钢悬链立管的敏感性分析与疲劳寿命预估

祝庆斌， 王 玮， 康 庄， 刘小飞

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨 150001)

钢悬链立管的敏感性分析与疲劳寿命预估

祝庆斌， 王 玮， 康 庄， 刘小飞

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨 150001)

通过建立缓波型钢悬链立管(Steel Catanary Riser,SCR)系统的时域耦合分析有限元模型，在时域内对设计好的系统进行动态分析。在分析中，考虑系统悬链线的质量、阻尼和流体加速度等随时间变化而产生的影响。通过分析管壁的厚度、浮力块布置长度、浮力块外径等重要参数对立管系统动力响应的影响，建立并完善钢悬链立管系统相关参数的敏感性分析。在原定参数的基础上重新选定优化后的参数，进行疲劳分析，并预估其疲劳寿命，验证模型的合理性。

钢悬链立管(SCR)；时域耦合分析；敏感性分析；疲劳寿命

0 引言

近年来，深海石油和天然气资源的勘探和开发工作发展较快，深海资源的开发利用可改善陆地资源日益稀缺的现状。对于深海工程系统，立管系统是必不可少的，它是连接水上浮体与水下井口的唯一结构，是海洋工程装备中最重要的结构之一。在众多立管样式中，钢悬链海洋立管以其优良的经济效益和技术优势，在深海油气生产开发这一工程难度较大的海工领域中得到了广泛的研究和应用。

BURKE[1]用梁的理论模拟立管，分析不同激振频率下相关响应的敏感度情况，发现由于水上浮式平台运动而产生相应立管的动力响应，在任何水深下都应该作为重要的设计指标。白勇等[2]对Spar平台配套的钢悬链线式油气输送立管进行分析探究，主要考虑涡流引起的水上浮式平台运动响应和立管被迫运动产生疲劳损伤的累积情况。秦伟等[3]推导出新型尾流振子模型，用于立管结构双向涡激振动响应的预报，并计算其时域下的疲劳损伤。

本文主要研究缓波型钢悬链立管系统，运用时域分析软件OrcaFlex，建立其有限元的数值分析模型，在时域内分别对西非作业海域钢悬链立管运行工况下，十年一遇的风生浪、涌浪、风和流组合工况进行研究，并针对其研究现状，选取相应的参数(如：立管尺寸参数中管壁的厚度，立管布局参数中的浮力块材料的外径和长度等)进行敏感性分析。通过数据结果的对比，最终确定相应参数，并应用雨流法和S-N疲劳计算曲线进行疲劳分析，预估疲劳寿命，验证其是否符合规范要求。

1 缓波型钢悬链立管系统模型参数

钢悬链立管的底端与海底工程设备相连，顶端通过挠性接头与浮力筒相连，浮筒位于30万吨FPSO的船首。立管总长1 714.5m，分为4类：立管挠性连接、带螺旋列板的立管、裸管和包裹浮力块的立管，共352段，具体模型参数见表1。由于立管系统模型各个部位的受力情况和计算精度的要求不同，各部位的单元划分也不同，最大的单元长2.096m，最小的单元长0.457m，模型如图1所示。

表1 缓波型钢悬链立管系统模型数据参数

图1 系泊浮筒及立管系统

立管所处环境为西非海域典型十年一遇的风生浪、涌浪、风和流的组合工况[4]。其中主涌的波浪谱为Gaussian Swell，风浪的波浪谱为JONSWAP，谱峰提升因子γ取3.3，环境工况方向为0°，流是剪切流，西非海域海洋具体环境条件见表2。

表2 西非海域海洋环境条件

2 立管参数的敏感性分析

深海中的钢悬链立管受复杂、多变和模糊性风险因素的影响，在海风、波浪和海流等环境载荷以及水上浮式平台FPSO运动的联合作用下，其动态响应问题十分复杂，需要详细分析校核钢悬链立管的尺寸参数和布局参数问题，以满足使用规范的要求。影响其性能的参数主要有：(1)环境因素。作业水深、海风、波浪和海流等。(2)作业因素。管内流体密度和与立管上部连接的相关浮式结构的偏移等。(3)其他因素。浮力块直径及长度、立管自身壁厚等有关尺寸参数和布局参数。

