钢悬链线立管S形铺设极限水深

李 英,梁雪梅*,周 楠,王晓飞,李 斌

(1.天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

0 引 言

立管系统作为浮式平台与水下生产系统之间运输海底石油与天然气的通道，在海洋油气开发中起着至关重要的作用。钢悬链线立管(Steel Catenary Riser，SCR)由于其结构形式简单、经济性高等优点，已逐渐成为海洋油气开发的首选立管形式。S形铺设由于铺设效率高、适用水深范围较广、作业技术成熟，被广泛应用。在复杂的海洋环境中进行安装作业时，铺管船与立管耦合运动，严重时可导致立管结构破坏。因此，对SCR安装过程进行数值模拟，确定合适的安装作业气候窗口，探究S形铺设SCR的极限安装水深，对于我国开发深水和超深水油气具有重要意义。

国内外学者通过理论分析和数值模拟对立管安装过程开展大量研究。YOU等[1]基于大变形梁模型建立深水SCR安装力学模型。DUAN等[2]基于大变形梁理论、悬链线方法和Winkler基础模型，建立SCR提升过程的解析方程，并对立管的动态响应进行研究。在前人基础上，CHEN等[3]和GONG等[4]根据悬链线理论推导出S形铺设管道的静平衡微分方程，提出迭代求解管道整体形态的数值计算方法。张向锋等[5]运用有限元软件研究立管S形铺设过程中立管与托管架的相互作用、立管大变形等非线性问题。SHIRI[6]考虑海床与立管的非线性相互作用，通过Abaqus建立立管与海床作用的数值模型，对立管触地区的疲劳性能进行研究。此外众多学者[7-8]对钢悬链线式立管S形铺设过程进行敏感性分析，研究铺设水深、托管架半径和立管长度等参数对立管动态响应的影响。

在立管安装作业窗口的确定方面，WANG等[9]将立管最大等效应力作为安装窗口的限制条件，开展横向静力分析、横向振动分析和轴向振动分析，确定立管安全安装窗口。康庄等[10]使用OrcaFlex软件分析J形铺设过程中浪向、流速、立管结构等对作业窗口的影响。畅元江等[11]采用有限元分析软件建立张力腿平台立管安装作业模型，确定立管安装作业窗口的分析方法，研究立管间距、顶张力大小、波浪等对作业窗口的影响。HOU等[12]运用数值模型模拟立管预铺设各阶段，并对立管开展静态分析和动态分析，研究立管预铺设过程中应力应变等对环境参数的敏感性，并对立管铺设作业窗口的选择提出相关建议。综上所述，立管铺设作业窗口受到波流载荷、铺管船、立管结构等多重因素的综合影响，根据工程实际确定安装作业窗口对于保障立管安装系统的安全具有重要意义。

本文针对南海某气田铺管船正常铺设SCR的实例，明确波高-周期作业窗口确定方法，探究波浪方向、表面流速、立管外径、壁厚对立管正常铺设阶段作业窗口的作用机理，研究立管在不同水深下的适用性，进一步确定立管的极限安装水深，这对立管S形铺设作业窗口的确定具有重要的参考意义。

1 钢悬链线立管S形铺设数值模拟

1.1 SCR铺设实例

1.1.1 SCR参数

SCR材料采用X65钢材，防腐层材料为3层聚乙烯防腐涂层(3LPP)。立管的几何尺寸和材料特性等如表1所示。

表1 立管几何尺和材料特性

1.1.2 铺管船参数

表2给出铺管船的主要参数。该船配备4节总长度约106 m的桁架式铰接托管架，针对不同的立管和不同的作业水深，可调整各段之间的相对角度和滚轮支撑的位置，实现一定范围内的半径变化，调节范围为90～365 m。托管架结构形式如图1所示。

图1 托管架结构形式

表2 铺管船参数

响应幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)是在某自由度下浮体的运动响应幅值与作用在浮体上的规则波单位波幅的比值，反映浮体的水动力性能。与SCR相连的铺管船在0°、45°、90°、135°和180°浪向下各自由度的位移RAO如图2所示。

