何 宁王 波王 辉梁 辉张 昭

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.大连理工大学)

深水钢悬链线立管三维动力分析

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(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.大连理工大学)

基于钢悬链线立管系统动力学方程,建立了深水钢悬链线立管三维有限元分析模型,对深水钢悬链线立管系统在波浪、海流和浮体运动等载荷单独作用和共同作用下的响应特征进行了分析。在多项载荷作用下,钢悬链线立管表现出明显的平面外响应,并且响应具有非线性特征,立管上部悬挂点和底部着地点附近Mises应力较高,是立管的危险段。

深水 钢悬链线立管 三维模型 动力分析

立管系统是连接海面浮式装置 (以下简称浮体)和海底设备的重要设施[1]。依据材料类型及用途1)LEE J.Introduction to offshore pipelines and risers.2008.,立管可分为刚性立管、柔性立管和混合立管(前两者的结合体)。作为刚性立管的一种,钢悬链线立管在技术可行性和经济性方面具有优势,已成为连接深水湿式采油树的首选[2](图 1),但随着作业水深的增加和环境载荷的恶化,钢悬链线立管系统逐渐成为深水油气田开发系统中最薄弱的环节之一。因此,研究深水条件下钢悬链线立管系统分析技术以及在环境载荷和浮体运动共同作用下钢悬链线立管系统的运动响应特征,可以为我国南海深水油气田开发中钢悬链线立管系统的设计和安装提供技术支持。

图 1 深水浮式装置钢悬链线立管系统示意图

从 20世纪 50年代开始,国外就展开了对深水立管系统的研究,已在深水立管系统的设计、制造、安装,以及分析软件和新材料开发等方面取得了一系列成果,并形成了相关的国际标准和规范。例如, 1993年 Shell公司就在位于墨西哥湾的 Auger张力腿平台上安装了世界上第一套钢悬链线立管系统,用于 870m水深下油气的输出[3]。国内海洋油气田的开发主要集中在 300m水深以内的浅海海域,在深水立管方面的研究起步较晚,但也取得了一些成果;比如,黄维平等论述了钢悬链线立管系统的结构特征、设计施工、关键技术和应用前景[4],畅元江等使用 ABAQUS软件对深水管中管钢悬链线立管系统进行了二维非线性动力分析[5]。上述成果给出了深水钢悬链线立管的基本受力分析模型,但实际中钢悬链线立管系统处于复杂的环境载荷中,其不仅受到来自钢悬链线立管平面内的环境载荷作用,而且还受到垂直于或斜交于钢悬链线立管平面的载荷(出平面载荷),受力状况比较复杂,而常见的二维分析模型由于无法考虑出平面载荷及其对应的系统响应,因此分析结果有一定的局限性。笔者基于钢悬链线立管系统动力学方程[6],考虑钢悬链线立管系统出平面的三维受力工况,利用通用有限元计算分析软件 ABAQUS初步建立了深水钢悬链线立管三维分析模型,以期比较真实地反映实际钢悬链线立管的载荷状况和系统响应。

1 动力学方程

钢悬链线立管系统的动力学方程[6]可表示为在海洋环境中,钢悬链线立管所受载荷 F由重力

Fg、浮力 Fb、拖曳力 Fd和惯性力 Fi组成。由于钢悬链线立管属于小尺度结构,因此可以用Morison方程计算拖曳力 Fd和惯性力 Fi。Morison方程理论认为,波浪力是海水流经物体时水流速度引起的阻力和水体加速度引起的惯性力的线性叠加,其中,阻力是绕流时水质点运动速度突然变化而形成的,其与速度平方及阻水面积成正比,惯性力与水质点原有轨迹运动的加速度及被物体排开水体的质量成正比,可按下式进行计算[6]:

式中:ρ为流体密度;D为立管外有效直径;CD为拖曳力系数;CM为惯性力系数;u为波浪质点速度;u·为波浪质点加速度;U为海流速度。

2 钢悬链线立管模型

本文建立的深水钢悬链线立管三维分析模型如图 2所示。钢悬链线立管采用 PIPE31单元划分网格,海床假设为平面,采用平面刚体模拟。

图 2 钢悬链线立管三维分析模型示意图

参考国外常用深水钢悬链线立管系统基本参数,设定本文中钢悬链线立管尺寸和ABAQUS/Aqua模块中相关的水动力学参数(表 1)。海洋环境条件设定以我国南海海况为依据,具体环境载荷参数见表2,并作如下假设:①波浪方向与海流方向相同,且垂直于立管所在的 zx平面,即图 2中的 y方向,图 3给出了本文所采用的初始时的波浪幅值剖面图;②海流速度在同一水平面内保持为常量,且不随时间变化,仅是水深的函数,图 4为海流速度剖面图。由于缺少海底地貌和土壤有关数据,同时也为简化模型考虑,本文假设海床为刚性平面,并选取摩擦系数为 0.21)LEE J.Introduction to offshore pipelines and risers.2008.。分析中,钢悬链线立管上部悬挂点和底部锚固点采用铰支边界条件。通常,钢悬链线立管通过柔性接头或者应力接头连接到浮体之上。为了研究浮体运动对钢悬链线立管的影响,在钢悬链线立管上部悬挂点处施加与波浪同周期的正弦运动边界条件 (图 5),其运动响应表达式如下:

