螺旋列板式渦激振動(dòng)抑制裝置的隔熱作用對(duì)浮式平臺(tái)工藝的影響分析

李 豫，鞠朋朋，陳文峰，李 旭，張振友

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

深水立管是連接海底油氣田和海上浮體之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)深水立管時(shí)，為防止結(jié)構(gòu)疲勞導(dǎo)致立管斷裂而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響，通常選擇增加抑制裝置來削弱渦激振動(dòng)(VIV)對(duì)立管造成的損害[1]。深水立管的VIV抑制裝置一般采用被動(dòng)控制方式，通過對(duì)產(chǎn)生渦激振動(dòng)的物理機(jī)理分析設(shè)計(jì)出相應(yīng)的干擾裝置，從而實(shí)現(xiàn)抑制渦激振動(dòng)的目標(biāo)，相應(yīng)產(chǎn)品主要包括螺旋列板(Helical Strakes)和整流罩(Fairing)[2-3]。

1 立管渦激振動(dòng)抑制裝置

螺旋列板主要是通過不斷改變徑向來流分離角度擾亂漩渦的空間相關(guān)長(zhǎng)度，減少立管后渦釋放沿管的同步性，從而減少立管渦激振動(dòng)的幅度[4]，主要結(jié)構(gòu)形式見圖1，通常螺距為15D～17D，鰭高為0.21D～0.25D，抑制效率一般在90%以上。材質(zhì)通常為PE、PP或者PU。不同供貨廠家可根據(jù)管線的鋪設(shè)方式和使用需求對(duì)其產(chǎn)品的基板(Base Shell)厚度和形式進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。

圖1 螺旋列板(Helical Strake)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of Helical Strake

整流罩(Fairing)是一種通過方便安裝和拆卸的旋轉(zhuǎn)模塊連接固定在立管上，并可以隨來流方向的變化像風(fēng)向標(biāo)一樣繞立管自由轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置[5]，其抑制效率一般在95%以上。由于整流罩與管體之間具有較大的空隙，對(duì)管線產(chǎn)生的隔熱效果較小。因此文章將只針對(duì)螺旋列板式渦激抑制裝置展開隔熱作用的相關(guān)研究。

2 深水混輸立管熱力學(xué)分析

深水混輸立管自水下管匯爬升至浮式平臺(tái)的過程中，其立管內(nèi)流體的能量轉(zhuǎn)換、傳遞方式主要受幾個(gè)方面影響：流體通過管壁與環(huán)境間的熱交換；控制體出入口邊界處壓力所做的功；管壁與流體間的摩擦對(duì)流體做功；液相與氣相間發(fā)生相變而釋放的相變潛熱；氣相在焦耳湯姆遜效應(yīng)(即隨壓力降低伴隨溫度降低)下，因壓力變化而引起的能量變化[6]。

其中，管道內(nèi)多相流通過管壁(包含保溫層)與管道外環(huán)境的傳熱過程由3部分組成：多相流介質(zhì)至管內(nèi)壁的放熱；管道內(nèi)壁與保溫層的導(dǎo)熱；管道最外壁與周圍介質(zhì)的傳熱。

由于螺旋列板式VIV抑制裝置需安裝在立管最外側(cè)，加之其安裝方式為“捆扎式”，即用固定裝置將螺旋列板緊緊包裹住，海水無法從其內(nèi)部自由進(jìn)出，因此在進(jìn)行混輸立管溫降計(jì)算時(shí)，需將此抑制裝置看作一個(gè)保溫層，在熱力學(xué)計(jì)算中予以考慮。

2.1 深水混輸立管熱力學(xué)計(jì)算

以南海某深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)某單條立管為例，采用鋼懸鏈線式立管(SCR)連接水下井口及半潛浮式平臺(tái)，平臺(tái)在位水深約1 432 m，SCR長(zhǎng)1.56 km，直徑12″，全長(zhǎng)約72%的部位覆蓋有螺旋列板式VIV抑制裝置，開發(fā)示意如圖2。

圖2 南海某半潛式生產(chǎn)平臺(tái)及SCR示意圖Fig.2 A semi subrnersible production platform and SCR schematic diagram in South China Sea

在SCR與VIV抑制裝置之間通常還覆蓋有一定厚度的防腐涂層，其剖面如圖3。

圖3 SCR及外部覆蓋層剖面示意圖Fig.3 Diagram of SCR and external overburden profile

防腐涂層及螺旋列板式VIV抑制裝置的熱力學(xué)具體參數(shù)：防腐涂層材質(zhì)3LPP；涂層厚度3.8 mm；涂層導(dǎo)熱系數(shù)0.3 W/m2·K；螺旋列板VIV抑制裝置材質(zhì)PU；基板(Strake base)厚度15 mm；Strake導(dǎo)熱系數(shù) 0.26 W/m2·K。

海水沿程溫度參數(shù)如表1。

表1 海水環(huán)境溫度Tab.1 Seawater ambient temperature

利用OLGA 2014軟件建立從井筒至深水浮式平臺(tái)的一體化靜態(tài)模型，傳熱計(jì)算采用WALL模式，分別選取氣田早期、中期、后期各典型年份，分別進(jìn)行有/無螺旋列板VIV抑制裝置兩種工況模擬。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)模擬，SCR終端登陸南海某半潛式生產(chǎn)平臺(tái)登陸點(diǎn)位置混輸流體的溫度計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2。

