深水钢质懒波型立管技术进展及研究方向

王金龙，范嘉堃(.中国特种设备检测研究院 压力管道事业部，北京0007；.中海石油气电集团有限责任公司 研发中心，北京0009)

深水钢质懒波型立管技术进展及研究方向

王金龙1，范嘉堃2
(1.中国特种设备检测研究院 压力管道事业部，北京100017；2.中海石油气电集团有限责任公司 研发中心，北京100029)

作为一种改良型的钢悬链线立管(Steel Catenary Riser，SCR)，钢质懒波型立管(Steel Lazy-Wave Riser，SLWR)在深水油气开发中的应用越来越广泛。介绍了SLWR技术概况，调研了SLWR在海洋油气开发中的应用现状；分析了SLWR在力学分析、安装分析等力学方面的研究进展；进行了SLWR分析的主要理论介绍，包括悬链线理论和大挠度梁理论；最后就SLWR技术作出了展望，可对中国SLWR技术发展起到一定的参考作用。

深水；立管；钢质懒波型立管；大挠度梁理论；发展趋势

钢悬链线立管(Steel Catenary Riser，SCR)在使用过程中，随着水深的增长，水中悬挂段长度越来越长，海洋环境载荷更加恶劣。特别是悬挂在大运动幅度的生产平台上，SCR的顶部张力越来越大，对立管以及连接立管和平台的接头都带来了重大的技术挑战[1-2]。为了解决和适应此种工况下油气的开采，SCR发展出了很多种形式：简单悬链线式(Simple Catenary Riser)、懒波型立管(Lazy-wave Riser)、陡波型立管(Steep-wave Riser)、懒S型立管(Lazy S Riser)、陡S型立管(Steep S Riser)和顺应波式立管(Pliant Wave Riser)[3]等形式。为了减小立管顶端的悬挂张力，其中一种方法就是在SCR中间段钢管外侧安装多个浮筒模块，抵抗一部分张力，成为深水中可行的选择，这样形成的立管就是钢质懒波型立管(Steel Lazy-wave Riser，SLWR)。

本文介绍了SLWR技术概况，调研了SLWR在海洋油气开发中的应用现状；分析了SLWR在力学分析、安装分析等力学方面的研究进展；进行了SLWR分析的主要理论介绍，包括悬链线理论和大挠度梁理论；最后就SLWR技术作出了展望，并提出了相应的研究建议。

1 应用现状

钢质懒波型立管(Steel Lazy-wave Riser，SLWR)形态如图1所示。“懒”是指和海床接触处的管道轴线近似平行于海床，“波”是波浪的简称，是用来描述由于增加了浮筒模块而形成的立管形状。虽然这种立管比简单悬链线立管成本更高(需要额外制造及维护的浮筒和更高的安装成本，浮筒一般为更轻质的聚乙烯材料)，但能较大幅度降低立管的顶端张力，而成为在深水开发中的一种更加可行的SCR解决方案。由于浮筒的特性，增大了立管在海水中的浮力，顶端张力最大能下降50%左右。相对于简单悬链线立管，SLWR在底部形成拱弯段和垂弯段，能够将触地点(Touchdown Point，TDP)运动和顶端运动隔离开，减小顶端载荷，提高疲劳寿命[4]。

图1 简单悬链线立管和钢质懒波型立管结构形式

自1994年壳牌石油公司在墨西哥湾872 m水深的“Auger”张力腿平台安装了世界上第1条SCR[5]开始，经过20 a的发展，SCR在海上油气田开发中得到了迅速发展和应用。目前已有上百条SCR投入使用[6]，并且广泛应用于各种水深和各种浮式平台。

作为一种新型的、更先进的SCR，SLWR的第1次应用是在2009年位于巴西Campos Basin区域的Parque das conchas (BC-10)深水项目(如图2所示)。在该区块的1期工程Ostra、Abalone 和Argonauta B-west中，由壳牌石油公司在1 800 m水深处安装了7根SLWR在转塔系泊式FPSO(Floating Production Storage and Offloading，浮式生产储油卸油装置)上[7-8]。此举是为了在深水、超深水油气田开发中，提高立管的疲劳寿命，降低立管顶端载荷，解决SCR在这方面的不足。之后在2012年，安纳达科石油公司(Anadarko)在墨西哥湾约1 515 m水深的Caesar Tonga项目(如图3所示)中的Green Canyon 680区块安装了2根SLWR，并于2012-03-12投产。2根由管中管组成的SLWR回接到约1 515 m水深处的“Constitution”Spar(单柱式平台)上，它们的内部设计压力87.56 MPa(12 700 psi)，能耐93.33 ℃高温[9]。

