柔性立管移位工程方案研究

鄭 羽

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

0 引 言

柔性立管因具有較小彎曲半徑的技術(shù)特性已廣泛用于從水下生產(chǎn)設(shè)施向浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(floating liquefied natural gas system, FPSO)輸送原油。為了減小FPSO的劇烈運(yùn)動(dòng)給柔性立管及水下生產(chǎn)設(shè)施帶來的不利影響，目前較多地采用Lazy-wave型立管系統(tǒng)。在該類立管系統(tǒng)中，柔性立管的下部分放置在中水浮筒(middle water arch, MWA)之上，或者在柔性管線的中部位置安裝一些浮球，而中水浮筒或者浮球的規(guī)格大小、浮艙的數(shù)量與體積等設(shè)計(jì)指標(biāo)是Lazy-wave型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和甲方的相關(guān)要求，柔性立管的下端與管道終端(pipe line end termination, PLET)連接。相比單懸鏈線結(jié)構(gòu)，Lazy-wave型立管結(jié)構(gòu)能夠在立管著陸區(qū)域有效地提高強(qiáng)度和抗疲勞性能。當(dāng)管道終端發(fā)生腐蝕而不能正常工作時(shí)，需設(shè)計(jì)新的管道終端，此時(shí)柔性立管需要從現(xiàn)有的管道終端上拆卸下來并重新規(guī)劃路由，連接到新的管道終端上，而期間新管道終端的位置直接由柔性立管的校核結(jié)果來確定，也就是對(duì)柔性立管進(jìn)行在現(xiàn)有條件下的限定性設(shè)計(jì)，本文從上述角度介紹了一個(gè)柔性立管移位技術(shù)的實(shí)際工程案例。

1 Lazy-wave型立管系統(tǒng)

油田經(jīng)過多年的生產(chǎn)后，水下管線存在較為嚴(yán)重的腐蝕。經(jīng)水下檢測(cè)，管道終端管線壁厚最薄處僅為5 mm，因此需要在原管道終端附近的位置重新更換一個(gè)新的管道終端，將柔性立管從著泥點(diǎn)后偏轉(zhuǎn)角度與新管道終端對(duì)接，并將海纜從原管道終端拆卸后移位至新管道終端上。

該立管系統(tǒng)包括兩條12 in內(nèi)徑柔性立管以及一條供電電纜，柔性立管與電纜均懸吊在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置的內(nèi)轉(zhuǎn)塔上，立管末端與管道終端相連接，著陸區(qū)域水深105 m。柔性立管頂端安裝有彎曲的加強(qiáng)件，立管中部用卡子固定在中水浮筒上，整個(gè)立管系統(tǒng)呈Lazy-wave型結(jié)構(gòu)。

柔性立管與管道終端之間的水下立管接口法蘭設(shè)置在距離塔臺(tái)中心水平約160 m的位置，中水浮筒纜繩的重心鉛垂線距離塔臺(tái)中心水平約129 m，立管纜鎖同樣距離塔臺(tái)中心水平約134 m。柔性立管系統(tǒng)的整體布局如圖1所示，該系統(tǒng)平面如圖2所示。

圖1 柔性立管系統(tǒng)整體布局Fig.1 General layout of flexible risers system

圖2 立管系統(tǒng)的平面展布Fig.2 Plan layout of riser system

柔性立管的主要規(guī)格指標(biāo)如表1所示，柔性立管的主要性能參數(shù)如表2所示?，F(xiàn)有立管系統(tǒng)模型如圖3所示。圖3中的黃線代表柔性立管，藍(lán)線代表電纜。柔性立管由NKT公司提供，此管為無粘接結(jié)構(gòu)，由金屬型材螺旋纏繞以及擠出的聚合物組成，各層需滿足特定的功能要求。該工作主要是依據(jù)計(jì)算模型對(duì)移位后立管系統(tǒng)的干涉情況進(jìn)行校核以及采用業(yè)界常用的，廣泛用于立管、臍帶纜、錨繩的動(dòng)態(tài)分析的ORCAFLEX軟件校核柔性立管對(duì)管道終端的最大作用荷載。

表1 柔性立管的主要規(guī)格指標(biāo)

表2 柔性立管的主要性能參數(shù)

圖3 現(xiàn)有立管系統(tǒng)模型Fig.3 Model of existing riser system

2 新建立管系統(tǒng)

現(xiàn)有管道終端已經(jīng)使用多年，由于嚴(yán)重腐蝕已不能進(jìn)行正常使用，因此需新建一個(gè)管道終端。對(duì)新的管道終端進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮諸多影響因素，尤其應(yīng)注意與管道終端相連接的立管系統(tǒng)的調(diào)整。新設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)相同之處是不改變現(xiàn)有的重力基礎(chǔ)，因此中水浮筒的位置不會(huì)有太大的變化。

在初始階段，需要對(duì)不同的柔性立管總體布置的方案進(jìn)行評(píng)估。由于受到柔性立管彎曲半徑和剛度的限制，新建管道終端應(yīng)充分考慮柔性立管再次回接后的朝向，保證柔性立管靜態(tài)構(gòu)型的合理性以及運(yùn)行過程中動(dòng)力響應(yīng)的可接受性。同時(shí)，對(duì)于管道終端位置的選擇還需要考慮其安裝的可行性、在位穩(wěn)定性、長(zhǎng)期沉降等因素。

