高 杰, 劉軍鵬*, 劉永波, 張振興
(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院, 北京 102200; 2.海洋石油工程股份有限公司, 天津 300450)
柔性立管在目前深水油氣田開發(fā)中應(yīng)用最為廣泛,對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是保障海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要手段。隨著海洋油氣工程發(fā)展,立管監(jiān)測(cè)技術(shù)也不斷提高,目前用于立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的裝置主要有有線、聲吶無線、自容式[1]3種類型。監(jiān)測(cè)時(shí)需將儀器安裝至立管指定位置,記錄該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及規(guī)律,用于立管的完整性管理和可靠性評(píng)估,如Marlim油田P-18半潛式平臺(tái)和Tahiti油田Spar平臺(tái)立管的監(jiān)測(cè)[2-4]。考慮到各類監(jiān)測(cè)儀器都具有一定的質(zhì)量,而且需要在立管上不同位置“附著”,這勢(shì)必會(huì)對(duì)立管的整體構(gòu)型產(chǎn)生影響,尤其是柔性立管,其在水下的運(yùn)動(dòng)幅度較大,端部拉力和最小曲率半徑必然發(fā)生變化,評(píng)估該變化是否在允許的范圍之內(nèi),是工程上決定是否采用監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵。針對(duì)立管的動(dòng)力學(xué)分析,學(xué)者們已經(jīng)做過大量研究并取得豐富成果。姜峰等[5]對(duì)3種極端海況下的海洋立管波浪、海流載荷同時(shí)作用下的動(dòng)力可靠性進(jìn)行了計(jì)算,并得到了海況嚴(yán)峻程度與最大米塞斯等效應(yīng)力以及海洋立管的動(dòng)態(tài)可靠度的相互關(guān)系。吳濤等[6]對(duì)大應(yīng)變鋼懸鏈線輸流立管動(dòng)力特性進(jìn)行了研究,得出內(nèi)流,立管彈性模量以及頂部張力通過影響結(jié)構(gòu)的固有頻率來影響立管的動(dòng)力特性。王琳等[7]采用有限元方法研究了不同程度段塞流對(duì)立管系統(tǒng)的影響,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
對(duì)于立管的整體性能影響,學(xué)者們主要是對(duì)剛性立管或柔性立管的渦激振動(dòng)[8-12]及抑制進(jìn)行了相關(guān)的研究;曲晶瑀等[13-14]對(duì)比了裸管與安裝有整流罩及螺旋側(cè)板立管的整體性能,發(fā)現(xiàn)合理的整流罩弦厚比與螺旋側(cè)板弦高對(duì)減小立管升阻力和抑制立管渦激振動(dòng)具有一定的作用,但未考慮裝置重力對(duì)立管最大張力和曲率的影響。目前針對(duì)安裝有立管渦激振動(dòng)抑制裝置及立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的柔性立管,還未有深入的研究,而裝有載荷的立管由于局部附加質(zhì)量以及水動(dòng)力系數(shù)等發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致立管局部受力過大或曲率半徑變小,進(jìn)而使對(duì)立管整體結(jié)構(gòu)的最大張力及立管彎曲強(qiáng)度具有一定的影響,當(dāng)外界環(huán)境較為惡劣時(shí),由于局部附加質(zhì)量增加,導(dǎo)致立管張力和曲率發(fā)生較大變化,張力的增大、曲率半徑的減小及受力不均勻會(huì)導(dǎo)致立管表皮或內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于過度拉伸或扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生破壞,對(duì)海洋油氣安全生產(chǎn)造成威脅,因此,有必要對(duì)安裝有監(jiān)測(cè)儀器的柔性立管進(jìn)行相關(guān)的整體性能分析,發(fā)現(xiàn)附加載荷對(duì)立管的影響規(guī)律,驗(yàn)證裝有監(jiān)測(cè)設(shè)備立管的安全性能。
現(xiàn)以中國(guó)南海某油氣田的9.25 in(1 in=25.4 mm)柔性立管為研究對(duì)象,基于ORCAFLEX軟件,建立了立管整體分析模型,結(jié)合實(shí)測(cè)的油田海洋環(huán)境條件,采用,對(duì)該柔性立管安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置前后進(jìn)行了不同波浪方向的整體分析,獲得了不同波浪方向下,立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置質(zhì)量以及安裝位置對(duì)立管整體性能的影響規(guī)律,該規(guī)律對(duì)于海洋立管監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝及立管系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的參考意義。
