深水钢悬链线立管安装方案对比

于卫红，赵志朋，郭　亮

(太重(天津)重型装备科技开发有限公司，天津 300457)



深水钢悬链线立管安装方案对比

于卫红，赵志朋，郭亮

(太重(天津)重型装备科技开发有限公司，天津 300457)

为掌握SCR在海底提升过程中的动力特性，得到控制安装作业的关键参数，基于Euler-Bernoulli梁的复杂弯曲理论，采用两种不同的操作方案(非耦合方案和耦合方案)对海底提升(Pick Up)进行分析，结果表明，非耦合方案安装过程简单、便于控制，但绞车张力要求和张力波动较大，且SCR的应力/应变极值难于控制；耦合方案操作快、用时短，绞车张力及SCR整体应力/应变水平都得到了良好的控制。因此，深水和大管径/壁厚的或需充水安装的SCR应选择耦合方案，而浅水和小管径/壁厚的SCR应力水平低、对绞车张力要求低，可采用非耦合方案。

钢悬链线立管；深水立管安装；海底提升；耦合；OrcaFlex

钢悬链线立管(SCR)与浮式平台系统通常被认为是典型的深水开发系统[1-2]，SCR与浮式平台通过柔性接头(Flexible Joint)安装于平台外侧，立管自由悬挂形成悬链线形状，该系统使用水深可超过3 000 m。由于作业水深增加，浪、流等海洋环境条件更为复杂，且SCR长度及管径日益增大，在施工船运动和环境条件的共同作用下，SCR在安装过程中要承受静水压力、张力和弯矩等的联合作用，通常会表现出复杂的动力特性，其安全性受到很大威胁。为此，采用OrcaFlex软件对深水SCR安装的关键步骤——海底提升(Pick Up)进行仿真研究，基于两种不同的操作方案(非耦合方案和耦合方案)，对SCR在提升过程中的动力特性和关键控制参数进行分析，得到了两种方案的优缺点和适用范围，为深水SCR安装提供参考依据。

1　SCR安装方法

SCR安装的主要任务是由铺管船铺设后，通过柔性接头完成与平台的悬挂连接。SCR安装包括预铺设和平台连接两部分，根据铺设和平台就位的先后顺序以及铺设开始的位置，SCR常用的安装方法分为后铺设法(post-lay)、后建造法(post-construct)和预铺设法(pre-lay)三种[3]。后铺设法及后建造法均是在平台安装就位后，从近平台端或远平台端开始SCR铺设与安装。本文分析针对预铺设法，即平台就位前完成SCR铺设，通过弃管操作将立管临时放置到海底，当平台就位安装完成后，由远平台端进行海底提升及回收管操作等最终将SCR安装到平台上。采用预铺设法时，Spar平台的SCR安装包括以下步骤[4-10]。

1)铺管：采用S形铺管法、J形铺管法、卷管式铺管法或拖曳式铺管法按设计路由进行铺管。

2)末端弃放：铺管结束后，通过收弃绞车将SCR末端下放至海底，整根SCR暂时铺于海底。

3)海底提升：平台就位后，通过收弃绞车将SCR末端从海底提升至Spar龙骨下合适高度。

4)穿越拖拉：将SCR在提升的高度上从平台的一侧穿越平台底部传递到平台的另一侧。

5)悬挂：将SCR通过柔性接头悬挂于Spar平台外侧。

在以上安装步骤中，海底提升时SCR要受施工船移船速度、绞车收缆速度等影响，还要承受环境荷载和海床等的耦合作用，动力特性较为复杂，是最具挑战性和直接威胁作业安全性的安装步骤。根据移船与收缆操作是否同步，将海底提升操作分为非耦合和耦合两种方法完成[11]。

非耦合方法：移船与收缆操作不同步。

1)移动施工船到预定位置。

2)保持施工船位置不动，绞车进行收缆。

3)保持缆绳长度不变，移动施工船到下一位置。

4)重复以上步骤，直至SCR被提升至预定高度。

耦合方法：移船与收缆同步操作。

1)移动施工船到预定位置。

2)绞车收缆的同时进行移船操作，直至SCR被提升至预定高度。

2　分析理论及方法

SCR安装分析依据的是梁的弯曲理论，由于SCR属于细长结构，因此忽略其剪切变形。SCR的弯曲振动问题可采用Euler-Bernoulli梁的复杂弯曲理论，其控制方程有集中质量法、有限差分法和有限元法等多种求解方法，本文采用有限元方法进行求解。

