在位浮式平台回接钢悬链线立管安装设计

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(1.高泰深海技术有限公司， 北京 100029; 2.海洋石油工程股份有限公司 安装公司， 天津 304500)

在位浮式平台回接钢悬链线立管安装设计

朱为全1,宋亚新1,王铭飞1,李斌2,牛强2,刘月舟2,罗勇1

(1.高泰深海技术有限公司，北京100029; 2.海洋石油工程股份有限公司安装公司，天津304500)

详细介绍在位浮式平台的钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)回接安装的流程、安装分析方法以及分析准则。 以某半潜平台为例，对其钢悬链线立管的安装进行静态、动态和疲劳分析，得到安装作业的气候窗和关键状态最长待机时间等重要安装参数。

浮式平台；钢悬链线立管； J型铺管；安装

0 引 言

立管系统担负着将海底的石油或天然气传输到浮式平台和向海底注水注气等任务。目前常见的立管形式主要有：柔性立管、顶部张紧式立管、钢悬链立管(Steel Catenary Riser, SCR)和复合式立管。其中，SCR由于结构简单、安装建造成本低、满足大管径要求和耐高温高压等优点，被广泛地应用于深水油气的开发中。自1994年首次使用以来，目前世界上已经有百余条SCR立管完成安装并投入使用，其母平台包括张力腿平台、SPAR平台、半潜平台以及多点系泊的FPSO，最大安装水深达3 000 m[1]。

SCR安装是近年来深水工程研究的热点，与普通海底管道的安装相比，其安装更加复杂，需要根据安装船舶资源、气候条件、SCR本身特性和母平台特性综合考虑安装方案。根据所使用铺管船类型的不同，可将SCR安装方法[2]分为：S型铺管法(S-lay)、J型铺管法(J-lay)和卷管铺管法(Reel-lay)。目前，全世界这3种类型的铺管船共有数十艘。Subsea7，Saipem，EMAS等国外海洋工程安装公司同时拥有这3种铺管船，而国内目前仅有S型铺管船。根据母平台是新建还是已有，可选择不同的SCR安装流程：(1)SCR预铺设再回收安装法。首先将SCR预铺设在海底，等待新建母平台安装就位后，通过安装船对预铺设SCR进行回收并与母平台连接。该方法可使SCR铺设与平台建造同时进行，从而缩短了整个项目的建造周期。(2)SCR回接安装法。先将SCR从铺管船传递给现有在位平台并连接，然后从平台侧开始往海底终端方向铺设，一般采用J-型铺管或者卷管铺设。该方法常用于对现有在位平台的新增立管回接安装。

目前，国内已有多位学者对SCR安装分析进行了研究，于卫红等[3]基于SPAR平台, 对深水SCR的安装方法进行研究，给出SCR典型安装步骤，并采用有限元软件OrcaFlex对SCR的回收和穿越母平台底部的跨底拖转进行分析。陈严飞等[4]介绍SCR回收后跨底拖转的安装步骤，并对1 500 m水深SPAR平台钢悬链立管的跨底拖转进行计算分析。康庄等[5]对深水半潜平台SCR的J型铺管方法进行计算分析，得到适合安装作业的气候作业窗。汪红艳等[6]以南海1 500 m水深的SPAR平台为目标平台，对SCR的安装过程进行分析和研究。然而，现有研究大多针对SCR预铺设再回收安装法，对于SCR的回接安装流程的研究较少。

本文对现有平台的SCR回接安装流程进行研究，介绍其安装分析方法和设计准则，并以某半潜式平台的SCR回接安装项目为例进行安装计算分析，为今后的SCR回接安装设计和分析提供参考。

1 SCR回接安装方法基本流程

SCR回接铺设的基本流程如图 1所示，主要分3个阶段。

图 1 SCR回接安装基本流程

(1) SCR首端接入安装平台。首先在铺管船J型塔上安装好首段SCR管节与柔性接头，接头朝下并连接一段缆绳深入水中(如图 1a)所示)，利用ROV将缆绳与平台放下的绞车缆绳连接(如图 1b)所示)；铺管船一边驶离平台，一边铺放SCR，并适当调节J型塔的倾斜角度，以降低SCR顶端的弯矩；待SCR与缆绳形成的半圆弧度较大时，开始一边收绞车缆绳，一边铺放SCR，过程中需调节走船距离和J型塔角度(如图 1d)所示)，尽量使SCR各部分的应力达到最小；当柔性接头拉至平台的立管连接处附近时，连接水平缆，配合绞车缆绳一起将柔性接头拉入立管卡具(如图 1e)所示)。