图2 Parque das conchas (BC-10)油田布局

图3 Caesar Tonga油田布局

我国于2014-04-23投产第1个1 500 m水深的深水油气田——荔湾3-1(LW3-1)气田，采用水下生产系统+浅水导管架平台的生产模式，未使用深水立管。国内还无深水SCR和SLWR的实际应用记录，缺少相关技术积累，并且在深水SCR和SLWR的技术储备方面，与国外深水油气开发先进国家美国和巴西等差距明显。随着我国南海深水油气开发，相信SLWR在我国也会很快得到应用。SLWR的设计技术、分析技术和安装技术，需要进行深入详细的研究，以便提高深水立管技术储备水平，更好地服务于我国的深水油气田开发战略。

2 研究进展

SLWR分析主要有数值模拟、模型试验及实际监测分析3种方法。模型试验及实际监测分析成本高，而SLWR的数值模拟具有成本低、有效性高的特点。对于SLWR的动力响应、静力学模型和安装力学分析等研究还非常少，因此对于SLWR的一些关键力学问题进行详细而全面研究是很必要的，具有重要的学术价值和工程意义。

2.1 深水SLWR力学分析

深水SLWR在海水中除了受到风浪流等环境载荷作用外，还受到底端海床土壤的约束以及顶端生产平台运动的影响。SLWR在海水中管道长度非常长，立管顶端接近竖直，底端接近水平，而且由于安装了浮筒，呈现出拱弯段和垂弯段2个倾角和曲率变化都非常大的弯曲形态，具有非常强的几何非线性特征。因此，如何准确计算SLWR的形态以及受力状态成为各国研究人员关注的重点。

国内外很多学者对SCR的静力学形态、动力响应、涡激振动(Vortex Induced Vibration，VIV)、疲劳、管土作用、可靠性、管道铺设安装等特性进行了大量全面深入的研究，也取得了非常重要的成果。由于SLWR是一种特殊的SCR，SLWR和SCR在底端海床土壤约束、力学模型等诸多方面有很多相似之处，SCR的相关研究成果对于SLWR的研究有着重要的参考价值。很多研究人员参考SCR研究成果，对SLWR的力学模型提出过很多理论和方法，进行过一些非常重要的研究。

Li[10]将 SLWR管道模拟成3段简单的悬链线，并且研究了管道的动力响应，但悬链线理论忽略了管道的弯曲刚度，不能完整反映立管的力学特性。Quéau[11-12]使用悬链线理论、边界层、Winkler地基梁理论对SLWR进行了理论分析，但该文分析局限于静态，并且海水中大部分管道采用理想悬链线理论模拟，无法考虑海流和管道内流载荷，有很大局限性。da Silveira[13]提出了基于理想缆绳理论的SLWR的静态常微分方程的数学模型，对SLWR进行大量的参数分析，得到最优形态的SLWR。Campbell[14]详叙了最优最合适懒波形态的SLWR选择方法，提出了SLWR静态分析、动态分析、疲劳分析的一整套方法。Yue[15]使用商业软件OrcaFlex分析了几种不同拱弯形式的SLWR，并进行了比较。Torres[16]对注水用的SLWR进行了技术可行性的详细研究以及一根外输原油的SLWR进行了完整性和可行性的研究。Petruska[17]研究了在同一平台选择SCR、SLWR等不同立管的相关可能性。Balena[18]详细介绍了立管浮筒段的相关细节及浮筒段模拟成一等效单层管，并且对SLWR进行了疲劳分析。Santillan[19-20]系统研究了懒S型和陡S型立管的力学模型，并通过实验验证了在不同形态和边界条件下的数值结果的正确性。懒S型与懒波型立管形态几乎类似，不同之处仅在于懒S型立管的拱弯段浮力是通过浮筒和悬绳将大浮力加载在管道的一个点上，而SLWR是一段特定长度的浮筒段立管提供很长一段长度的竖直向上的浮力。Sun[21]采用集中质量法对陡波形立管进行了静态和动态分析，并针对浮筒长度对立管的动态性能的影响进行了参数敏感性分析。