海底提升(Pick up)分析采用OrcaFlex软件，分析模型主要包括SCR、收弃绞车和施工船等。此外，模型中还包括浮式平台，以确认管线与平台之间的间隙，保证安装过程中不会发生碰撞。

SCR采用LINE单元模拟，触地点受力较为复杂且位置会随时间发生变化，应力/应变值变化较大，而OrcaFlex软件给出的单元内结果为相邻两结点结果的平均值，因此悬垂段区域单元应进行细化。施工船和Spar均由VESSEL单元模拟，该单元可直接输入平台的运动RAO来得到运动响应，也可输入平台的荷载RAO和水动力系数由软件自行求得运动响应。施工船上设有收弃绞车，用于提升或下放SCR，该绞车采用WINCH单元进行模拟，通过分时间段进行参数设置来模拟SCR在不同阶段的变速提升。

3　海底提升分析

3.1分析参数

依托于Spar平台对一14 in的SCR进行海底提升安装分析。SCR海底提升安装分析将采用非耦合和耦合两种方法，其目的是对两种安装方法进行比较，得到SCR在海底提升过程中的动力特性和控制安装作业的关键参数，最终给出两种方案的优缺点和适用范围，为深水SCR提升方案选择提供指导。SCR参数见表1，施工船采用HYSY201，其关键技术参数见表2，Spar平台为第二代Truss Spar平台，作业水深为1 500 m，其关键技术参数见表3。

表1　SCR的物理和几何参数

表2　施工船的关键技术参数

表3　Spar平台的关键技术参数

3.2安装分析

参考墨西哥湾工程项目结论，将SCR悬垂段触地点最大弯曲应变控制在0.15%范围内，且收弃绞车应具有足够的张力能力，以控制悬垂段的曲率，使SCR的应力/应变水平满足设计要求[11]。为了便于收弃绞车缆绳与预铺设于海底的SCR端头提升锁具的连接，在海底提升操作开始时刻，施工船将位于提升锁具的正上方，待连接完毕且经ROV检查可靠后，使施工船远离Spar平台，以提供足够的水平张力，此操作方案中施工船与Spar平台距离为2 205 m。

两种方案的提升操作均分为14个阶段完成，非耦合方案的每一阶段移船速度为1.2 m/s，时间为250 s，每一阶段收缆速度为0.94 m/s，时间为250 s。海底提升操作结束时，吊头(Pull-head)位于水下320 m，且应保证施工船与Spar平台间30 m的间距，以防止碰撞。采用耦合方案安装时，安装船匀速向Spar方向移动，同时匀速收缆，移船速度与收缆速度与非耦合方案相同。两种方案下海底提升的SCR位形见图1。

图1　下海底提升的SCR位形图

3.3结果及分析

海底提升过程中，SCR的应力/应变水平和绞车张力水平决定着操作方案的可行性和优劣。两种方案下的Pull-head高度时程曲线见图2。

图2　下Pull-head高度时程

从图2可以看出在施工船不动/绞车收缆的阶段Pull-head被抬升，在施工船移位/绞车缆索不动的阶段Pull-head高度又有所下降，因此采用非耦合方案时，Pull-head高度存在波动。采用耦合方案时，施工船移位与绞车收缆同步进行，故SCR的Pull-head被持续抬升，直至到达预定位置，见图4。

两张方案下整个提升过程中绞车(A&R)张力时程见图3。

图3　下绞车 (A&R) 张力时程

可以看出，图3b)中张力逐渐地增加，而图3a)中张力出现剧烈的波动。这是因为A&R绞车张力波动主要是由提升过程中SCR悬垂段自重引起的，由环境载荷引起的张力变化影响很小。当采用非耦合方案时，由于Pull-head高度的波动(见图2a))，引起悬垂段长度的变化，从而引起绞车张力的剧烈波动。管线振动及张力波动对绞车本身和SCR应变控制都非常不利，在实际工程中应重点控制。比较图3a)、b)，可以得出非耦合方案中绞车的张力极值要大于耦合方案，这表明非耦合安装方案需要较大的张力，对绞车张力的要求更加严格，尤其是深水管线和管径/壁厚较大的管线安装时。