表 1 钢悬链线立管尺寸和水动力学参数

表 2 环境载荷及介质参数

图5 浮体运动曲线

分析过程包括 2个分析步:第一个分析步为静态分析步,主要用来调整钢悬链线立管在重力和浮力作用下的姿态,以确保其悬挂角处在一个合理的范围之内 (本文中钢悬链线立管悬挂角度约为14.50°);第二个分析步为动态分析步,用来计算钢悬链线立管系统在波浪、海流和浮体运动作用下的动力响应,分析时间为 100个波浪周期,即 650s。

3 模拟结果分析

为了研究比较钢悬链线立管在不同载荷下的响应,对钢悬链线立管在波浪、海流和浮体运动单独作用时和联合作用时的系统响应分别做了模拟。

3.1 着地点位置

钢悬链线立管着地点是指钢悬链线立管与海床接触段的起始点,是钢悬链线立管设计中应重点关注的区域之一。表 3列出了不同载荷作用下钢悬链线立管着地点距其上部悬挂点的水平距离 |xTDP-xHOP|和钢悬链线立管悬挂段的长度 lhang-off。从表 3数据可以看出,就钢悬链线立管着地点位置和悬挂段长度而言,波浪单独作用的结果和海流单独作用的结果完全一致,浮体运动单独作用的结果和所有载荷联合作用的结果完全一致。这说明,在本文所设定载荷的联合作用下,钢悬链线立管的着地点位置和悬挂段长度主要由浮体运动载荷决定,波浪载荷和海流载荷对其影响很小。

表 3 不同载荷作用下钢悬链线立管着地点位置和悬挂段长度 m

3.2 平面外位移

本文中,钢悬链线立管主要承受 zx平面外的波浪、海流和浮体运动载荷,所以钢悬链线立管在 zx平面外的系统响应是研究的重点。为考察钢悬链线立管上不同位置节点的响应特性,在钢悬链线立管上选取了 a、b节点进行位移模拟;节点 a位于立管悬挂段中部,距悬挂点 995m,节点 b位于立管的着地段,距悬挂点 2 995m,模拟结果如图 6～13所示。

图 6～9给出了动态分析步进行中钢悬链线立管节点 a、b在波浪、海流和浮体运动载荷作用下沿y方向的位移响应。图 10～13给出了动态分析步结束时钢悬链线立管在波浪、海流和浮体运动载荷作用下沿 y方向的位移响应。

从图中可以看出,节点 a对不同的载荷有不同的响应特点:在海流作用下节点 a快速发生偏移并趋于一个稳定值 (图 7),而对于波浪和浮体运动载荷节点 a的响应较为相似,表现为在其平衡位置附近振动(图 6和图 8)。图 6～9表明,钢悬链线立管上不同位置的节点(a或 b)具有不同的 zx平面外位移响应特性。这主要是因为,节点 a位于钢悬链线立管悬挂段中部,受波浪、海流和浮体运动的影响较大,所以位移较大;而节点 b位于海床之上,由于波浪、海流和浮体运动的影响在此已削弱以及摩擦力的存在,几乎没有发生移动。

在整体位移响应方面,钢悬链线立管对于海流的响应表现为悬挂段的整体偏移,且最大位移值发生在悬挂段中部(图 11)。钢悬链线立管对波浪和浮体运动载荷的响应形态有所不同,表现在钢悬链线立管悬挂段对波浪载荷的响应幅值较为均衡 (图 10),而对浮体运动载荷的响应幅值衰减较快(图 12)。

图 13给出了各种载荷联合作用 650s时钢悬链线立管在 y方向上的位移响应,由图上可以看出,钢悬链线立管的悬挂段明显偏离了其原来所在的 zx平面,最大位移响应值约为 4.41m,出现在钢悬链线立管悬挂段中部约 1 155.38m处。将图 13与图10～12相比较可以看出,钢悬链线立管在波浪、海流和浮体运动载荷联合作用时的位移值并不是它在各个载荷单独作用时位移值的简单叠加,而是表现出很强的非线性特征。值得注意的是,由于钢悬链线立管这种在 zx平面外大位移响应的存在,当浮体安装有多根钢悬链线立管时,应该进行干涉分析,以确保立管间留有足够的间隙。在恶劣海况下,多根钢悬链线立管之间存在碰撞甚至被损坏的危险[7]。

