淺海大口徑海洋立管安裝及受力分析

( 中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580)

0 引 言

隨著裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展和高效率陸地采油裝備的大量使用，有限的陸地石油資源已經(jīng)開采殆盡，海洋油氣逐漸成為油氣資源開發(fā)的重點領域[1]。油氣運輸是海洋油氣資源開發(fā)中的重要一環(huán)，在淺海油氣資源開發(fā)過程中，主要通過海底管道實現(xiàn)海洋油氣運輸。在海底管線施工中最重要的就是海洋立管的安裝。海洋立管是空間三維結構，其主要由水平方向的膨脹彎管和豎直方向的底部彎管組成，在安裝過程中保證這兩個部分順利連接并進入立管卡的難度較大。隨著海洋科技發(fā)展速度的加快和能源消耗的急劇增長，海洋油氣運輸需求不斷擴大，海洋立管安裝口徑也越來越大。大口徑海洋立管的安裝成為一個亟待解決的問題，因此開展淺海大口徑海洋立管安裝技術研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 大口徑海洋立管安裝技術

1.1 研究現(xiàn)狀

1954年，第一條海底管道在美國墨西哥灣敷設完成，在之后的60多年里，海底管道運輸在管道敷設長度、敷設水深和最大敷設管徑等方面都取得了巨大成就[2]。而且，隨著科學技術的進步和裝備的現(xiàn)代化，海洋平臺鉆井技術和采油技術都得到迅猛發(fā)展[3]。海洋立管的安裝，尤其是大口徑海洋立管的安裝是制約海洋工程技術發(fā)展的一個重要因素，同時海洋立管所處環(huán)境較為惡劣、抗腐蝕能力較弱，如何解決大口徑海洋立管的這些安裝難題引發(fā)了國內外許多學者濃厚的研究興趣[4-6]。當前，我國小口徑海洋立管的安裝技術較為成熟，對淺海海洋立管安裝也有較深入的研究，但淺海大口徑海洋立管的安裝技術基礎還較薄弱，存在許多問題。

1.2 技術要求

海洋立管口徑的加大必將導致其剛度急劇增加，在這種工況下，使空間海洋立管與水平海洋立管連接后順利進入立管卡非常困難。而且，海洋立管所處的環(huán)境條件惡劣，并且所受載荷為動載荷，在安裝過程中會產(chǎn)生較大的施工應力，因此大口徑海洋立管安裝技術要求更高。

首先，應符合海洋立管的設計原則：總體布置上盡可能利用海洋立管所依附的結構對其進行保護；結構設計上應保證立管在特殊載荷作用下能安全運行防止可能出現(xiàn)的過度屈服、屈曲、疲勞、斷裂和加重層剝落等；在輸送高凝原油時，需考慮隔熱保溫措施。

其次，在海底管道敷設終止時，鋪管船需側過導管架，距管頭一定范圍內的管道會偏離設計航線，須將其移到設計航線上來。大口徑海洋立管剛度較大，在移位時需對移船進行嚴格控制，以免造成更大的反向誤差或不必要的施工事故。為了給后續(xù)立管預制提供數(shù)據(jù)，在平管移位完成后，潛水員需在水下測量出管頭的位置和管道的走向。對于大口徑海洋立管，較大的剛度導致其安裝難度更大，這就要求“平管移位”“水下測量”“立管預制”等步驟盡可能精確，其中水下測量工作的影響最大。