基于集總質(zhì)量法,采用ORCAFLEX軟件對(duì)柔性立管進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析基于以下假設(shè):①柔性立管單元的幾何特性和材料特性是恒定的;②立管的底端在所有方向和旋轉(zhuǎn)上受海底水平管道約束;③考慮到立管自重和外荷載的影響,分析屬于小應(yīng)變大變形問題[15];④利用Stokes第5波模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),作為立管頂端的邊界條件。
基于集中質(zhì)量法,將柔性立管建為一條直線,將其劃分為一系列線段。線段僅模擬線的軸向和扭轉(zhuǎn)特性。其他屬性(質(zhì)量、浮力等)都集中到節(jié)點(diǎn)上。集中質(zhì)量法模型[16]如圖1所示。
圖1 集中質(zhì)量法理論
選取南海某油田柔性立管為分析對(duì)象,該油田水深約420 m,采用“浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(floating production storage and offloading,F(xiàn)PSO)+水下生產(chǎn)系統(tǒng)”的開發(fā)模式,柔性立管懸掛在FPSO船體上,該船長(zhǎng)255.8 m,船重為195 295 t,船體及立管具體參數(shù)如表1所示,柔性立管的整體為懶波構(gòu)型(Lazy Wave)構(gòu)型,如圖2所示。海面以上為FPSO船體,水面以下為整條柔性立管,浮力塊區(qū)域下端與海底水平管線區(qū)域通過立管管夾進(jìn)行連接。
表1 船體及立管屬性
L1~L6為各段管線長(zhǎng)度;L1為懸垂段區(qū)域;B1為浮力塊區(qū)域;B2為壓緊夾;T1為系繩;W為壓載區(qū)域
圖3 柔性立管內(nèi)部結(jié)構(gòu)
柔性立管為非黏結(jié)多層結(jié)構(gòu),包括骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、防磨層、保溫層以及外保護(hù)套等共12層,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
基于柔性的立管的構(gòu)型及具體結(jié)構(gòu),建立整體分析模型,如圖4所示。
圖4 立管整體分析模型
將浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)的響應(yīng)振幅算符(response amplitude operator,RAO)作為柔性立管頂端的邊界條件,將柔性立管頂部與FPSO底部相連。立管的底端與海床上水平管道直接連接;此處不考慮海床摩擦力。要正確地模擬系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,獲得RAO振幅和相位的精確值是非常重要的。
根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果,將計(jì)算好的頂部浮體各個(gè)浪向6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)(RAO)按照順序依次填寫到對(duì)應(yīng)的欄目中。在進(jìn)行立管分析時(shí),這些參數(shù)一般由浮體設(shè)計(jì)部門事先給出。
對(duì)柔性立管進(jìn)行整體分析,以評(píng)估監(jiān)測(cè)裝置引起的附加載荷對(duì)柔性立管的影響。為了評(píng)估柔性立管的性能,應(yīng)在整體分析中計(jì)算柔性立管的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和因環(huán)境影響而產(chǎn)生的位移、曲率、力等整體響應(yīng)。
整體分析包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩個(gè)方面。靜態(tài)分析可以確定系統(tǒng)在重量、浮力和阻力作用下的平衡構(gòu)型。此外,它還可以為動(dòng)態(tài)分析提供初始條件。在大多數(shù)情況下,靜態(tài)平衡條件是動(dòng)態(tài)分析的最佳起點(diǎn)。動(dòng)態(tài)分析是從靜態(tài)分析得出的位置開始,對(duì)模型在指定時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)間模擬。
根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),設(shè)置海水溫度為10 ℃,海水密度為1.025 t/m3,水深為420 m,取Stokes`5th波,平均波高7.5 m,波周期為10.5 s,海流速度類型為剪切流,其流速剖面如圖5所示。
圖5 流速剖面
海水表面流速最大,表面流速為0.99 m/s,有海水表面到海底,海流速度依次降低,接近海底的流速為0.26 m/s。