图2 铺管船位移RAO

1.2 SCR铺设模型

针对1 457 m水深S形铺设SCR过程，采用OrcaFlex软件建立模型进行作业窗口分析。SCR总长为2 828 m，将其划分为1 885个单元，单元长度为1.5 m，对立管锚固点位置进行多次调试，最终锚固点至船尾的水平距离为1 082 m。数值分析模型如图3所示。

图3 S形铺设SCR数值分析模型

运用OrcaFlex软件模拟5个波浪周期内的动态响应，采用隐式计算，设定最大为0.1 s的可变时间步长，以保证较高计算精度和计算效率。波浪运动选用Dean流函数进行模拟，保守考虑波流同向，波浪方向与铺管船之间的位置关系如图4所示。

图4 波浪入射方向

归一化后的流速剖面如图5所示。

图5 流速剖面

2 钢悬链线立管S形铺设作业窗口分析

2.1 作业窗口确定方法

以DNV GL-OS-F101规范[13]定义的立管最大应变、悬垂段最大弯曲应变和铺管船张紧器能提供的最大张紧力为限制条件，确定S形铺设SCR的作业窗口限制准则，如表3所示。保守选择一年一遇非台风工况，有义波高以1 m为增量从1～12 m，周期以1 s为增量从5～20 s，逐步更新迭代波高周期，通过OrcaFlex计算，根据作业窗口确定准则得到波高边界值，进而绘制各浪向下的波高-周期作业窗口。波高-周期作业窗口确定方法如图6所示。

图6 波高-周期作业窗口确定方法

表3 S形铺设作业窗口确定准则

2.2 波浪方向对作业窗口的影响

考虑海流表面流速为1.09 m/s，建立0°、45°、90°、135°、180°等5种浪向下的数值模型，逐步设置波高和周期进行计算，进而得到各浪向下的作业窗口，如图7所示。

图7 不同浪向下波高-周期作业窗口

由图7可知，SCR铺设的波高-周期作业窗口对浪向敏感，这是由于不同方向下铺管船的位移RAO有很大的不同。受到不同浪向下铺管船纵摇RAO的影响，在周期为12 s时浪向0°和180°的作业窗口边界线有极值，在周期为10 s时浪向45°和135°的作业窗口边界线有极值。在浪向为90°时铺管船横摇运动响应最大幅值出现在16 s，即在周期为16 s、90°来浪时可安全作业的波高最小。此外在0°和180°、45°和135°时各自由度下铺管船运动响应十分接近，但由于135°和180°来浪方向与SCR铺设方向相反，会导致作用于SCR的载荷增大，进而使作业窗口变小。对比各浪向下作业窗口的边界线极值可知，立管在45°和135°来浪时作业更危险，而在横浪或随浪条件下进行铺管作业更安全，但横浪作业会使立管铺设路径发生一定程度的偏移，在安装中应根据实际情况综合考虑。

2.3 表面流速对作业窗口的影响

保守考虑波流方向均为45°，海流表面流速以0.5 m/s为增量从0.5～2.5 m/s。依据作业窗口确定方法对各有义波高和周期的组合工况进行计算，得到各周期下允许作业的最大波高。图8给出不同表面流速作用下立管铺设的波高-周期作业窗口。

图8 不同流速下作业窗口

由图8可知：由于浪向保持不变，铺管船RAO一致，因此不同流速下立管作业窗口包络线变化趋势基本一致，均在周期为10 s时出现作业窗口包络线的极小值；此外，随表面流速的增大，立管作业窗口呈小幅缩小的趋势，当流速为2.5 m/s时立管的波高-周期作业窗口最小，当周期为10 s时可允许作业的最大有义波高为2.5 m。

表4给出当周期为10 s、有义波高为2.5 m时各流速下立管的动态响应。由表4可知，随表面流速增大，立管最大应变出现微小幅度增长，顶部最大张力有一定的增长，增幅为14.3%，悬垂段最大弯曲应变和触地点最大弯矩均减小，考虑到这是由于表面流速增大使立管和铺管船受到更大的流载荷，从而改变触地点的位置，影响立管构型，进而在一定程度上减小触地区的弯曲受力。

表4 不同流速下立管动态响应

图9给出当有义波高为2.5 m、周期为10 s时不同表面流速作用下立管最大应变、悬垂段最大弯曲应变沿立管长度的变化。由图9可知：各流速下的立管最大应变均出现在上弯段68 m处，即第1节托管架与第2节托管架连接处；此外，随着立管流速增大，立管上弯段各位置的最大应变呈增大趋势，但增幅较小；立管在触地区产生较大弯曲应变，随着流速增大，立管触地区的最大弯曲应变减小，且位置向远离铺管船的方向移动。

