鋼懸鏈線立管S形鋪設極限水深

李 英,梁雪梅*,周 楠,王曉飛,李 斌

(1.天津大學 建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300350;2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

0 引 言

立管系統作為浮式平臺與水下生產系統之間運輸海底石油與天然氣的通道，在海洋油氣開發中起著至關重要的作用。鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)由于其結構形式簡單、經濟性高等優點，已逐漸成為海洋油氣開發的首選立管形式。S形鋪設由于鋪設效率高、適用水深范圍較廣、作業技術成熟，被廣泛應用。在復雜的海洋環境中進行安裝作業時，鋪管船與立管耦合運動，嚴重時可導致立管結構破壞。因此，對SCR安裝過程進行數值模擬，確定合適的安裝作業氣候窗口，探究S形鋪設SCR的極限安裝水深，對于我國開發深水和超深水油氣具有重要意義。

國內外學者通過理論分析和數值模擬對立管安裝過程開展大量研究。YOU等[1]基于大變形梁模型建立深水SCR安裝力學模型。DUAN等[2]基于大變形梁理論、懸鏈線方法和Winkler基礎模型，建立SCR提升過程的解析方程，并對立管的動態響應進行研究。在前人基礎上，CHEN等[3]和GONG等[4]根據懸鏈線理論推導出S形鋪設管道的靜平衡微分方程，提出迭代求解管道整體形態的數值計算方法。張向鋒等[5]運用有限元軟件研究立管S形鋪設過程中立管與托管架的相互作用、立管大變形等非線性問題。SHIRI[6]考慮海床與立管的非線性相互作用，通過Abaqus建立立管與海床作用的數值模型，對立管觸地區的疲勞性能進行研究。此外眾多學者[7-8]對鋼懸鏈線式立管S形鋪設過程進行敏感性分析，研究鋪設水深、托管架半徑和立管長度等參數對立管動態響應的影響。

在立管安裝作業窗口的確定方面，WANG等[9]將立管最大等效應力作為安裝窗口的限制條件，開展橫向靜力分析、橫向振動分析和軸向振動分析，確定立管安全安裝窗口?？登f等[10]使用OrcaFlex軟件分析J形鋪設過程中浪向、流速、立管結構等對作業窗口的影響。暢元江等[11]采用有限元分析軟件建立張力腿平臺立管安裝作業模型，確定立管安裝作業窗口的分析方法，研究立管間距、頂張力大小、波浪等對作業窗口的影響。HOU等[12]運用數值模型模擬立管預鋪設各階段，并對立管開展靜態分析和動態分析，研究立管預鋪設過程中應力應變等對環境參數的敏感性，并對立管鋪設作業窗口的選擇提出相關建議。綜上所述，立管鋪設作業窗口受到波流載荷、鋪管船、立管結構等多重因素的綜合影響，根據工程實際確定安裝作業窗口對于保障立管安裝系統的安全具有重要意義。

本文針對南海某氣田鋪管船正常鋪設SCR的實例，明確波高-周期作業窗口確定方法，探究波浪方向、表面流速、立管外徑、壁厚對立管正常鋪設階段作業窗口的作用機理，研究立管在不同水深下的適用性，進一步確定立管的極限安裝水深，這對立管S形鋪設作業窗口的確定具有重要的參考意義。

1 鋼懸鏈線立管S形鋪設數值模擬

1.1 SCR鋪設實例

1.1.1 SCR參數

SCR材料采用X65鋼材，防腐層材料為3層聚乙烯防腐涂層(3LPP)。立管的幾何尺寸和材料特性等如表1所示。

表1 立管幾何尺和材料特性

1.1.2 鋪管船參數

表2給出鋪管船的主要參數。該船配備4節總長度約106 m的桁架式鉸接托管架，針對不同的立管和不同的作業水深，可調整各段之間的相對角度和滾輪支撐的位置，實現一定范圍內的半徑變化，調節范圍為90～365 m。托管架結構形式如圖1所示。

圖1 托管架結構形式

表2 鋪管船參數

響應幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)是在某自由度下浮體的運動響應幅值與作用在浮體上的規則波單位波幅的比值，反映浮體的水動力性能。與SCR相連的鋪管船在0°、45°、90°、135°和180°浪向下各自由度的位移RAO如圖2所示。

