地震载荷下竖立式刚性跨接管强度设计

苑健康，李旭，杨琥，赵党，王林

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

刚性跨接管主要用于深水油气田中水下井口、采油树及管线的连接。根据刚性跨接管连接器与水下设施连接形式的不同，可分为水平式刚性跨接管和竖立式刚性跨接管。对于处于地震区域的跨接管需针对地震载荷进行专门的强度设计。本文以RVMJ型及RVIUJ型刚性跨接管为例，进行地震载荷下竖立式刚性跨接管强度设计方法研究并对主要的敏感性因素进行分析，对类似形式的跨接管设计具有一定指导意义。

1 刚性跨接管类型

竖立式刚性跨接管的常用结构形式如表1所示[3][4]：

表1 主要刚性竖立式跨接管类型

其包括竖立式的刚性跨接管主要是为RVMJ和RVIUJ形式，竖立式跨接管的一些优势主要包括：无需复杂的着陆支撑，连接对接时可减小管道的偏移与所需的拉伸，允许多相流量计在跨接管上的竖向整体布置，对于后安装的保温材料填料口安装较为简单，只需直接对结构hub进行测量，较为简易。同时竖立式跨接管的使用也有一定的限制条件：不太适宜浅水环境，可能会受到渔网/拖网板与（或）流冰的影响；通常在主结构回收时不能在水下搁置；易于受到涡激振动与疲劳的影响。

2 地震载荷强度设计方法

2.1 地震载荷

位于地震活动区的跨接管，在地震发生时其主要破坏来源为地震引起的海床波动及由于土壤失效引起的永久性地质地貌变化，主要的永久性地质地貌的变化包括：断层、滑坡、不均匀沉降、海床裂缝[4]。

针对跨接管主要破坏的主要来源，地震载荷强度分析中主要对跨接管进行两类分析，一类是根据跨接管所在两端由于地貌变化引起的垂向（断层）及横向（裂缝）位移；另一类是根据地震引起的海床波动，对跨接管进行准静态和动态时域分析。

2.2 设计原则

对于位于地震活动区的跨接管，应进行极端工况校核（E x t r e m e）和生存工况校核（Survival）。极端地震工况一般指200年一遇地震加速度，地质地貌未发生永久性变形的地震工况，在此极端工况下对跨接管进行强度设计校核。生存工况是指发生了1000年一遇的地震载荷，同时海床发生永久性的变形，在生存工况下，需校核跨接管具有结构可能发生破坏但保持自身完整性的能力。

对于极端工况校核一般采取静态分析方法，使用200年重现期地震工况，校核结果保证跨接管强度在弹性范围内，并满足相应工作应力校核方法下的强度标准。生存工况校核采用动态或拟静态分析方法，使用1000年重现期地震工况，校核结果考虑材料弹塑性，满足跨接管相应的应变校核标准[5][6]，校核准则如下：

2.3 刚性跨接管FEA模型

使用Abaqus通用有限元软件建立模型[7]，跨接管管体采用PIPE32梁单元，跨接管两端连接器同样适用管体单元PIPE32进行模拟，考虑连接器的外径轮廓和等效重量壁厚。

2.4 地震分析载荷处理

竖立式刚性跨接管地震强度分析中加载的载荷主要如下[8]：

功能载荷：根据主要包括自重、温度载荷、内外压力。其中自重通过等效重力加速模拟跨接管的水下重。

地震载荷：跨接管地震载荷主要包括地震加速度模拟静态载荷、沉降裂缝引起的跨接管基础位移、海床地震时程运动。地震加速度模拟静态载荷主要用于Extreme工况下的校核，由下式计算：

其中m为跨接管的单位质量，as为200年重现期的地震加速度。垂向地震加速度取水平向的2/3。

地震时程数据主要用于动态时域分析，使用Survival工况下的校核。一般通过相关单位提供地震过程中大地在3个方向上的位移谱，如图1所示。

图1 地震海床运动时程

3 典型设计算例

根据本文第2节给出的方法，以南中国海海域某项目采油树与中心管汇之间的深水跨接管为例，对两种不同形式的竖立式刚性跨接管进行地震分析设计。使用设计数据见表2：

表2 算例设计参数

算例中两种类型的跨接管形状尺寸见图2、图3：

图2 算例RVMJ型跨接管尺寸

图3 算例RVIUJ型跨接管尺寸

3.1 极端工况校核结果

如图2、图3所示，建立有限元模型，跨接管重力载荷考虑水下重等效加速度，竖直方向除等效重力加速度外，与重力方向相同施加垂向的地震惯性力。水平方向除施加水平向地震惯性力外，再加载海流静态的拖曳力。分析后提取跨接管各个单元的等效应用，使用Extreme工况下应力校核标准进行校核，结果如表3：