图9 不同流速下立管最大应变、悬垂段最大弯曲应变沿长度变化

2.4 立管外径对作业窗口的影响

考虑海流表面流速为1.09 m/s，波浪方向为45°，其他参数不变。依据API-5L规范[14]选择合适的立管外径和壁厚，不同外径立管的参数如表5所示。

表5 不同外径立管参数

图10展示当壁厚为0.015 88 m时不同外径立管铺设的作业窗口包络线。由图10可知，随着立管外径的增大，立管作业窗口呈减小趋势，因此，当外径为0.323 85 m时立管作业窗口最小，当周期为10 s时立管可安全作业的有义波高范围最小，可允许作业的有义波高最大值为2.34 m。

图10 不同外径立管的波高-周期作业窗口

表6给出周期为10 s、有义波高为2.5 m工况下不同外径立管的动态响应。由表6可知，随着立管外径增大，立管最大应变、悬垂段最大弯曲应变、触地点最大弯矩、顶部最大张力均呈增大趋势，其中0.323 85 m外径立管较0.168 28 m外径立管的顶部最大张力增幅达45.5%，这是由于保持立管壁厚不变，逐步增加外径，单位长度质量增加，在同样的水深下轴向张力增大，从而对铺设系统和张紧器的张紧能力提出更高的要求。

表6 不同外径立管动态响应

图11给出不同外径立管最大应变、最大弯曲应变沿长度方向的分布。由图11可知，随着立管外径增大，立管在同一位置的最大应变和最大弯曲应变增大。由于立管S形铺设时在上弯段和触地区均产生较大弯曲曲率，在相同的波流载荷作用下，外径较大的立管由于有更大的自重，在与托管架相互碰撞接触时，应变更大，更易发生应力集中，在触地区立管的弯曲应变也更大。

图11 不同外径立管最大应变、悬垂段最大弯曲应变沿长度变化

2.5 立管壁厚对作业窗口的影响

保守考虑波流同向为45°，考虑到海流表面流速为1.09 m/s，根据API-5L规范选择外径和壁厚，不同壁厚立管的参数如表7所示。

表7 不同壁厚立管参数

图12给出外径为0.168 28 m时不同壁厚立管铺设的作业窗口包络线。由图12可知：随着壁厚的增加，立管铺设的作业窗口呈减小趋势。当壁厚为0.022 23 m时立管作业窗口最小；当周期为10 s时，立管可安全作业的有义波高范围最小，可允许作业的最大有义波高为2.49 m。

图12 不同壁厚立管波高-周期作业窗口

表8给出周期为10 s、有义波高为2.5 m工况下不同立管的动态响应。由表8可知，随着立管壁厚增大，上弯段最大应变有小幅增长，0.022 23 m壁厚的立管较0.012 70 m壁厚的立管顶部最大张力增幅达71.5%，这是由于随壁厚增加，立管单位长度质量增加，在相同水深中安装立管需要更大的张紧力。但是，悬垂段最大弯曲应变和最大弯矩均随着壁厚增加而减小，其中0.022 23 m壁厚的立管较0.012 70 m壁厚的立管最大弯曲应变降低幅度达43.3%，这是由于薄壁立管的弯曲刚度较小，在触地点附近更容易产生较大的弯曲受力。此外，由于薄壁立管的惯性矩较大，因此在触地点处的最大弯矩也较大。

图13给出不同壁厚立管的最大应变、悬垂段最大弯曲应变沿长度方向的分布。由图13可知，不同壁厚立管的上弯段最大应变沿长度分布基本一致，同一位置的应变随立管壁厚增大而增大，最大应变峰值均出现在第1个托管架与第2个托管架相连接处。此外由于薄壁立管的弯曲刚度较小，在较大静水压力作用下，叠加复杂的环境载荷作用，在触地点附近更容易产生较大的弯曲受力。随着立管壁厚增大，立管触地区同一位置的最大弯曲应变呈减小趋势，触地点位置朝铺管船方向移动。