考慮到本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備與夾具總質(zhì)量為125 kg,擬開展75、125、150 kg附加質(zhì)量載荷施加在相應(yīng)的位置進(jìn)行整體性能分析,因?yàn)槲纯紤]浮力影響,所以得到相應(yīng)分析數(shù)據(jù)相對(duì)保守,結(jié)果偏于安全。立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)針對(duì)3個(gè)區(qū)域:懸垂段,浮力塊區(qū)域、觸地區(qū),因此需要在對(duì)應(yīng)位置安裝監(jiān)測(cè)裝置。
由于立管運(yùn)動(dòng)周期與波浪周期接近時(shí),立管振動(dòng)幅度將會(huì)大幅增加,將要發(fā)生“共振”,此時(shí)對(duì)立管損壞最大,因此,需要通過模態(tài)分析得到立管的固有頻率及運(yùn)動(dòng)周期,由圖6模態(tài)分析結(jié)果可知,立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝到水深200 m以內(nèi)時(shí),在與波浪周期10.5 s最接近的模態(tài)(Mode 11 周期10.482 s),最大位移為0.425 1 m,沿管長(zhǎng)99 m,該位置可作為監(jiān)測(cè)點(diǎn),即立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置。由于在沿管長(zhǎng)81~119 m內(nèi)運(yùn)動(dòng)幅值均達(dá)到0.4 m以上,此范圍內(nèi)均可作為監(jiān)測(cè)區(qū)域。
圖6 立管第11階模態(tài)
由于監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置需要進(jìn)行優(yōu)化,所以選擇在位移最大處、壓載區(qū)域以及浮力塊區(qū)域。波浪的方向?qū)α⒐艿恼w性能也有較大影響,由于FPSO船體的對(duì)稱性,選取3個(gè)典型的波浪方向,即波浪與船艏方向夾角為90°、120°、180°,研究不同海況下立管安裝運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀前后的整體性能。
立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀安裝的3個(gè)典型位置的選取如圖7所示。沿管長(zhǎng)99 m處是200 m范圍內(nèi)立管運(yùn)動(dòng)幅值較大位置,385 m處是管線最小曲率半徑位置,576 m處為立管觸地區(qū)域,選擇3個(gè)典型位置,可以有效地反映出監(jiān)測(cè)裝置安裝位置對(duì)立管整體性能的影響。
圖7 立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置安裝位置
對(duì)于深水柔性立管,其整體性能主要表現(xiàn)為立管有效張力及曲率。只要能夠保證安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的立管最大有效張力及曲率半徑滿足要求,則運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工作可以在不影響立管整體性能的情況下進(jìn)行。
2.3.1 裸管整體性能分析
沿管長(zhǎng)99 m處,即關(guān)鍵監(jiān)測(cè)位置,立管隨時(shí)間變化的有效張力如圖8所示。
計(jì)算時(shí),由于立管運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間,因此從10 s開始穩(wěn)定,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,在一定的水流以及波浪情況下,在關(guān)鍵監(jiān)測(cè)位置,立管張力呈周期性變化,且最大張力不超過450 kN,符合柔性立管的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
沿立管長(zhǎng)度方向,其最大張力、最小張力以及平均張力如圖9所示。
圖9由上到下3條線分別表示沿立管長(zhǎng)度方向的最大張力、平均張力以及最小張力;由計(jì)算結(jié)果可知,沿管長(zhǎng)方向最大張力發(fā)生在立管與FPSO連接位置,即立管頂部張力最大,在未安裝運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置時(shí),頂部最大張力為596.315 kN;沿管長(zhǎng)向下,立管張力逐漸減小,到達(dá)400 m后又逐漸增加,主要是該位置為壓載塊及浮力塊區(qū)域,浮力塊區(qū)域?qū)α⒐苡邢蛏系母×?而壓載塊和觸地區(qū)域?qū)α⒐苡邢蛳碌睦?因此該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)張力增大現(xiàn)象,符合實(shí)際工程狀況。
曲率是立管不平坦程度的一種衡量,曲率越大,曲率半徑越小,曲線的彎曲程度越大;沿立管長(zhǎng)度方向,其最大曲率、最小曲率以及平均曲率如圖10所示。
