x向的夾角，二者成互余角，βhang-off=90°-θE。水平跨度x是TDP到懸掛點E之間的水平距離。

根據(jù)懶波型立管布局及形態(tài)特征，下懸鏈線段OA、拖曳段AB、舉升段BC、跨接段CD、懸掛段DE這5段可以看作為自由懸掛的懸鏈線。根據(jù)懸鏈線理論可以得到懶波型立管的形態(tài)理論公式[10，30]如下：

圖6 SLWR模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

S4+S5=Su

(6)

S2+S3=Sb

(7)

S=Sl

(8)

y1+y2-y3-y4+y5=V

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：x1-5、y1-5、S1-5分別為下懸鏈線段OA、拖曳段AB、舉升段BC、跨接段CD、懸掛段DE的水平跨度、垂直高度和管道弧長；T0是管道O點處水平張力；wr為單位長度的管道在海水中的沉沒重力；we為單位長度的浮筒段在海水中的等效沉沒重力，wb=-we。

利用上述公式，即可求解懶波型立管形態(tài)。

3.2 大撓度梁理論模型

根據(jù)非線性大變形梁理論[31]，將管道模擬為不可伸長的梁單元，不考慮扭轉(zhuǎn)，采用局部坐標系(θ,S)(傾斜角θ為梁與水平x向傾斜角，管道長度S為從O點開始的管道弧長)，在法向和切向的微分方程[32]如下：

(18)

(19)

式中：T為軸向張力；EIj為彎曲剛度；wj為單位長度的管道在海水中的沉沒重力。

在全局坐標系(x,y)中SLWR水平位移xj、豎直位移yj，沿著立管分布的彎矩Mj和剪力Fj可通過如下公式得到：

(20)

(21)

(22)

(23)

4 結(jié)語

各國的科學研究人員和工程技術(shù)人員在SLWR設(shè)計、分析、安裝、運營等應(yīng)用開發(fā)研究中取得了較為豐富的研究成果。隨著海洋油氣開發(fā)不斷深入和科技不斷發(fā)展，SLWR需要不斷更新理念和技術(shù)來滿足應(yīng)用中的各種要求。在針對SLWR的動力學、安裝力學等研究方面，還需要大量的深入研究。

1) 完善觸地區(qū)管土作用模型研究。實際中海床土壤特性非常復(fù)雜，觸地點的疲勞效應(yīng)、管土作用機理需要深入研究，需要采用更復(fù)雜、更符合海床土壤實際特性的管土作用模型。

2) 開展SLWR安裝過程中的動力學理論研究。SLWR的棄置回收和轉(zhuǎn)移安裝等安裝過程的各個不同階段的動態(tài)載荷復(fù)雜，分析難度大，應(yīng)該考慮船體運動、錨鏈系統(tǒng)和波浪、海流等環(huán)境條件等因素對立管和纜繩受力的影響。

3) 開展SLWR模型試驗。應(yīng)該通過準確的SLWR模型試驗，發(fā)現(xiàn)尺度效應(yīng)的規(guī)律，不斷修正模型試驗結(jié)果，提高模型試驗精度，為今后SWLR應(yīng)用提供參考。

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State-of-the-Art Advancement and Research Direction of Deepwater Steel Lazy-wave Riser

WANG Jinlong1，F(xiàn)AN Jiakun2
(1.PressurePipelineDivision，ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute，Beijing100017，China；2.ResearchandDevelopmentCenter，CNOOCGas&PowerGroup，Beijing100029，China)

As a kind of advanced SCR，Steel lazy-wave riser (SLWR) has gained more application in the development of deepwater oil and gas field.The technology overview of SLWR and its application status in offshore oil and gas development are introduced.The advancement of mechanic analysis and installation analysis is presented.The two main theories of SLWR analysis，including the catenary theory and large deflection beam theory is proposed.Finally，the outlook of SLWR in the analysis and the development direction in China is discussed，and it can provide certain guidance on the development of SLWR.

deep water；riser；steel lazy-wave riser；large deflection beam theory；developing trend

2016-12-19

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973 計劃)“深海工程結(jié)構(gòu)的極端環(huán)境作用與壽命服役安全”(2011CB13702)

王金龍(1988-)，男，工程師，博士，2015年畢業(yè)于復(fù)旦大學流體力學專業(yè)，現(xiàn)從事海底管道分析、檢測技術(shù)工作，E-mail：wangjinlong132@126.com。

1001-3482(2017)03-0001-07

TE95

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.001