表2 SCR終端混輸流體溫度計(jì)算對(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparison results of temperature calculation of mixed transportation fluid in SCR terminal

由表2看出,SCR內(nèi)的混輸流體在增加螺旋板式VIV抑制裝置在登陸點(diǎn)位置的立管終端溫度較無VIV抑制裝置有顯著降低，受流體性質(zhì)、流量以及井口溫度、壓力影響，最大溫降產(chǎn)生于投產(chǎn)前期，溫差約3.6 ℃。登平臺(tái)溫度直接影響浮式平臺(tái)工藝流程及設(shè)備材質(zhì)的選取，同時(shí)對(duì)立管的柔性接頭的耐受溫度也將帶來一定程度的影響。

3 浮式平臺(tái)工藝處理系統(tǒng)影響分析

南海某深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)為大型氣田綜合處理平臺(tái)，涵蓋天然氣處理/外輸系統(tǒng)、凝析油處理/儲(chǔ)存/外輸系統(tǒng)、生產(chǎn)水處理系統(tǒng)及相應(yīng)的公用系統(tǒng)。水下井流物經(jīng)SCR登陸半潛平臺(tái)后首先進(jìn)入段塞流捕集器進(jìn)行緩沖及氣液分離，隨后天然氣經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)行增壓及脫水、脫烴處理，后外輸至水下干氣管網(wǎng)。含水原油經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)，處理合格后進(jìn)入船體凝析油艙儲(chǔ)存后經(jīng)外輸油輪定期外輸。

平臺(tái)組塊工藝流程如圖4。

圖4 南海某深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)工藝流程示意圖Fig.4 Process flow chart of a deepwater semi submersible production platform in South China Sea

3.1 段塞流捕集器低溫計(jì)算

登平臺(tái)溫度降低導(dǎo)致段塞流捕集器操作溫度隨之降低，段塞流捕集器罐體設(shè)置有緊急泄放裝置(BDV)，在火氣信號(hào)觸發(fā)或設(shè)備維修時(shí)會(huì)對(duì)段塞流捕集器內(nèi)高壓氣體進(jìn)行短時(shí)緊急泄放，大量氣體經(jīng)BDV進(jìn)入火炬系統(tǒng)產(chǎn)生的壓降會(huì)對(duì)BDV上下游以及容器內(nèi)部產(chǎn)生溫度驟降。

南海某深水半潛生產(chǎn)平臺(tái)段塞流捕集器參數(shù)如表3。

表3 南海某深水半潛生產(chǎn)平臺(tái)段塞流捕集器參數(shù)表Tab.3 Parameters of slug catcher for a deepwater semi submersible production platform in South China Sea

針對(duì)表2中兩種工況的溫度參數(shù)，選取溫差最大的投產(chǎn)前期立管終端溫度參數(shù)，經(jīng)HYSYS V10.1的Blowdown模塊進(jìn)行BDV冷態(tài)泄放模擬，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表4。

表4 南海某深水半潛生產(chǎn)平臺(tái)段塞流捕集器BDV泄放結(jié)果Tab.4 Discharge results of slug catcher BDV from a deepwater semi submersible production platform in the South China Sea

從表4看出，在考慮VIV抑制裝置隔熱作用后，BDV冷態(tài)泄放造成段塞流捕集器本體、進(jìn)口管線及氣相出口管線的壁溫均低于碳鋼及高強(qiáng)鋼的最低設(shè)計(jì)溫度-20 ℃，從而造成金屬材料韌性降低，同時(shí)脆性增加，形成材料脆性斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 影響分析及解決措施

為避免材料失效造成烴類物質(zhì)泄漏，南海某深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)提出以下兩種解決措施：

一是更換進(jìn)出口及設(shè)備材質(zhì)由碳鋼/高強(qiáng)鋼至低溫鋼；二是在段塞流捕集器入口增加低溫?fù)Q熱器，提高登平臺(tái)溫度。

在上述解決措施一中由于受段塞流捕集器尺寸及壓力限制，若采用低溫材質(zhì)可能面臨原材料及設(shè)備均難以采辦的風(fēng)險(xiǎn)。最終采用措施二，即增加一臺(tái)2 300 kW的淡水換熱器，重量約60 t，淡水耗量約200 m3/h。

4 小結(jié)

對(duì)于深水浮式平臺(tái)，立管外側(cè)覆蓋的螺旋列板式渦激振動(dòng)抑制裝置受安裝方式以及材質(zhì)性能影響，對(duì)立管內(nèi)的物流產(chǎn)生隔熱作用，從而在一定程度上影響立管內(nèi)物流與海水之間的傳熱，導(dǎo)致立管終端溫度產(chǎn)生變化。如果在設(shè)計(jì)初期忽略此因素，將在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)半潛平臺(tái)的工藝處理設(shè)施產(chǎn)生巨大影響，從而影響浮式半潛平臺(tái)的重量、重心。因此，在設(shè)計(jì)類似平臺(tái)時(shí)，前期設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮各方因素，最大程度降低后續(xù)設(shè)計(jì)對(duì)浮式平臺(tái)穩(wěn)性的影響。