(2) SCR铺设。当SCR首端接入平台后继续铺放SCR，直到全部的SCR从J型塔架铺出(如图 1f)所示)。铺设中同样需要控制每步的走船距离、SCR铺放长度和J型塔的倾斜角度，以减小SCR各部分的应力。

(3) SCR尾端在线结构(In-Line Structure, ILS)下放。在SCR尾端焊接ILS， ILS尾端焊接海底管道(如图 1g)所示)，将ILS上端系1个浮力块用于抵消其重力(如图 1h)所示)，并继续铺放海底管道，直到ILS到达海底(如图 1i)所示)。当ILS到达海底后，SCR安装结束，继而是海底管道正常铺设过程。

2 SCR回接安装分析方法与设计准则

2.1分析方法与步骤

完整的SCR回接安装分析一般包括静态分析、动态分析和疲劳分析：静态分析不考虑环境力和系统的运动, 目的在于确定铺管过程中的关键名义参数, 包括安装船位置、水平铺管长度、总铺管长度、顶部张力和海底管道离去角(J型塔倾斜角度)等；动态分析对静态分析中选取的关键工况进行考虑波浪和流作用的动力分析, 以确定铺管作业气候窗；疲劳分析的目的在于确定关键作业状态的最大停留时间，避免热点位置过度的疲劳损伤。详细分析步骤为：

(1) 确定安装细化步骤，设置静态分析工况。计算中首先将整个安装过程拆分成若干小步骤，从初始状态开始每步中分别调节安装船位置、J型塔倾斜角度、缆绳长度和铺管长度等，每一步作为1个静态分析工况。 通常视安装内容和设计深度的不同分为30～80个工况，工况选取的原则是不遗漏SCR或海底管道整段应力或顶部张力较大的情况。

(2) 静态分析。对每个工况在Orcaflex软件中建模并做静态计算，计算中安装船和平台处于静平衡位置，不考虑波浪和流的作用，得到SCR或海底管道静态最大应力、平台和安装船受到的最大张力等。若计算结果不满足设计准则，则需要重新调整安装细化步骤，最终保证每个静态工况结果满足设计准则。

(3) 动态分析。从静态分析工况中挑选控制工况做时域计算，计算中考虑波浪和流对管线的作用，并考虑安装船和平台在波浪和流作用下的运动。当安装船与平台距离过近时可能还需要考虑多船之间的水动力耦合作用[7]。动态分析关注的结果是SCR或海底管道动态最大应力、平台和安装船受到的最大张力等。若动态分析结果不满足设计准则，则需要降低作业海况等级或重新回到静态分析，调整安装细化步骤，再重新做静态和动态分析，提高其抵抗恶劣作业海况的能力。静态分析和动态分析的结果均满足设计准则的环境条件为可作业的气候窗。

(4) 疲劳分析。从动态分析工况中挑选出持续时间较长的工况(如ILS焊接、作业中歇待机状态等)进行疲劳分析。根据该海域的波浪散布图，设置不同等级波浪海况；对每个波浪海况进行动态分析，计算管节应力并对比S-N曲线得到管节的疲劳损伤；最终通过不同波浪海况的概率计算出单位小时的热点区域的疲劳损伤。疲劳分析的最终目的是计算出该状态最大可允许的持续时间。

2.2设计准则

分析结果需要满足以下设计准则[8-10]：

(1) SCR或海底管道在安装船端顶部张力不超过船上张紧器能力。

(2) 平台端缆绳顶部张力不超过锚机能力。

(3) SCR或海底管道的von Mises应力应不超过最大许用von Mises应力值(见表1)。

表1 最大许用von Mises应力值

(4) 根据DNV-OS-F101[8]，最大局部屈曲校核UC值应不超过表2中的许用值。

表2 最大许用局部屈曲UC值

(5) 整个安装过程，SCR管节和海底管道热点处的疲劳损伤不超过表3规定的最大值。

表3 最大许用局部屈曲UC值[10]