圖8 立管水下99 m處有效張力變化
圖9 立管沿管長(zhǎng)方向的有效張力
由上到下3條線分別表示沿立管長(zhǎng)度方向的最大曲率、平均曲率以及最小曲率
由計(jì)算結(jié)果可知,沿管長(zhǎng)方向的曲率變化,最大曲率出現(xiàn)在浮力塊與壓載塊區(qū)域,最大曲率遠(yuǎn)小于管線允許的曲率(0.370)。
2.3.2 安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備后立管的整體性能分析
由上述分析可知,在水下沿立管長(zhǎng)度99 m處是安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備的最佳位置,同時(shí)考慮到立管構(gòu)型的特殊性,還考慮了在壓載塊區(qū)域(385 m)及浮力塊區(qū)域(576 m)分別安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置,對(duì)原立管整體性能分析,單個(gè)立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置重量為125 kg,考慮到安裝后立管的安全性,即在該處分別施加75、125、150 kg質(zhì)量載荷,由于未考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備浮力,因此所得到的數(shù)據(jù)相對(duì)保守,結(jié)果偏于安全。
相同質(zhì)量的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置遇到不同方向波浪時(shí),立管頂部有效張力值不同,其中,在3個(gè)典型位置安裝150 kg的監(jiān)測(cè)裝置時(shí),其各張力計(jì)算值如表2~表4所示。
表2 浪向90°時(shí)立管頂部有效張力對(duì)比
表3 浪向120°時(shí)立管頂部有效張力對(duì)比
表4 浪向180°時(shí)立管頂部有效張力對(duì)比
分別在99、385、576 m處安裝立管150 kg質(zhì)量的監(jiān)測(cè)裝置,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,不同波浪方向?qū)α⒐軓埩τ绊懖煌?0°波浪方向時(shí),最大張力分別增加了0.26%、0.12%、0.000 1%;120°波浪方向時(shí),最大張力分別增加了0.25%、0.03%、0.000 1%;180°波浪方向時(shí),最大張力分別變化了0.25%、0.04%、0.000 1%;因此,相同質(zhì)量的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀安裝在柔性立管懸垂段位置對(duì)立管最大張力產(chǎn)生影響較大。
質(zhì)量不同的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置,對(duì)立管最大張力也不相同,以下是在沿管長(zhǎng)99 m位置,不同質(zhì)量的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置在不同波浪方向時(shí)對(duì)立管最大張力的影響。
圖11 波浪方向?qū)α⒐茏畲髲埩τ绊?/p>
由圖11可知,在立管懸垂段安裝的監(jiān)測(cè)裝置對(duì)立管整體性能產(chǎn)生了一定的影響。隨著波浪方向由90°增大到180°,立管最大張力值逐漸增大,這與FPSO船體形狀有關(guān),3種質(zhì)量的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)立管最大張力影響趨勢(shì)一致;其中,監(jiān)測(cè)裝置的質(zhì)量越大,相應(yīng)的立管最大張力值越大,這與海洋工程實(shí)際狀況相一致。
另外,同一立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置,不同的安裝位置,對(duì)立管最大張力值的影響也不盡相同。圖12所示為是在立管不同位置安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置后,對(duì)立管最大張力的影響。
圖12 安裝位置對(duì)立管最大張力影響
由圖12可知,在立管懸垂段(99 m)、壓載及浮力塊區(qū)域(385 m)及觸地區(qū)域(576 m)安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置,對(duì)立管最大張力值具有一定的影響;立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置質(zhì)量越大,其對(duì)應(yīng)的最大張力值影響也最大,而且,相同質(zhì)量的監(jiān)測(cè)裝置在懸垂段對(duì)立管的最大張力影響最大,在觸地區(qū)域安裝監(jiān)測(cè)裝置,對(duì)立管的最大張力基本沒有影響,這是由立管管線的構(gòu)型以及浮力塊區(qū)域管線的漂浮方式有關(guān)。