圖2 鋪管船位移RAO

1.2 SCR鋪設模型

針對1 457 m水深S形鋪設SCR過程，采用OrcaFlex軟件建立模型進行作業窗口分析。SCR總長為2 828 m，將其劃分為1 885個單元，單元長度為1.5 m，對立管錨固點位置進行多次調試，最終錨固點至船尾的水平距離為1 082 m。數值分析模型如圖3所示。

圖3 S形鋪設SCR數值分析模型

運用OrcaFlex軟件模擬5個波浪周期內的動態響應，采用隱式計算，設定最大為0.1 s的可變時間步長，以保證較高計算精度和計算效率。波浪運動選用Dean流函數進行模擬，保守考慮波流同向，波浪方向與鋪管船之間的位置關系如圖4所示。

圖4 波浪入射方向

歸一化后的流速剖面如圖5所示。

圖5 流速剖面

2 鋼懸鏈線立管S形鋪設作業窗口分析

2.1 作業窗口確定方法

以DNV GL-OS-F101規范[13]定義的立管最大應變、懸垂段最大彎曲應變和鋪管船張緊器能提供的最大張緊力為限制條件，確定S形鋪設SCR的作業窗口限制準則，如表3所示。保守選擇一年一遇非臺風工況，有義波高以1 m為增量從1～12 m，周期以1 s為增量從5～20 s，逐步更新迭代波高周期，通過OrcaFlex計算，根據作業窗口確定準則得到波高邊界值，進而繪制各浪向下的波高-周期作業窗口。波高-周期作業窗口確定方法如圖6所示。

圖6 波高-周期作業窗口確定方法

表3 S形鋪設作業窗口確定準則

2.2 波浪方向對作業窗口的影響

考慮海流表面流速為1.09 m/s，建立0°、45°、90°、135°、180°等5種浪向下的數值模型，逐步設置波高和周期進行計算，進而得到各浪向下的作業窗口，如圖7所示。

圖7 不同浪向下波高-周期作業窗口

由圖7可知，SCR鋪設的波高-周期作業窗口對浪向敏感，這是由于不同方向下鋪管船的位移RAO有很大的不同。受到不同浪向下鋪管船縱搖RAO的影響，在周期為12 s時浪向0°和180°的作業窗口邊界線有極值，在周期為10 s時浪向45°和135°的作業窗口邊界線有極值。在浪向為90°時鋪管船橫搖運動響應最大幅值出現在16 s，即在周期為16 s、90°來浪時可安全作業的波高最小。此外在0°和180°、45°和135°時各自由度下鋪管船運動響應十分接近，但由于135°和180°來浪方向與SCR鋪設方向相反，會導致作用于SCR的載荷增大，進而使作業窗口變小。對比各浪向下作業窗口的邊界線極值可知，立管在45°和135°來浪時作業更危險，而在橫浪或隨浪條件下進行鋪管作業更安全，但橫浪作業會使立管鋪設路徑發生一定程度的偏移，在安裝中應根據實際情況綜合考慮。

2.3 表面流速對作業窗口的影響

保守考慮波流方向均為45°，海流表面流速以0.5 m/s為增量從0.5～2.5 m/s。依據作業窗口確定方法對各有義波高和周期的組合工況進行計算，得到各周期下允許作業的最大波高。圖8給出不同表面流速作用下立管鋪設的波高-周期作業窗口。

圖8 不同流速下作業窗口

由圖8可知：由于浪向保持不變，鋪管船RAO一致，因此不同流速下立管作業窗口包絡線變化趨勢基本一致，均在周期為10 s時出現作業窗口包絡線的極小值；此外，隨表面流速的增大，立管作業窗口呈小幅縮小的趨勢，當流速為2.5 m/s時立管的波高-周期作業窗口最小，當周期為10 s時可允許作業的最大有義波高為2.5 m。

表4給出當周期為10 s、有義波高為2.5 m時各流速下立管的動態響應。由表4可知，隨表面流速增大，立管最大應變出現微小幅度增長，頂部最大張力有一定的增長，增幅為14.3%，懸垂段最大彎曲應變和觸地點最大彎矩均減小，考慮到這是由于表面流速增大使立管和鋪管船受到更大的流載荷，從而改變觸地點的位置，影響立管構型，進而在一定程度上減小觸地區的彎曲受力。

表4 不同流速下立管動態響應

圖9給出當有義波高為2.5 m、周期為10 s時不同表面流速作用下立管最大應變、懸垂段最大彎曲應變沿立管長度的變化。由圖9可知：各流速下的立管最大應變均出現在上彎段68 m處，即第1節托管架與第2節托管架連接處；此外，隨著立管流速增大，立管上彎段各位置的最大應變呈增大趨勢，但增幅較??；立管在觸地區產生較大彎曲應變，隨著流速增大，立管觸地區的最大彎曲應變減小，且位置向遠離鋪管船的方向移動。