图13 不同壁厚立管最大应变、悬垂段最大弯曲应变沿长度变化

综上所述：波浪方向主要通过影响铺管船的位移RAO而对立管所受应变产生影响；海流流速则主要影响作用于立管和铺管船上海流载荷的大小，从而影响立管和铺管船的运动幅值，进而影响立管的应变；立管的外径和壁厚主要改变立管单位长度质量和弯曲刚度，进而影响立管在安装时的轴向张力和应变水平，进一步影响立管的作业窗口。

3 极限铺设水深分析

随着铺设水深的增加，立管承受的弯曲载荷、轴向拉力、静水压力增大，不可避免地发生较大变形，立管结构安全受到很大挑战。

根据规范选择合适的立管外径和壁厚进行极限铺设水深分析，并根据美国石油协会(API)RP 1111规范[15]所定义的外压极限状态设计标准对立管压溃压力pc进行计算，立管参数如表9所示，其中压溃系数f0为0.7。数值模拟设定立管铺设较为危险的环境工况，即波浪方向为45°、周期为10 s、有义波高为2.5 m、海流表面流速为1.09 m/s。同时针对不同的水深条件，通过调整立管长度和锚固点位置得到合理的立管铺设整体构型，参数如表10所示。

表9 不同外径和壁厚立管参数

表10 不同水深正常铺设模型参数

图14给出壁厚为0.022 23 m时不同外径立管的顶部最大张力和最大应变随水深变化。由图14可知，外径为0.273 05 m和0.323 85 m的立管在3 000 m水深中铺设时，顶部最大张力均超过铺管船的最大张紧能力400 t。此外，当外径为0.219 08 m的立管在3 000 m水深中铺设时最大应变为0.317%，当外径为0.273 05 m的立管在2 500 m水深中铺设时最大应变为0.309%，当外径为0.323 85 m的立管在2 000 m水深中铺设时最大应变为0.314%，均超过规范中动态分析应变限制值0.305%，这表明外径为0.323 85 m的立管不能应用S形铺设在超过2 000 m水深中安装，外径为0.273 05 m 的立管不能在超过2 500 m水深中安装，外径为0.219 08 m的立管不能在3 000 m水深中安全作业。综上所述，随着立管外径增大，立管极限安装水深逐步降低，且立管的极限安装水深主要受到立管上弯段最大应变的限制。

图14 不同外径立管的顶部最大张力、最大应变随水深的变化

图15给出当外径为0.168 28 m时，不同壁厚立管的顶部最大张力和最大应变随水深变化。

图15 不同壁厚立管顶部最大张力、最大应变随水深变化

由图15可知，随着水深增加，立管顶部最大张力和最大应变均增大，且各壁厚立管的顶部最大张力均在铺管船张紧能力范围内，最大应变均满足规范值0.305%的限制，因此当外径为0.168 28 m时，壁厚为0.012 70～0.022 23 m的立管均可在3 000 m水深中安全作业。

4 结 论

对南海某气田中采用国内某铺管船铺设SCR的实例进行分析，得到以下结论：

(1)S形铺设SCR的作业窗口对浪向敏感，这与铺管船的位移RAO密切相关。当45°和135°方向来浪时，SCR的波高-周期作业窗口较小，且受铺管船运动影响，SCR在周期为10 s时有作业窗口极小值。在随浪条件下进行铺管作业更为安全。

(2)随着表面流速增加，作用于立管和铺管船的海流载荷增大，导致立管在上弯段与托管架的作用力产生微小增幅，作业窗口有一定的缩小趋势。

(3)作业窗口大小主要受立管上弯段最大应变和顶部最大张力控制。随着立管外径、壁厚增大，立管单位长度质量增大，使立管轴向张力、上弯段最大应变均增大，因此立管的作业窗口减小，极限安装水深减小。

(4)当外径为0.168 28 m时，壁厚为0.012 70～0.022 23 m的立管均能在3 000 m水深中安全铺设。当壁厚为0.022 23 m时，外径为0.168 28 m 的立管能在3 000 m水深中安全铺设，外径为0.219 08 m的立管能在2 500 m水深中安全铺设，而外径为0.273 05 m的立管能在2 000 m水深中安全铺设，外径为0.323 85 m的立管能在1 500 m水深中安全铺设。