通過對(duì)比3個(gè)波浪方向以及3種安裝運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置位置的頂部最大張力可知,在立管懸垂段安裝運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)頂部最大張力影響相對(duì)明顯,如圖13所示,懸垂段與立管頂部直接連接,之間未有浮體或壓載的過渡,因此得到的結(jié)果符合實(shí)際情況。由圖13可知,立管監(jiān)測(cè)裝置安裝在懸垂段區(qū)域?qū)α⒐茏畲髲埩τ绊懽畲?安裝在壓載塊區(qū)域以及浮力塊區(qū)域?qū)α⒐軓埩τ绊戄^小。
圖13 立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)立管張力影響
2.3.3 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)立管曲率的影響
曲率是描述曲線局部性質(zhì)(彎曲程度)的量,曲率越大,曲率半徑越小,曲率越小,曲率半徑越大;在水下立管鋪設(shè)時(shí),應(yīng)盡量使立管曲率半徑足夠大,才能保證立管結(jié)構(gòu)的安全。
在不同波浪方向時(shí),立管曲率半徑的計(jì)算值如表5所示。
同一立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置安裝在立管不同位置,對(duì)立管的最小曲率半徑影響不同,圖14所示為150 kg的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置分別安裝在立管99、385、576 m處的最小曲率半徑計(jì)算結(jié)果。
由計(jì)算結(jié)果可知,隨著立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置安裝深度的增加,3個(gè)浪向下的最小曲率半徑的變化趨勢(shì)一致;最小曲率半徑的影響大小與安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的位置有關(guān),安裝位置越接近最小曲率半徑位置,對(duì)立管最小曲率半徑影響越大,這與實(shí)際海洋工程狀況一致,立管最小曲率半徑位置在浮力塊與觸地區(qū)域之間,在該處的監(jiān)測(cè)裝置對(duì)最小曲率半徑影響最大,但由于處于海底,波浪的影響較小,最小曲率半徑變化最大值為0.7%。
表5 不同工況下立管最小曲率半徑對(duì)比
圖14 安裝位置對(duì)立管最小曲率半徑的影響
綜上所述,波浪方向、立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置質(zhì)量及安裝位置均會(huì)對(duì)立管整體性能產(chǎn)生一定的影響,但影響程度不同。波浪方向?qū)α⒐茏畲髲埩τ绊戄^大,而監(jiān)測(cè)裝置的質(zhì)量及安裝位置對(duì)立管最小曲率半徑和最大張力值影響均比較明顯。
(1)在立管不同位置分別施加相同質(zhì)量載荷,在其他條件相同時(shí),波浪方向?yàn)?80°海況對(duì)立管的整體性能影響相對(duì)明顯;因此應(yīng)該盡量避免船體與波浪方向成180°夾角。
(2)而保持相同海況時(shí),在立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置安裝在立管懸垂段區(qū)域時(shí),對(duì)立管頂部的最大張力影響最大,因而,在懸垂段安裝的立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)該越小越接近真實(shí)監(jiān)測(cè)值。
(3)同樣,在保持其他條件相同時(shí),立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置安裝位置越接近最小曲率半徑位置,對(duì)立管本身的最小曲率半徑值影響越大,所以,在安裝立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置時(shí),應(yīng)盡量選在遠(yuǎn)離最小曲率半徑的位置,除非有特殊要求,此時(shí),應(yīng)當(dāng)采取方法將監(jiān)測(cè)裝置的質(zhì)量保持最輕。
考慮到不同的柔性立管其剛度及允許的最大張力和最小曲率半徑不同,因此,在對(duì)立管進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),為了保證立管有效、安全運(yùn)行,同時(shí)保證立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性,必須根據(jù)所研究立管本身屬性,既要考慮波浪方向、安裝位置對(duì)立管整體性能的影響,同時(shí)也應(yīng)考慮立管運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置本身質(zhì)量對(duì)立管整體性能的影響。立管監(jiān)測(cè)裝置的質(zhì)量及安裝位置對(duì)立管最大張力和曲率的影響規(guī)律,對(duì)于海洋立管監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝及立管系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的參考意義。