圖9 不同流速下立管最大應變、懸垂段最大彎曲應變沿長度變化

2.4 立管外徑對作業窗口的影響

考慮海流表面流速為1.09 m/s，波浪方向為45°，其他參數不變。依據API-5L規范[14]選擇合適的立管外徑和壁厚，不同外徑立管的參數如表5所示。

表5 不同外徑立管參數

圖10展示當壁厚為0.015 88 m時不同外徑立管鋪設的作業窗口包絡線。由圖10可知，隨著立管外徑的增大，立管作業窗口呈減小趨勢，因此，當外徑為0.323 85 m時立管作業窗口最小，當周期為10 s時立管可安全作業的有義波高范圍最小，可允許作業的有義波高最大值為2.34 m。

圖10 不同外徑立管的波高-周期作業窗口

表6給出周期為10 s、有義波高為2.5 m工況下不同外徑立管的動態響應。由表6可知，隨著立管外徑增大，立管最大應變、懸垂段最大彎曲應變、觸地點最大彎矩、頂部最大張力均呈增大趨勢，其中0.323 85 m外徑立管較0.168 28 m外徑立管的頂部最大張力增幅達45.5%，這是由于保持立管壁厚不變，逐步增加外徑，單位長度質量增加，在同樣的水深下軸向張力增大，從而對鋪設系統和張緊器的張緊能力提出更高的要求。

表6 不同外徑立管動態響應

圖11給出不同外徑立管最大應變、最大彎曲應變沿長度方向的分布。由圖11可知，隨著立管外徑增大，立管在同一位置的最大應變和最大彎曲應變增大。由于立管S形鋪設時在上彎段和觸地區均產生較大彎曲曲率，在相同的波流載荷作用下，外徑較大的立管由于有更大的自重，在與托管架相互碰撞接觸時，應變更大，更易發生應力集中，在觸地區立管的彎曲應變也更大。

圖11 不同外徑立管最大應變、懸垂段最大彎曲應變沿長度變化

2.5 立管壁厚對作業窗口的影響

保守考慮波流同向為45°，考慮到海流表面流速為1.09 m/s，根據API-5L規范選擇外徑和壁厚，不同壁厚立管的參數如表7所示。

表7 不同壁厚立管參數

圖12給出外徑為0.168 28 m時不同壁厚立管鋪設的作業窗口包絡線。由圖12可知：隨著壁厚的增加，立管鋪設的作業窗口呈減小趨勢。當壁厚為0.022 23 m時立管作業窗口最??；當周期為10 s時，立管可安全作業的有義波高范圍最小，可允許作業的最大有義波高為2.49 m。

圖12 不同壁厚立管波高-周期作業窗口

表8給出周期為10 s、有義波高為2.5 m工況下不同立管的動態響應。由表8可知，隨著立管壁厚增大，上彎段最大應變有小幅增長，0.022 23 m壁厚的立管較0.012 70 m壁厚的立管頂部最大張力增幅達71.5%，這是由于隨壁厚增加，立管單位長度質量增加，在相同水深中安裝立管需要更大的張緊力。但是，懸垂段最大彎曲應變和最大彎矩均隨著壁厚增加而減小，其中0.022 23 m壁厚的立管較0.012 70 m壁厚的立管最大彎曲應變降低幅度達43.3%，這是由于薄壁立管的彎曲剛度較小，在觸地點附近更容易產生較大的彎曲受力。此外，由于薄壁立管的慣性矩較大，因此在觸地點處的最大彎矩也較大。

圖13給出不同壁厚立管的最大應變、懸垂段最大彎曲應變沿長度方向的分布。由圖13可知，不同壁厚立管的上彎段最大應變沿長度分布基本一致，同一位置的應變隨立管壁厚增大而增大，最大應變峰值均出現在第1個托管架與第2個托管架相連接處。此外由于薄壁立管的彎曲剛度較小，在較大靜水壓力作用下，疊加復雜的環境載荷作用，在觸地點附近更容易產生較大的彎曲受力。隨著立管壁厚增大，立管觸地區同一位置的最大彎曲應變呈減小趨勢，觸地點位置朝鋪管船方向移動。