BURKE[5]和SPARKS[6]对立管的相关参数进行敏感性分析，就环境参数和作业因素对立管动力响应状态产生的作用进行了系统的分析研究。本文着重研究立管尺寸参数中的管壁厚度、布局参数中的浮力块外径和长度对立管系统强度的相关作用，以确定最佳的钢悬链立管系统设计方案，有效降低成本，保证缓波形钢悬链立管系统作业达到安全标准，敏感性分析中各参数取值见表3。

表3 敏感性分析中各参数取值

对钢悬链立管系统的运动情况进行了时域耦合分析，得到了时域下系统6个自由度的运动、等效应力、有效张力和弯矩随系统长度的变化值，选取其中有代表性的结果整理对比如图2所示。

图2 不同参数时立管系统的动态响应

从图2中可以看出：壁厚、浮力块长度和浮力块直径对立管系统动力响应的影响均较大。

(1) 如图2a所示：随着立管壁厚的增加，有效张力和弯矩随立管长度的变化趋势一致，但有效张力和弯矩的数值均随之变大；有效张力在浮力块分段随立管壁厚变化的改变不大，相差均在5%以内，但是在裸管部分，立管壁厚增加0.004 m，有效张力值增大可达15.4%；弯矩随浮力块分段管壁厚度的增加而减小，在裸管部分随管壁厚度的增加而增大。

(2) 如图2b所示：随着立管浮力块长度的增加，有效张力和弯矩随立管长度的变化趋势一致；有效张力随立管长度的改变变化较小，相差在10%以内，但是随着立管长度的增大，有效张力值先减小后增大；弯矩随着立管长度的增大先增加后减小，弯矩的峰值变化较明显。

(3) 如图2c所示：随着立管浮力块直径的增加，有效张力和弯矩随立管长度的变化趋势一致，有效张力数值随之变小，弯矩的峰值也随之减小；有效张力在浮力块分段随立管直径变化的改变不大，但是在裸管部分，立管直径增加0.03 m，有效张力值减小16%。这是因为把浮力块和其包裹的立管看成一个整体时，其直径的增大会在一定程度上增加相连立管材料的张力，相当于一定程度上增加了立管系统的刚度，从而减小了变形。

综上所述，在其他参数条件允许的前提下，立管壁厚应尽量小，浮力块的直径应尽量大，而浮力块的长度则比较复杂应具体考虑。因此，按上述方法反复进行大量计算对比最后选定立管的壁厚为0.046 8 m，外直径为0.709 m，其他参数不变，估算这组参数下钢悬链立管的疲劳寿命，以验证其合理性。

3 疲劳分析理论

该缓波型钢悬链立管系统的疲劳寿命分析是在时域内进行的。通过相关应力循环总次数和所设定应力的数值范围分析立管的疲劳损伤，所用到的基本S-N曲线[7]为

式中:N为在应力幅的相关作用下钢悬链立管因疲劳而产生失效时的循环总次数；S为应力幅值；a和m是依据标准实验得到的和材料相关的常数。

应力幅值范围的计算式为

式中：S0为名义应力范围；SCF为应力集中因子；(tfat/tref)k为厚度相关因子。

运用Miner累积损伤理论的规则计算此缓波形钢悬链式立管系统的疲劳损伤，表达式[8]为

式中:D为立管的疲劳损伤；n(Si)为设计寿命范围内对应于应力幅值Si的应力循环总次数；N(Si)为第i个应力幅下发生疲劳损伤失效时的应力循环总次数。当D=1时，结构将会发生破坏。因此，可以定义结构的疲劳寿命为