3 分析算例

本文以某半潜平台的SCR回接安装为例，研究其安装过程，并对结果进行分析。

3.1安装海域基本条件

该平台所处水深为1 200 m。动态计算中，考虑不同的波高、波浪周期和方向的组合，其中有义波高为1.0～2.5 m，平均周期为6～10 s，方向为0～180°。安装海域的流速保持不变，方向假定与波浪一致，表面流速为0.46 m/s。流剖面参数见表 4，海流剖面如图2所示[11]。由于风对SCR的影响较小，计算中不予考虑。将所有的海况组合进行计算，根据计算结果对比设计准则确定可作业的气候窗。

表4 流剖面参数

图2 海流剖面图

3.2铺管船参数

主安装船舶为某J型深水铺管船，船长204.65 m，型宽39.2 m，型深14 m，具有DP 3动力定位系统。J型塔高90 m，位于船中右舷，最大可倾斜角度为30°(与垂向的夹角)。该船主要技术参数见表 5，其总布置图如图3所示。

表5 J型深水铺管船的主要参数

图3 J型深水铺管船的总布置图

3.3SCR与海底管道参数

待安装的目标SCR管径为14英寸(1英寸=0.025 4 m)，壁厚1英寸，总长度为2 500 m；海底管道管径和壁厚与SCR相同，总长度为2 000 m。SCR与海底管道的裸管参数见表 6，涂层设计见表 7，涂层材料属性见表 8。

表6 SCR和海底管道的裸管参数

表7 SCR和海底管道的涂层设计

表8 SCR和海底管道的涂层材料参数

3.4在线结构物参数

在线结构物用于连接SCR与海底管道，如图4所示，其参数见表 9。安装中为了减小自重对SCR和海底管道的影响，在顶部悬挂1个净浮力为30 t的浮筒。

表9 在线结构物的尺寸和重量

图4 在线结构物示意图

3.5计算模型

本文采用OrcaFlex 软件[12]进行分析，计算模型如图5所示。

图5 OrcaFlex计算模型

模型包括：

(1) SCR、海底管道和绞车缆绳。SCR、海底管道和绞车缆绳采用线单元模拟。 OrcaFlex线单元算法基于集中质量和弹簧系统，即将SCR或者绞车缆绳的质量进行离散后分布在各个“节点”上，每个“节点”之间通过具有刚度的弹簧系统相连，并通过扩展的Morison方程计算线单元受到的水动力。

(2) 半潜式平台和铺管安装船。半潜式平台和铺管安装船使用船型模拟，船的6个自由度运动特性通过运动传递函数描述。运动传递函数通过水动力软件(如WAMIT等)计算得到后导入OrcaFlex模型中。

(3) 在线结构物和浮筒。在线结构物和浮筒模拟成6个自由度运动的浮筒，计算中考虑其受到的浮力、重力和流力。

(4) 海底。海底模拟成弹性表面，可模拟SCR与海底的接触。

3.6静态和动态分析结果

首先设置计算工况，将安装过程分成多个小步骤。以第1阶段SCR首端接入安装平台为例，可将其分成16个小步骤(见表10)：工况0为初始状态，此时船与平台位置如图 1 c)所示，最小间距为50 m，J型塔呈竖直方向(90°)，SCR伸出张紧器10 m；工况1为第1操作小步结束时的状态，铺管船驶离了40 m，同时船艏转了90°(如图 1d)所示)；由此一步步驶离铺管船，增加铺管长度，调节J型塔角度等，直到工况16状态，此时柔性接头首次接触半潜平台的立管架。