最后，也是最關鍵的是大口徑海洋立管與平管的連接和安裝。由于大口徑海洋立管剛度較大，平管與立管對接時焊接難度增大，如何順利、高效地連接平管與立管并在連接后使其順利進入立管卡，是大口徑海洋立管安裝的關鍵。在一般情況下，平管起吊時管頭需高出甲板1 m左右，管道仰角為10°，考慮大口徑立管的剛度較大，需按照《平管起吊計算分析》調節(jié)平管起吊操作，使平管的仰角小于10°，確保不損害平管。為使空間立管與水平管連接后順利進入立管卡完成安裝，要求施工船舶具有穩(wěn)定的定位能力以保證吊裝的精準性。剛度的增大使水下旋轉立管全部進入立管卡的難度相應增大，一般先在腿柱內預裝內立管，并通過平臺建造時預留的巷道(或隧道)作為平管與海洋立管連接的入口，通過平臺上的絞車和巷道口的導向裝置，用纜索牽引拖拉平管，使之進入巷道一定長度后密封巷道，然后抽干巷道內的水，在常壓下將巷道內的平管與海洋立管焊接起來。外立管與平管在水下連接的步驟：首先用鋪管船的高架吊吊起立管并沿導管架將其垂直放至海底，用立管卡把立管固定在導管架上；然后將駁船錨泊定位，通過固定在立管彎頭處的定滑輪，把平管連到立管彎頭處，再由潛水員將立管與平管焊接起來。綜上所述，海洋立管安裝工序復雜、技術含量高，在淺海海洋立管安裝中，導管架上的海洋立管安裝是最關鍵和最復雜的一環(huán)，其安裝流程可以簡化為圖1所示的幾個步驟。

圖1 導管架上海洋立管安裝步驟

1.3 安裝方式

海洋立管安裝的大部分作業(yè)依賴大型海上起重施工船。根據(jù)施工船的種類和施工方式，可將立管安裝分為以下3種：

圖2 DSV將立管傳遞至平臺絞車

(1) 大型起重施工船+深潛船 (Deep Submergence Vehicle， DSV)。大型起重施工船須有足夠大的甲板并裝有大型吊機同時具有穩(wěn)定的定位能力，用來轉運、起吊海洋立管并保證吊裝的精確性。在吊裝時其通過大型吊機與浮袋的配合來保持海洋立管在水中的平衡，通過牽引繩將海洋立管移至指定位置，再由潛水員下水完成最后的安裝。

(2) 動力定位船+DSV。該方式通過在定位船上加裝3個吊柱來實現(xiàn)對定位船的改裝。在吊裝時，通過吊機與絞車的相互配合，使立管到達指定位置，最后由潛水員下水完成最后的安裝。其中，DSV定位船只負責飽和潛水作業(yè)。

(3) DSV單船立管安裝。該方式綜合比較了前兩種安裝方法的優(yōu)缺點并由我國相關人員結合工程實踐提出[7]。其通過合理設計DSV船上2個吊機和安裝絞車的位置，使其相互配合完成立管起吊、扶正、傳遞及安裝工作，從而控制和調整立管在空中的狀態(tài)。這種吊裝方法不僅節(jié)約吊裝成本而且大幅度提高吊裝的效率。海洋立管起吊和傳遞過程如圖2所示。立管安裝過程由水下機器人(Remote Operated Vehicle， ROV)全程監(jiān)控，通過ROV反饋的情況來操縱平臺絞車和DSV調整立管位置，使其到達指定位置，最后由潛水員下水完成最后的安裝。

2 海洋立管工作狀態(tài)及吊裝狀態(tài)有限元分析

有限元分析方法作為一種有力的工程數(shù)值分析方法，可將立管這種連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組按照一定規(guī)律聯(lián)結成的單元組合體，從而把連續(xù)的無限自由度問題轉換為離散的有限自由度問題，使海洋立管的研究更加明了化和科學化。ANSYS有限元操作軟件因其強大的功能和簡單方便的操作受到國際學者的普遍認可[8]。采用ANSYS軟件分別對914 mm海洋立管和813 mm海洋立管的工作狀態(tài)及安裝狀態(tài)進行有限元模擬受力分析。

2.1 海洋立管工作狀態(tài)受力分析

海洋立管在海中的工況較為復雜，主要受疲勞腐蝕和強度屈服兩方面的影響。海洋立管受到的應力可分解為3個相互正交的應力，即軸向應力、徑向應力和環(huán)向應力[9]。不考慮環(huán)向應力，立管所受的工作載荷可根據(jù)以下條件進行模擬。