3.3 M ises应力

图 14给出了钢悬链线立管在静态分析步结束时,即仅受到重力和浮力作用时的Mises应力值。图15给出了钢悬链线立管在动态分析步结束前一个完整周期内的Mises应力包络线,图中Max曲线表示Mises应力的上限,Min曲线表示Mises应力的下限。从图 14和 15可以看出,无论是在静态载荷作用下还是在动态载荷作用下,钢悬链线立管悬挂段的Mises应力曲线都呈现出“两边高,中间低”的U字形。也就是说,钢悬链线立管的Mises应力局部极大值总是出现在 2个位置:一处是上部悬挂点附近(该值也是全局最大值);另一处是底部着地点附近。这一结果与文献[8]和[9]给出的结论一致,证明了本文构建模型的正确性。另外可以看出,与静力工况相比,动力条件下Mises应力最大变化幅值超过 40%,进一步显示了出平面载荷作用效应。同时,在动力情况下,越靠近上部悬挂点的位置其Mises应力变化幅值越大,反映出该位置受疲劳影响也更大。这一结果也表明,在钢悬链线立管的设计中,必须十分重视其上部悬挂点和底部着地点附近的应力和疲劳寿命分析。

4 结论

(1)钢悬链线立管在出平面波浪、海流和浮体运动载荷共同作用时的位移响应并不等于其在各载荷单独作用时响应值的简单叠加,而是具有明显的非线性特征。

(2)在出平面环境载荷和浮体运动的共同作用下,钢悬链线立管系统表现出明显的出平面位移;当上部浮体连接有多根钢悬链线立管时,应该进行立管间的相互干涉分析,以确保立管系统的整体安全性。

(3)钢悬链线立管上部悬挂点和底部着地点附近的Mises应力均为局部极大值,是钢悬链线立管的危险部位,同时在动力情况下,立管Mises应力变化幅值较大,立管疲劳效应更加明显,这在设计中应予以足够重视。

[1] 宋儒鑫.深水开发中的海底管道和海洋立管[J].船舶工业技术经济信息,2003,(6):31-42.

[2] SEN T K.Riser soil interaction in soft clay near the touchdown zone[C].OTC18896,2007.

[3] BAI Yong,BA I Qiang.Subsea pipelines and risers[M].Amsterdam;Loudon:Elsevier,2005.

[4] 黄维平,李华军.深水开发的新型立管系统:钢悬链线立管(SCR) [J].中国海洋大学学报:自然科学版,2006,36(5):775-780.

[5] 畅元江,陈国明,许亮斌,等.深水管中管钢悬链线立管的非线性动力分析[C]//《中国造船》第四届编委会.2007年度海洋工程学术会议论文集,2007:467-474.

[6] CHAKRABARTI S.Handbook of offshore engineering[M].Amsterdam;Loudon:Elsevier,2005.

[7] LAMBRMBRAKOS K F,GHOSH R.Verification of an analysis methodology for risers interference[C].OTC15386,2003.

[8] KARUNAKARAN D,LUND KM,NORDSVE N T.Steel catenary riser configurations for North Sea field developments[C].OTC 10979,1999.

[9] MANOUR G.The impact of the second order vesselmotion on the fatigue life of steel catenary risers:proceedings of the International Conference on OffshoreMechanics Arctic Engineering[C].Canada:OffshoreMechanicsArctic EngineeringDivision,AS ME.2004.收稿日期:2009-07-08 改回日期:2009-08-26

(编辑:张金棣)

Abstract:A three-dimensional finite element analysis model of deepwater SCR is built based on the dynamic equations of SCR.Responses of SCR system under wave,current and floater motions separately and assembly are simulated and analyzed. It can be concluded that SCR has responsesoutof the SCR plane which are nonlinear in case of multi-loads.The Mises stress in place near the SCR hang-off point and touch-down point are high,the corresponding parts are risky and should be paid more attention to them.

Key words:deepwater;SCR;three-d imensional model;dynamic analysis

Three-d imensional dynam ic analysis of deepwater SCR

He Ning1WangBo1Wang Hui1Liang Hui1Zhang Zhao2
(1.China Offshore O il Engineering Co.Ltd., Tianjin,300451;2.Dalian University of Technology, Dalian,116024)

何宁,男,工程师,1999年毕业于哈尔滨工程大学海岸与海洋工程专业,主要从事海洋工程技术研究工作。地址:天津市塘沽区丹江路 1078号 616信箱 (邮编:300451)。电话:022-66908152。