两张方案下整个提升过程中SCR最大弯曲应变的分布见图4。

图4　两种方案下SCR最大应变分布

从图4可以看出，与张力时程曲线类似，非耦合方案下SCR的弯曲应变分布也存在波动和突变，且SCR的弯曲应变极值和整根管线的应变水平均要大于耦合方案。提升过程中SCR最大弯曲应力的分布趋势与应变曲线类似。对于深水管线和管径/壁厚较大的管线，采用非耦合方案操作时，触地点处应变的控制难度较大。

4　结论

已有研究结果[11]指出非耦合和耦合方案均广泛应用于工程项目中，但仅给出非耦合方案下的SCR的应力水平，并未对两种方案的选择给出结论。本文计算结果表明：耦合方案中绞车张力及SCR整体应力/应变水平都相对较低；非耦合方案中应力/应变极值及SCR整体应力/应变水平均要大于耦合方案，绞车张力存在较大的波动和突变，这对绞车和SCR都非常不利。因此，深水和大管径/壁厚的或需充水安装的SCR应选择耦合安装方案；而浅水和小管径/壁厚的SCR应力水平低、对绞车张力要求低，可采用非耦合方案。本文操作数据及对比结论可为深水SCR安装方案制定提供参考依据。耦合方案操作快、用时短，但移船和收缆操作耦合，需事先通过大量的分析才能确定合理的方案。

[1] LI Zhi-gang, WANG Cong, HE Ning， et al. An overview of deepwater pipeline laying technology[J]. China Ocean Engineering, 2008,22(3):521-532.

[2] MILIOU A, SHERWIN S J, GRAHAM J M R. Fluid dynamic loading on curved riser pipes[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering , 2003,125(3):176-182.

[3] MENIER P. Devils tower export lines: 160 Miles of 18’ OD Reeled Rigid Pipe[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 2003.

[4] LEFFLER W L, PATTAROZZI R, STERLING G. Deepwater petroleum exploration & production[M]. USA, PennWell Corporation, 2003.

[5] BEN C. GERWICK, JR. Construction of Marine and Offshore Structures[M]. USA, CRC Press, 2007.

[6] BAI Y, BAI Q. Subsea Pipelines and Risers[M]. Great Britain, Elsevier Ltd, 2005.

[7] HANSEN V, SODAHL N, AAMLID O, et al. Reeling and J-lay installation of SCR's on roncador field[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, OTC, Houston, 2001.

[8] PHIFER E H, KOPP F, SWANSON R C, et al. Design and installation of auger steel catenary risers[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 1994.

[9] KOPP F, LIGHT B D, PRELI T A, et al. Design and installation of the na kika export pipelines, flowlines and risers[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 2004.

[10] JEFFERIES A T, DESALOS A P, VAN DER LINDEN C. Matterhorn export pipeline and steel catenary riser design, fabrication, and installation[C]∥Preceedings of Offshore Technology Conference, Houston, 2004.

[11] WANG X, ZHOU X, GINNARD A J, et al. Installation method evaluation of export SCRs[C]∥Offshore Technology Conference, Houston, 2001.

Comparison of Deepwater SCR Installation Plan

YU Wei-hong, ZHAO Zhi-peng, GUO Liang

(TZ (Tianjin) Heavy Equipment Technical Development Company, Tianjin 300457, China)

In order to obtain the dynamic characteristic and critical controlling factors, complex bending theory of Euler-Bernoulli beam is used to study the pick up procedure based on un-coupled method and coupled method. The results show that the uncoupled method requires much higher tension capacity of A&R winch, and there exists abrupt fluctuation of tension and high level strain/stress of SCR. For the coupled scenario, tension of A&R winch and strain/stress of pipe are all well controlled. Therefore, un-coupled method is more suitable for shallow water installation and SCR with small diameter/thickness, and coupled method should be selected for deepwater installation and SCR with large diameter/thickness.

SCR; deepwater installation; pick up; coupled; OrcaFlex

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.039

2015-08-05

2015-11-07

于卫红(1985-)，女，硕士，工程师

U674.38；P751

A

1671-7953(2016)01-0182-04

研究方向:深海浮式结构及其立管、系泊系统动力

E-mail:xiao_wei1985@163.com