選擇作業(yè)水深為3.5～30.0 m，海水流速為4 kn，有效波高為2.5 m的海洋環(huán)境。假設海洋立管在海中受到的軸向載荷包括自重和井口的壓載，其中軸向力為分布力；立管所受的橫向載荷主要包括風、浪、流載荷。由于立管入泥較深，取3倍管徑固支。把各種載荷放在一個平面上，假設立管的受力狀況最為惡劣。風力按照12級計算，即風速為33.6 m/s，迎風面積按照立管的最大截面積計算，海面以上高度為18 m，井口壓載取3 t。

由上述條件可計算得到914 mm立管所受風載為9 172 N，813 mm立管所受風載為8 158 N。分別對914 mm和813 mm立管的工作狀態(tài)進行模擬受力分析，得到圖3和圖4的受力分布圖。表1為兩種海洋立管的受力和變形情況比較。

圖3 914 mm海洋立管工作時受力分布圖 圖4 813 mm海洋立管工作時受力分布圖

表1 914 mm和813 mm海洋立管工作狀態(tài)的受力和變形情況

出現(xiàn)這樣的結果是因為：水面附近是海洋立管臨空與在海面的臨界點，受力情況復雜，容易發(fā)生變形；泥線下部固定處是海洋立管與海床接觸的臨界點，不僅受海洋立管位移載荷的作用，還需承受海床土體的抵抗作用，受到的應力較大，是立管彎矩變化最大的部位。由于工作環(huán)境不同，海洋立管選擇的材料也不一樣，通常鋼材選用從X42(碳鋼)到X65(特種鋼)。API-5L是針對天然氣、石油等管線鋼管的標準規(guī)范[10]，我國海洋立管的產(chǎn)品規(guī)范選用SPI-2，根據(jù)規(guī)范要求本文選取產(chǎn)品等級為X60的鋼材作為大口徑海洋立管的材料，查閱相關標準可得其最小屈服強度為414 MPa，最小抗拉強度為517 MPa。對比可知工作狀態(tài)下的大口徑海洋立管所受最大應力遠小于該鋼材所能承受的強度要求，所以該海洋立管材料可滿足大口徑海洋立管的工作要求。

2.2 吊裝狀態(tài)受力分析

海洋立管的吊裝狀態(tài)不同于其工作狀態(tài)，吊裝時主要受自身重力的影響。用直徑為80 mm的鋼絲繩來模擬立管吊裝過程。在吊裝過程中所受的力主要來自于自身重力和鋼絲繩的拉力，圖5和圖6分別為914 mm和813 mm海洋立管吊裝狀態(tài)的應力分布圖。表2為兩種海洋立管的受力和變形情況。

圖5 914 mm海洋立管吊裝受力圖 圖6 813 mm海洋立管吊裝受力圖

表2 914 mm和813 mm海洋立管吊裝狀態(tài)的受力和變形情況

由表2可知：兩種大口徑海洋立管在吊裝狀態(tài)下的最大變形和最大應力都來自于立管底部；由于813 mm海洋立管口徑相對較小，自重較低，因此其最大變形和最大應力比914 mm海洋立管小，而914 mm海洋立管安裝時所受的的最大應力又遠低于當前海洋立管材料的強度要求，所以當前海洋立管材料能滿足大口徑海洋立管的吊裝要求。

綜合比較914 mm與813 mm海洋立管吊裝和受力狀態(tài)可知，這種大口徑立管的吊裝能夠滿足材料的強度和變形要求，在淺海安裝是可行的。

3 結 論

淺海大口徑海洋立管能很好地滿足能源市場對海洋油氣的開發(fā)需求。海洋立管在海洋環(huán)境中承受著風、浪、流等環(huán)境載荷的作用，是工程結構中最薄弱易損的構件之一。對大口徑海洋立管進行合理的環(huán)境載荷設計，選取914 mm和813 mm兩種不同型號的大口徑海洋立管進行對照研究，并對其相應的薄弱環(huán)節(jié)進行模擬仿真。根據(jù)仿真結果可知，大口徑海洋立管的應用有很高的可行性，為提升海洋油氣運輸速度提供了一個新思路，同時對海上采油技術發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。