表10 静态分析结果示例

从表10的静态分析结果可以看出：SCR从开始状态10 m铺至1 460 m，绞车缆绳从开始600 m收至52 m，SCR顶部张力最大出现在工况16，为64 t，没有超出张紧器能力(400 t)，SCR最大的von Mises应力出现在工况8，为53%，满足设计准则。比较表10中不同工况结果可知：在SCR首端接入作业中，J型塔与水平面的夹角由90°逐渐减小到73.5°最后又增大至75°，在开始收缆绳之前达到最小夹角；船侧顶部张力随着铺出的SCR长度增加而逐渐增加；SCR最大应力发生在SCR铺出足够长度缆绳开始收回的时候。

若静态分析工况结果完全满足设计准则，则可以开展动态分析，根据静态分析结果选择若干个控制工况，选择的原则是不遗漏关键工况。 本算例选择SCR应力最大的工况6～11, 考虑不同波浪方向、波高、周期以及流速和流向，进行时域分析，得到最大张力和SCR应力，并进行统计分析。由于工况数目多，表11只列出了每个方向最大可承受的环境条件下的动态分析结果，包括最大张力、von Mises应力和局部屈曲UC值。

表11 动态分析结果示例

动态分析完成后即可将个安装过程中所有满足设计准则的环境条件列出作为安装的气候窗，表12为SCR首端接入安装平台、SCR铺设、SCR尾端水下结构下放3个阶段中所有工况动态分析总结后的作业气候窗。

表12 可作业的气候窗

从表12可以看出：环境方向在首迎浪(180°)时，可作业的气候窗最大，横浪(90°)时可作业的气候窗最小；另外系统承受尾部来浪(0，45°)比首部来浪(180°， 135°)的能力较弱，这是由于尾部来浪会使SCR弯曲曲率更大。

图6 疲劳分析热点分布

3.7疲劳分析结果

疲劳分析的目的是为了确定某些关键操作的最长允许时间，如焊接在线结构物的最长允许时间, 或管节焊接过程中的最长允许待机时间等。以在线结构物焊接(如图6所示)为例，在该状态下存在2处应力热点，一处是在立管夹具(在焊接在线结构物时，用来夹紧SCR的模块)附近，另一处为管线中垂最低点附近。 因此，分析中选择立管夹具出口处焊接点、立管夹具下1.5 m处的第1个焊接点以及中垂处焊接点3点，计算其在不同疲劳分析海况下的应力，并通过“雨流计数法”和S-N曲线得到单位时间内这些热点处的疲劳损伤，进而计算出最长允许的时间。见表13和表14。

表13 疲劳分析损伤结果

表14 疲劳寿命允许焊接在线结构物的最长时间

4 结 论

本文对现有浮式平台的SCR回接安装进行研究，得到以下结论：

(1) 在SCR首端接入作业中，SCR最大应力发生的情况为SCR铺出足够长度后和缆绳开始收入前。

(2) J型船进行SCR回接作业时，环境方向在首迎浪(180°)时，可作业的气候窗最大，横浪(90°)时可作业的气候窗最小，承受尾部来浪(0，45°)比首部来浪(180°， 135°)的能力较弱。

(3) 本文列出的SCR回接分析方法和具体的安全校核准则，包括静态分析、动态分析和疲劳分析，实施方便且可保证作业安全，可为今后的SCR回接铺设分析提供参考。

[ 1 ] 王懿, 段梦兰, 李丽娜,等. 深水立管安装技术进展[J]. 石油矿场机械, 2009, 38(06):4-8.

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InstallationDesignofTied-BackSCRforIn-ServiceFloatingPlatform

ZHU Weiquan1, SONG Yaxin1, WANG Mingfei1, LI Bin2NIU Qiang2， LIU Yuezhou2， LUO Yong1

(1 .COTEC Offshore Engineer Service, Beijing 100029, China; 2.Offshore Oil Engineering Corporation Installation Company， Tianjin 304500, China)

The general installation procedures, analysis methodology, and design criteria regarding a tied-back installation of Steel Catenary Riser (SCR) onto an existing floating platform are introduced. Exemplary static, dynamic and fatigue analyses are given for a SCR installed onto a semi-submersible to obtain key installation parameters such as limiting installation seastates and allowable welding stand-by time, etc.

floating platform; Steel Catenary Riser (SCR); J-lay pipelay; installation

2016-11-29

朱为全(1981-)，男，工程师

1001-4500(2017)04-0076-09

P75

： A