深水脐带缆具有高柔性特征，但若脐带缆以懒波形态的形式安装布置在海水中时，其形态与SLWR形态相似，计算模型具备极大的借鉴意义。

Sun[22]使用有限元软件ABAQUS对懒波型脐带缆进行了参数分析。李清泉[23]对海洋环境载荷作用下懒波型脐带缆的方位角、拖曳力系数及浮筒半径等影响参数进行分析，分析结果表明脐带缆位置构型与这些参数之间有很大相关性。宋磊建[24]在给出悬链线和懒波型理论公式的基础上，研究了某一深海脐带缆进行悬链线布局和懒波型布局2种不同布局形式的选型设计，计算得到脐带缆在2种布局下的静态和动力响应，及其有效张力和弯曲曲率的分布特性。Ruan[25]提出了一种考虑环境载荷、弹性海床、边界层效应的深水懒波型脐带缆静力学理论模型，将懒波型脐带缆分为悬挂在海水中的缆绳段、邻近触地点的边界层段、海床段3段结构。

2.2 深水SLWR安装分析

深水SLWR在安装时与SCR有很多相类似的点，在安装过程中遇到安装工期、突发状况等情况时，立管会从安装船舶弃置到海底，或者从海底回收至安装船舶的弃置回收过程，从安装船舶转移到生产平台的转移安装过程等。SLWR由于浮筒段的存在，这些弃置回收和转移安装等过程非常复杂，对工程安装提出了相当大的挑战，而且立管安装对于立管的服役寿命也存在影响。因此在立管安装前，需要对管道进行大量的计算分析以保证安装的安全性[26]，选择最佳的安装方法与路径。一些工程师和学者对SLWR安装问题进行了大量的深入分析和研究。

Hoffman[27]叙述了SLWR的相关设计和安装内容，特别研究了SLWR与平台接头的细节。Lahey[9]叙述了在Caesar-Tonga 油田的Green Canyon 680区块1 514.856 m水深处安装的2根SLWR，并且详细描述了SLWR浮筒的安装过程(如图4所示)。

图4 浮筒安装现场

Senra[28]提出了SLWR设计面临的挑战，并且详细分析了SLWR的安装过程。Yue[29]对比研究了不同形态的SLWR，并且对SLWR使用J-lay方法安装的可行性进行了研究。Thomas[4]介绍了SLWR的弃置回收过程以及它在安装过程中遇到的挑战(如图5所示)，但该文没有具体描述弃置回收的力学模型，仅介绍了使用商业软件计算得到的结果。

(立管由上部的牵引缆绳悬挂。从左至右为弃置过程，反向则为回收过程)图5 SLWR弃置回收过程中立管形态

对于SLWR从安装船舶转移到生产平台的转移安装问题，目前研究非常少。Thomas[4]介绍了SLWR在转移安装过程中遇到的挑战，但没有具体描述转移安装时SLWR的数学模型，仅介绍了使用商业软件计算得到的结果。

以上是关于SLWR的安装方面的研究，主要是一些工程上的计算探讨，均未提出全面详细的模拟SLWR铺设、弃置回收、转移安装等不同安装过程的力学模型。SLWR的静力学、动力学、弃置回收、转移安装等安装过程还需要进行深入研究，提出全面详细的力学模型是非常有必要和有意义的。

3 主要力学模型

由于实际情况中立管的理论分析很复杂，具有复杂的受力状况，因此需采取一定的简化措施以及适当的状态方程来尽可能地真实反映立管实际的工作状况。运用纯理论的方法对立管进行分析很困难。本文主要叙述目前SLWR力学计算中用到的2种主要的力学模型：悬链线理论模型和大挠度梁模型。

3.1 悬链线理论模型

SLWR(如图6所示)的某一位置管道外侧安装上浮筒，增加此段的浮力，使得此管段浮力大于重力，因而向上拱起，形成了拱弯段。本模型为2维模型。SLWR为O-A-B-C-D-E之间的管段，以管道和海床刚接触的触地点TDP处标记为全局坐标系(x,y)的零点O。立管底端O点与海底管道相接，顶端E点通过柔性接头连接在海洋平台上，整段立管暴露在海中，受到海洋载荷及海洋平台传递过来的载荷的作用。SLWR中间安装有浮筒，由此分成3部分：下悬链线段O-A(0≤S≤Sl，S为从O点开始的管道弧长，Sl是下悬链线立管弧长)，浮筒段A-B-C(Sl≤S≤Sl+Sb，Sb为浮筒段立管弧长)，上悬链线段C-D-E(Sl+Sb≤S≤SL+Sb+Su，Su为上悬链线段立管弧长)。点B是拱弯段的最高点，称为拱弯点，其高度被定义为拱弯点高度Yarch，AB段称为拖曳段，BC段称为举升段。上悬链线段C-D-E呈悬链线形态，在D点附近处形成了悬垂段。D点是本段的最低点，定义为垂弯点，垂弯点高度Ysag也是SLWR的一个重要参数，CD段称为跨接段，DE段称为悬挂段。拱弯点与垂弯点之间高度差称为拱弯高度，高度越大，弯曲程度越大。E点为悬挂点，它的悬挂角为立管安装在海洋平台上的重要参数。悬挂角βhang-off是悬挂点切线与竖直y向的夹角，悬挂点倾斜角θE是悬挂点切线与水平x向的夹角，二者成互余角，βhang-off=90°-θE。水平跨度x是TDP到悬挂点E之间的水平距离。

