基于OrcaFlex的海洋柔性管水動力分析

章仲怡

（中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300450）

柔性管由于較低的彎曲剛度和較高的體積剛度可以承受較大的彎曲變形而不會影響軸向強度和壓力完整性。因此，柔性管廣泛用于海上石油和天然氣行業(yè)[1]，作為海上平臺的連接件提供了和海底設施之間的永久連接。然而，復雜的結構增加了極限強度和疲勞損傷的評估難度。

海洋環(huán)境和操作壓力變化對柔性管的疲勞性能產(chǎn)生了負面影響。柔性管內(nèi)部層的運行及相互作用非常復雜，其應力及其變化幅值的準確計算取決于柔性管的整體水動力載荷分析及危險點的確定。本文用于疲勞計算的水動力載荷譜分析涉及2個步驟：①環(huán)境載荷數(shù)據(jù)的收集和載荷情況的定義，從波浪圖中選擇用于全局分析的環(huán)境荷載情況；②建立OrcaFlex的水動力分析模型，對柔性管道進行全局時域分析，生成沿柔性管的軸向力和力矩的時程曲線。北部灣某平臺采用的柔性管（外徑168.33 mm，壁厚15.90 mm）被用于平臺底部連接海管的彎曲連接處，柔性管的橫截面結構如圖1 所示，其中每層的形狀及力學性能都有所區(qū)別。

圖1 柔性管的橫截面結構

1 平臺海域海況分析

在柔性管的水動力分析中有規(guī)則波浪法和不規(guī)則波浪法。基于規(guī)則波浪法的柔性管載荷分析通常導致保守的結果。不規(guī)則波浪法分析更能代表現(xiàn)場環(huán)境，降低疲勞壽命評估中的保守度，從而產(chǎn)生更真實的結果，更具實際的價值。

1.1 平臺所在海域的風浪流整體數(shù)據(jù)

平臺位于潿洲島西南31 km 處，水深30.3 m。根據(jù)該海域統(tǒng)計的8 個方向波浪載荷分布概率表，得到波浪散布分塊表如表1 所示。表1 中，T為波浪周期，s；H為波高，m，表1 中的數(shù)值表示該波浪組合的統(tǒng)計占比。

表1 波浪散布分塊表 %

環(huán)境參數(shù)通常使用散點圖以單獨的方式描述，可以從現(xiàn)場測量活動中獲得局部波的散點圖并建立類似的波浪散布分塊表。為了從波浪、風和海流的獨立散射圖中獲得疲勞分析的典型海況，必須選擇一種結合環(huán)境載荷的方法。定義海況的一種可行方法是從波浪散布分塊表中選擇高占比的典型波浪，并將其與一年一遇的極端海況結合起來。

1.2 計算海況選取

單一海況的占比為ηi，所有海況的占比為η總=∑ηi=100%。為精簡計算工況，從海域的海浪統(tǒng)計中篩選出24 個占比較大的典型海況。現(xiàn)假定24 種海況的總比例為100%，對原海況占比進行等比例縮放，即各海況占比為ηi′，ηi′ =ηi/（η總/100%）。以北（N）、東北（NE）、東（E）、東南（SE）幾個占比較大的方向為例，調(diào)整后的波浪工況占比如表2所示。

表2 波浪工況占比

2 柔性管總體水動力分析

2.1 柔性管布置情況

由于某平臺的大位移，柔性管的疲勞計算與規(guī)范檢查不匹配。柔性管接頭、錨固件、法蘭位置的計算疲勞極限較小。經(jīng)過專家評估和各種方案的比較，決定在底部彎頭和四通處使用柔性管代替鋼管，以抵消平臺大位移造成的不利影響。柔性管布置示意圖如圖2所示，其柔性管的垂直高度為6 m，并使用彎曲限制器加以節(jié)制其彎曲程度，其中EL表示其水平位置（以水面為0位置）。