表3 极端工况校核

如表3所示，算例跨接管在发生200年一遇0.035g地震加速度的情况下，满足强度标准要求。

3.2 生存工况校核结果

3.2.1 断层工况

在跨接管有限元模型一端加载垂向位移载荷，模拟断层高度，进行静态分析，计算跨接管应变，应用公式（1）、（2）进行应变标准校核，对于两种类型跨接管校核结果如表4：

表4 RVMJ及RVIUJ型跨接管断层校核

如表4所示，地震发生海床断层，断层高差小于6m的情况下，算例两种类型的跨接管可满足完整性要求。

3.2.2 裂缝工况

在跨接管有限元模型一端加载水平位移载荷，模拟裂缝宽度，进行静态分析，计算跨接管应变，应用式（1）、式（2）进行应变标准校核，对于两种类型跨接管校核结果如表5：

表5 RVMJ及RVIUJ型跨接管裂缝校核

如表5所示，地震发生海床裂缝，对于RVMJ型跨接管，裂缝宽度在1.4m时可满足完整性要求；对于RVIUJ型跨接管，裂缝宽度在1.2m以下时可满足结构完整性要求。

3.2.3 地震波载荷工况

根据本文2.4节中地震时程数据，在跨接管有限元模型一端加载时程位移载荷，进行25s的动态时域分析。根据分析结果，此过程中最大的瞬时真实应变发生在跨接管与连接器连接的袖管位置，且RVMJ型跨接管较RVIUJ型跨接管承受地震波载荷能力更强，校核结果见表6：

表6 RVMJ及RVIUJ型跨接管地震时程振动校核

图4 袖管位置应变变化曲线

4 结论

本文主要介绍了竖立式跨接管在地震载荷作用下的强度校核方法，并以1500m水深实际在建项目的中采油树与中心管汇的跨接管为例，使用有限元方法，对RVMJ和RVIUJ两种典型的竖立式刚性跨接管在海底断层、海床裂缝、地震波载荷等进行分析，得到如下结论：

（1）竖立式刚性跨接管管体，地震载荷下的破坏一般发生在与连接器连接的袖管位置（未考虑连接器自身的破坏），由于弯头具有较好的柔性，在弯头位置不易破坏。

（2）竖立式刚性跨接管承受断层载荷能力较强，主要原因为竖立式刚性跨接管在在竖直方向上的结构刚度较小，可承受更大的竖向变形；此外RVIUJ型跨接管具有更好的承受断层载荷的能力。

（3）竖立式刚性跨接管承受海床裂缝载荷的能力相对较弱，RVMJ型跨接管相对于RVIUJ型跨接管，具有更强的承受裂缝载荷能力，主要原因为RVMJ型跨接管的弯头数量更多，在水平方向的柔性更好，可承受更大的水平位移载荷。

（4）RVMJ型跨接管相对于RVIUJ型跨接管，具有更好的地震波动力响应性能，主要原因为RVMJ型跨接管的弯头数量及布置位置可承受更大的动力响应载荷。

（5）通过对两种型式的竖立式跨接管在地震载荷作用下的强度分析，对于有抗地震设计要求的跨接管，建议在选型设计中优先考虑RVMJ型跨接管。

◆参考文献

[1] 杨琥，李旭，何宁，等. M型跨接管设计中敏感性分析的参数化研究[J].舰船科学技术，2014，36(3)：125-130.

[2] 何同，李婷婷，段梦兰，等. 深水刚性跨接管设计的主要影响因素分析[J].中国海洋平台，2012，27(4)：50-56.

[3] 王林，李旭，杨琥. M型刚性跨接管地震分析方法研究[J].海洋工程装备与技术，2016，3(6)：356-360.

[4] American Petroleum Institute.API RP 17R.Recommended Practice for Flowline Connectors and Jumpers[S].2013.

[5] American Petroleum Institute.API RP 1111. Design,Construction,Operation, and Maintenance of Oあshore Hydrocarbon Pipelines (Limit State Design)[S].2015.

[6] American Petroleum Institute.API STD 2RD.Dynamic Risers for Floating Production Systems [S].2013.

[7] 曹金凤，石亦平. ABAQUS有限元软件常见问题解答[M].北京：机械工业出版社，2009.

[8] Yong Bai.Subsea Pipelines and Risers[M].Elsevier Science Ltd，2005:219-228.