圖13 不同壁厚立管最大應變、懸垂段最大彎曲應變沿長度變化

綜上所述：波浪方向主要通過影響鋪管船的位移RAO而對立管所受應變產生影響；海流流速則主要影響作用于立管和鋪管船上海流載荷的大小，從而影響立管和鋪管船的運動幅值，進而影響立管的應變；立管的外徑和壁厚主要改變立管單位長度質量和彎曲剛度，進而影響立管在安裝時的軸向張力和應變水平，進一步影響立管的作業窗口。

3 極限鋪設水深分析

隨著鋪設水深的增加，立管承受的彎曲載荷、軸向拉力、靜水壓力增大，不可避免地發生較大變形，立管結構安全受到很大挑戰。

根據規范選擇合適的立管外徑和壁厚進行極限鋪設水深分析，并根據美國石油協會(API)RP 1111規范[15]所定義的外壓極限狀態設計標準對立管壓潰壓力pc進行計算，立管參數如表9所示，其中壓潰系數f0為0.7。數值模擬設定立管鋪設較為危險的環境工況，即波浪方向為45°、周期為10 s、有義波高為2.5 m、海流表面流速為1.09 m/s。同時針對不同的水深條件，通過調整立管長度和錨固點位置得到合理的立管鋪設整體構型，參數如表10所示。

表9 不同外徑和壁厚立管參數

表10 不同水深正常鋪設模型參數

圖14給出壁厚為0.022 23 m時不同外徑立管的頂部最大張力和最大應變隨水深變化。由圖14可知，外徑為0.273 05 m和0.323 85 m的立管在3 000 m水深中鋪設時，頂部最大張力均超過鋪管船的最大張緊能力400 t。此外，當外徑為0.219 08 m的立管在3 000 m水深中鋪設時最大應變為0.317%，當外徑為0.273 05 m的立管在2 500 m水深中鋪設時最大應變為0.309%，當外徑為0.323 85 m的立管在2 000 m水深中鋪設時最大應變為0.314%，均超過規范中動態分析應變限制值0.305%，這表明外徑為0.323 85 m的立管不能應用S形鋪設在超過2 000 m水深中安裝，外徑為0.273 05 m 的立管不能在超過2 500 m水深中安裝，外徑為0.219 08 m的立管不能在3 000 m水深中安全作業。綜上所述，隨著立管外徑增大，立管極限安裝水深逐步降低，且立管的極限安裝水深主要受到立管上彎段最大應變的限制。

圖14 不同外徑立管的頂部最大張力、最大應變隨水深的變化

圖15給出當外徑為0.168 28 m時，不同壁厚立管的頂部最大張力和最大應變隨水深變化。

圖15 不同壁厚立管頂部最大張力、最大應變隨水深變化

由圖15可知，隨著水深增加，立管頂部最大張力和最大應變均增大，且各壁厚立管的頂部最大張力均在鋪管船張緊能力范圍內，最大應變均滿足規范值0.305%的限制，因此當外徑為0.168 28 m時，壁厚為0.012 70～0.022 23 m的立管均可在3 000 m水深中安全作業。

4 結 論

對南海某氣田中采用國內某鋪管船鋪設SCR的實例進行分析，得到以下結論：

(1)S形鋪設SCR的作業窗口對浪向敏感，這與鋪管船的位移RAO密切相關。當45°和135°方向來浪時，SCR的波高-周期作業窗口較小，且受鋪管船運動影響，SCR在周期為10 s時有作業窗口極小值。在隨浪條件下進行鋪管作業更為安全。

(2)隨著表面流速增加，作用于立管和鋪管船的海流載荷增大，導致立管在上彎段與托管架的作用力產生微小增幅，作業窗口有一定的縮小趨勢。

(3)作業窗口大小主要受立管上彎段最大應變和頂部最大張力控制。隨著立管外徑、壁厚增大，立管單位長度質量增大，使立管軸向張力、上彎段最大應變均增大，因此立管的作業窗口減小，極限安裝水深減小。

(4)當外徑為0.168 28 m時，壁厚為0.012 70～0.022 23 m的立管均能在3 000 m水深中安全鋪設。當壁厚為0.022 23 m時，外徑為0.168 28 m 的立管能在3 000 m水深中安全鋪設，外徑為0.219 08 m的立管能在2 500 m水深中安全鋪設，而外徑為0.273 05 m的立管能在2 000 m水深中安全鋪設，外徑為0.323 85 m的立管能在1 500 m水深中安全鋪設。