隨著工程項(xiàng)目的深入，在對(duì)柔性立管移位后的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析后，綜合考慮管道終端和柔性立管的需要，通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果顯示該方案滿足設(shè)計(jì)要求，最終確定管道終端的新建位置以及方位朝向。

新的管道終端安裝于原有終端的東邊，相比原有管道終端逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了12°。立管系統(tǒng)的重新安裝布置須滿足規(guī)范要求，如果安裝超出了誤差要求，會(huì)對(duì)立管接口法蘭產(chǎn)生很大的不利影響。設(shè)計(jì)中要求的安裝誤差：往北方向?yàn)?，往東方向?yàn)?.25 m，往南與往西方向均為0.3 m。

新的管道終端安裝后及立管連接就位后，中水浮筒不會(huì)在原設(shè)計(jì)的位置運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)有更多的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此新管道終端的位置要考慮其可安裝性、立管的完整性、中水浮筒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等影響因素。為此新系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過使用一個(gè)接近原有管道終端的剛性結(jié)構(gòu)以控制新的管道終端的安裝誤差，最終完成了新管道終端的安裝任務(wù)。

新建立管系統(tǒng)平面展布如圖4所示。新建立管系統(tǒng)的模型如圖5所示。

圖4 新建立管系統(tǒng)平面展布Fig.4 New plan layout of riser system

圖5 新建立管系統(tǒng)的模型Fig.5 Model of new riser system

3 討 論

在柔性立管的重新布置設(shè)計(jì)中，接口法蘭在滿足規(guī)范要求的同時(shí)還要適應(yīng)立管廠家的要求，因此在新管道終端上設(shè)計(jì)供電電纜的卡子位置是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。因?yàn)殡娎|動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度會(huì)影響柔性立管與供電電纜彼此間的干擾結(jié)果，柔性立管與供電電纜之間的相互干擾如圖6所示。

圖6 柔性立管與供電電纜之間的相互干擾Fig.6 The interference between flexible riser and power cable

從圖6可以看出，柔性立管(黃線)與供電電纜(藍(lán)線)之間的間距非常小，彼此間幾乎相互接觸，在實(shí)際安裝布置時(shí)，它們之間有0.1 m的間隙，確?？梢缘钟倌暌挥龅呐_(tái)風(fēng)。

整個(gè)校核過程使用動(dòng)態(tài)分析，保守考慮使用Dean Stream來模擬波浪條件(采用最大波高和譜峰周期的組合)，并假設(shè)波浪流同向作用于船首。由于柔性立管和海纜部分附著有20 mm海生物，因此對(duì)于柔性立管不同部分應(yīng)考慮不同彎曲剛度，最終得到柔性立管在新水下基盤接頭處的最大彎矩、立管最小彎曲半徑、柔性立管在水下基盤卡箍處的最大張力。整個(gè)計(jì)算過程須考慮極端環(huán)境條件，針對(duì)FPSO近向，遠(yuǎn)向等多種工況進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果顯示： 軸力遠(yuǎn)小于破斷力，服役期的彎曲半徑大于許用彎曲半徑，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)分析結(jié)果，明確柔性立管移位后的路由，并要求管道終端安裝時(shí)有較高的精度，對(duì)立管接頭處荷載進(jìn)行校核，并確定動(dòng)態(tài)海纜移位后的動(dòng)靜過渡點(diǎn)位置。

柔性立管與供電電纜的重新布置分析表明，原有設(shè)計(jì)的安裝誤差可能會(huì)大于設(shè)計(jì)師所預(yù)計(jì)及模擬的誤差。通過新系統(tǒng)安裝布置工作的實(shí)際完成過程，可知在設(shè)計(jì)過程中可以更大膽一些，后期按照設(shè)計(jì)進(jìn)行具體工作實(shí)施時(shí)可能會(huì)更加高效。對(duì)于今后項(xiàng)目的類似復(fù)產(chǎn)移位設(shè)計(jì)，需充分考慮管線間的相互干涉風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于管道終端的位置設(shè)計(jì)，要在位置規(guī)劃中重點(diǎn)考慮，整體上評(píng)估項(xiàng)目的可實(shí)施性。

4 結(jié) 語

(1) Lazy-wave型立管系統(tǒng)由柔性立管、供電電纜、中水浮筒等組成，其中中水浮筒是該型立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組成。

(2) 通過對(duì)柔性立管和動(dòng)態(tài)海纜的水動(dòng)力學(xué)分析，得到移位后柔性立管與海纜不發(fā)生干涉的結(jié)論，并在實(shí)際工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

(3) 通過文中所舉Lazy-wave型柔性立管移位實(shí)例及效果分析，指示在未來油氣田開發(fā)過程中的立管維護(hù)、保養(yǎng)時(shí)，使用柔性管材比剛性管材有更大的優(yōu)勢(shì)。