圖2 柔性管布置示意圖

2.2 OrcaFlex柔性管模型

參照海管路由位置，利用OrcaFlex軟件建立柔性管模型。采用LINE單元，模擬海洋深度為36 m，鋼管彎曲剛度及拉伸剛度可以查閱文獻選擇，但柔性管彎曲等效剛度及拉伸等效剛度一般取決于管材試驗，如無試驗，則可通過Abaqus 有限元模擬得到，具體數(shù)值在下節(jié)的參數(shù)設置。將表2 中的風浪流載荷參數(shù)輸入至模型中，設定好邊界條件后，進行水動力分析可得到柔性立管所受載荷的時間變化曲線。建立分析模型，其上部的船形部件用來固定鋼制立管并定義平臺的橫向位移數(shù)值，以此模擬平臺位移與海洋載荷對柔性管的耦合作用。

2.3 參數(shù)設置

OrcaFlex 模型為管串，包括鋼管、柔性管、彎曲限制器及沙包。其中鋼管和柔性管的內(nèi)、外徑為0.136 5 m 和0.273 1 m。柔性管的等效軸向剛度150 kN/m，沙包質(zhì)量1.0 t，體積0.2 m3。彎曲限制器內(nèi)、外徑為0.24 m和0.5 m，每1 m彎曲限制器質(zhì)量為0.3 t，抗彎剛度120 kN·m2，軸剛度700×103kN，扭轉(zhuǎn)剛度80 kN·m2。附加質(zhì)量系數(shù)1.0，阻力系數(shù)1.2，海床摩擦因數(shù)0.5。流速表層1.12 m/s、中層0.88 m/s、底層0.63 m/s。波浪方向為90°，采用不規(guī)則波浪譜（JONSWAP譜），設置時間步長為0.1 s，模擬時間為10 800 s。依據(jù)平臺運動數(shù)據(jù)，選取平臺位移及運動周期，以強制運動的方式施加在平臺頂部，平臺上部位移幅值為0.1 m，運動周期為5.7 s。

2.4 動態(tài)時域分析結果

柔性管的內(nèi)外壓在一般的操作和生產(chǎn)中波動較小[2]，但柔性管由于海洋載荷和自身的重力會產(chǎn)生波動較大的軸向拉伸載荷。柔性管抗拉鎧裝層一般固定在接頭內(nèi)部的錐體上，在接頭連接處的抗拉鎧裝一般承受最大的拉伸載荷，其顯著影響彈性體的疲勞壽命。

軸向力隨柔性管長度變化圖如圖3所示，軸向力在靠近平臺上接頭最大，在接頭連接處的抗拉鎧裝線承受最大的拉伸載荷，在此提取彎矩和軸向力載荷時程曲線。按照不同工況的波浪和概率，根據(jù)所選的波浪工況的周期，將整體時間劃分為100 s，按照不同工況下的載荷譜占比，分別提取不同概率對應時長的載荷時程曲線，整合得到整體時長為100 s 的彎矩載荷和軸向力載荷譜，計算其彎矩的數(shù)據(jù)平均值為17 kN·m，拉伸力數(shù)據(jù)平均值為23 kN。

圖3 軸向力隨柔性管長度變化圖

按照OrcaFlex計算得到荷載時程曲線，總時長為100 s對應的不同幅值下的循環(huán)次數(shù)，彎矩載荷時域曲線圖和軸向力載荷時域曲線圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 彎矩載荷時域曲線圖

圖5 軸向力載荷時域曲線圖

依據(jù)荷載幅值和平均應力帶入柔性管應力計算公式，得到各應力的變化幅值與對應的次數(shù)。已知5.5 次循環(huán)形成半個周期，則通過統(tǒng)計圖的載荷數(shù)據(jù)，得到彎矩幅值-周期數(shù)統(tǒng)計如圖6 所示，拉力幅值-周期數(shù)統(tǒng)計如圖7所示。

圖6 彎矩幅值-周期數(shù)統(tǒng)計圖

圖7 拉力幅值-周期數(shù)統(tǒng)計圖

3 結束語

本文在某平臺立管段的設計中，采用一段柔性管替代鋼管的方案，用以減緩由于平臺位移過大造成的立管疲勞損傷。采用OrcaFlex 軟件對立管模型進行了整體水動力載荷計算分析，對危險點處的彎矩和拉伸力進行了總結分析，分析結果可以用于柔性管的疲勞損傷評估，從而進一步評估危險點處的疲勞壽命。