根据懒波型立管布局及形态特征，下悬链线段OA、拖曳段AB、举升段BC、跨接段CD、悬挂段DE这5段可以看作为自由悬挂的悬链线。根据悬链线理论可以得到懒波型立管的形态理论公式[10，30]如下：

图6 SLWR模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

S4+S5=Su

(6)

S2+S3=Sb

(7)

S=Sl

(8)

y1+y2-y3-y4+y5=V

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：x1-5、y1-5、S1-5分别为下悬链线段OA、拖曳段AB、举升段BC、跨接段CD、悬挂段DE的水平跨度、垂直高度和管道弧长；T0是管道O点处水平张力；wr为单位长度的管道在海水中的沉没重力；we为单位长度的浮筒段在海水中的等效沉没重力，wb=-we。

利用上述公式，即可求解懒波型立管形态。

3.2 大挠度梁理论模型

根据非线性大变形梁理论[31]，将管道模拟为不可伸长的梁单元，不考虑扭转，采用局部坐标系(θ,S)(倾斜角θ为梁与水平x向倾斜角，管道长度S为从O点开始的管道弧长)，在法向和切向的微分方程[32]如下：

(18)

(19)

式中：T为轴向张力；EIj为弯曲刚度；wj为单位长度的管道在海水中的沉没重力。

在全局坐标系(x,y)中SLWR水平位移xj、竖直位移yj，沿着立管分布的弯矩Mj和剪力Fj可通过如下公式得到：

(20)

(21)

(22)

(23)

4 结语

各国的科学研究人员和工程技术人员在SLWR设计、分析、安装、运营等应用开发研究中取得了较为丰富的研究成果。随着海洋油气开发不断深入和科技不断发展，SLWR需要不断更新理念和技术来满足应用中的各种要求。在针对SLWR的动力学、安装力学等研究方面，还需要大量的深入研究。

1) 完善触地区管土作用模型研究。实际中海床土壤特性非常复杂，触地点的疲劳效应、管土作用机理需要深入研究，需要采用更复杂、更符合海床土壤实际特性的管土作用模型。

2) 开展SLWR安装过程中的动力学理论研究。SLWR的弃置回收和转移安装等安装过程的各个不同阶段的动态载荷复杂，分析难度大，应该考虑船体运动、锚链系统和波浪、海流等环境条件等因素对立管和缆绳受力的影响。

3) 开展SLWR模型试验。应该通过准确的SLWR模型试验，发现尺度效应的规律，不断修正模型试验结果，提高模型试验精度，为今后SWLR应用提供参考。

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State-of-the-Art Advancement and Research Direction of Deepwater Steel Lazy-wave Riser

WANG Jinlong1，FAN Jiakun2
(1.PressurePipelineDivision，ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute，Beijing100017，China；2.ResearchandDevelopmentCenter，CNOOCGas&PowerGroup，Beijing100029，China)

As a kind of advanced SCR，Steel lazy-wave riser (SLWR) has gained more application in the development of deepwater oil and gas field.The technology overview of SLWR and its application status in offshore oil and gas development are introduced.The advancement of mechanic analysis and installation analysis is presented.The two main theories of SLWR analysis，including the catenary theory and large deflection beam theory is proposed.Finally，the outlook of SLWR in the analysis and the development direction in China is discussed，and it can provide certain guidance on the development of SLWR.

deep water；riser；steel lazy-wave riser；large deflection beam theory；developing trend

2016-12-19

国家重点基础研究发展计划(973 计划)“深海工程结构的极端环境作用与寿命服役安全”(2011CB13702)

王金龙(1988-)，男，工程师，博士，2015年毕业于复旦大学流体力学专业，现从事海底管道分析、检测技术工作，E-mail：wangjinlong132@126.com。

1001-3482(2017)03-0001-07

TE95

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.001