4 疲劳寿命计算

依据DNV规范要求，疲劳计算选用DNV-RP-C203中的S-N曲线，其相关参数见表4。

表4 S-N曲线参数

运用S-N曲线，输入不同有义波高条件下的平均跨零周期，见表5，计算得到运动疲劳分析图如图3所示。

表5 不同有义波高条件下的平均跨零周期

图3 运动疲劳分析图

由图3可以看出：整个曝光时间1年，在所示工况下，立管的疲劳寿命约为531年，符合规范要求。

5 结论

该文运用水动力软件OrcaFlex，考虑风、浪、流3方面的共同作用，建立了钢悬链立管系统时域耦合分析方法，对比分析了管壁厚度、浮力块外径和布置长度等不同参数对系统动力响应的影响，并预估了最终选定参数下系统的疲劳寿命。结论如下：

(1) 在其他参数定性或定量的情况下，在一定的数值范围内，管壁的厚度越大，系统的有效张力和弯矩值越大。在海洋工程立管的设计分析中，在满足强度规范且成本和性能可接受的情况下，立管壁厚偏小为好。

(2) 在一定的数值范围内，浮力块直径越大，系统的有效张力值越小，弯矩峰值也越小，说明立管所受弯矩的作用会随着浮力块外径的增大而减小。

(3) 浮力块长度所对应的立管力学性能呈波动趋势，说明存在一个最优的立管长度。在海洋工程领域中，浮力块的布置长度要综合考虑立管所规定的强度性能以及工程中的造价成本问题，以最优的性价比确定浮力块的尺寸。

(4) 在疲劳损伤计算分析中，估算缓波形钢悬链立管系统的疲劳寿命大小，得到其在应力疲劳载荷下的运动疲劳寿命为531年，满足立管使用寿命的要求。

[1] BURKE B G. An analysis of marine risers for deepwater [J]. Journal of Petroleum Technology, 1974，32(5):123-131.

[2] BAI Y, TANG A, SULLIVAN E O， et al. Steel catenary riser fatigue due to vortex induced spar motions [C]. Offshore Technology Conference (OTC)， Houston, 2004.

[3] 秦伟, 康庄, 宋儒鑫，等. 深水钢悬链立管的双向涡致疲劳损伤时域模型[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2013, 34(1): 26-33.

[4] 张磊, 杨建民, 彭涛，等. 西非多点系泊FPSO波频运动预报研究[J]. 中国海上油气, 2012, 24(2): 72-76.

[5] AZAR J J. A comprehensive study of marine drilling risers[Z]. American Society of Mechanical Engineers Petroleum Division，1978.

[6] SPARKS C P. Mechanical behaviour of marine risers mode of influence of principal parameters[C]. Proceedings of Winter Annual Meeting of the American Society of Mechanical Engineers，1979.

[7] 付俊杰. 深海钢悬链立管动力分析及触地点疲劳特性评估[D]. 上海: 上海交通大学, 2010.

[8] 杨和振, 李华军. 深海钢悬链立管时域疲劳寿命预估研究[J]. 振动与冲击, 2010, 29(3) :22-25．

Sensitivity Analysis and Fatigue Life Prediction of SCR

ZHU Qingbin, WANG Wei, KANG Zhuang, LIU Xiaofei

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

A coupling analysis model in time domain between FPSO and Steel Catenary Riser(SCR) system is established. The dynamic response of the designed SCR system is analyzed in time domain. In time domain analysis, the influence of the damping, fluid acceleration and mass change over time is considered. The influence of different parameters on the system is compared and analyzed, including the wall thickness of riser, the length of buoyancy blocks and the diameter etc. It contributes to perfect the sensitivity analysis optimization of the SCR system. The optimized parameters are selected based on the original parameters. Fatigue analysis is used to forecast its fatigue life and the rationality of the model is verified.

Steel Catenary Riser(SCR) ; time domain coupled analysis; sensitivity analysis; fatigue prediction

2016-05-06

国家自然科学基金资助项目(51209047)

祝庆斌(1993-)，男，硕士研究生

1001-4500(2017)01-0085-06

TE973

A