深海钢悬链线立管(SCR)安装强度分析

2012-01-23有为

船海工程 2012年1期

，有为，

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001)

深海钢悬链立管(steel catenary riser，SCR)按其构型可分为简单钢悬链立管(simple catenary riser SCR)、陡波钢悬链立管(steep wave SCR)、缓波钢悬链立管(lazy wave SCR)、L型钢悬链立管(bottom weighted SCR),见图1[1]。目前实际工程中应用最多研究最深入的钢悬链立管为简单钢悬链立管，安装强度分析也是针对简单钢悬链立管。

图1 钢悬链立管不同结构形式

与其它立管相比，钢悬链立管结构形式相对简单，由若干标准长度的钢管焊接而成，集海底管线与立管于一身，一端连接井口，另一端连接浮式结构。简单钢悬链立管通过钢制或钛制柔性节(flexible joint)自由悬挂在浮式设施外侧，这些应力节能够吸收潜在的平台运动。其底端自由垂放在海底，无需海底应力节或柔性节连接。因此,与柔性立管和顶张力立管相比,钢悬链线立管的成本低,无需顶张力补偿,对浮体漂移和升沉运动的容度大,适用于高温高压介质环境。这些特点使得钢悬链线立管取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水油气资源开发的首选立管系统。

1 SCR立管安装方案设计

立管的安装需要考虑的因素有很多，例如立管的尺寸和重量，安装船的费用，安装海域的环境条件以及安装周期等，对于SCR立管系统的安装，不仅要保证安装过程中的精度，还要保证安装过程中SCR的强度和安装船安装设备满足要求，所以合理的安装方案显得尤为重要。

假定中国南海的立管安装海域水深为1 500 m，属于深水铺管，综合考虑钢悬链立管的安装特点，选取J形铺管的铺管方式[3-4]。根据实际工程经验，将深水SCR的安装流程分为两个主要过程：铺管和移管。

1.1 铺管

按铺管方式以及铺管船到海底的管道形状划分,可以分为S形、J形铺管船,以及作为连续管的卷筒式铺管船。多数铺管船都属于S形铺管船,此类铺管船多用于较浅海域,也可用于深海。J形铺管法有着天然的深水适应性，较适合用于深海海域铺管。卷管式铺管既可以用于深海,也可用于浅海,但是管道直径不宜过大,一般不超过406.4 mm[5-6]。

J形铺管法是目前最适于深水和超深水的管道铺设方法。它通过J式托管架上的张紧器，将管线以几乎是垂直于铺管船的方式送入海中。在铺设过程中借助于调节托管架的倾角和管道承受的张力来改善管道的受力状态，达到安全作业的目的。

1.2 移管

移管是指在铺管完成后，通过主吊绳和辅吊绳的配合作用，将立管移至半潜式平台的过程。根据移管过程中不同阶段主吊绳和辅吊绳的受力特点，将其分为5个步骤。

1) 安装船通过辅吊绳拉紧SCR，主吊绳松弛。在铺管过程结束以后，整个SCR的重量全部由安装船承担。此时通过主吊绳与半潜式平台相连，并设定主吊绳至一定长度，而且没有预张力，该过程示意于图2。

图2 移管初始阶段

2) 安装船下放SCR，主吊绳松弛。SCR随着辅吊绳慢慢下放，但此时主吊绳还没有承担SCR重量，没有产生张力，该过程示意于图3。

图3 SCR开始下放，主吊绳未承重

3) 辅吊绳和主吊绳同时拉紧SCR。当SCR下放至某一深度之后，将要通过主吊绳慢慢回拉至半潜式平台指定位置，此时，主吊绳和辅吊绳同时承担SCR重量，该过程示意于图4。

图4 SCR下放至某一阶段后开始回拉

4) 主吊绳张紧，辅吊绳松弛。在SCR回拉的过程中，主吊绳的张力不断增加，辅吊绳的张力逐渐减小，SCR逐渐被拉至半潜式平台制定位置，该过程示意于图5。

图5 SCR回拉

5) 安装船与SCR断开，主吊绳拉紧SCR。SCR回拉过程结束，安装船与SCR断开，已经不承受SCR重量，辅吊绳没有张力。SCR悬挂于半潜式平台指定位置，该过程示意于图6。

图6 安装船与SCR断开，SCR安装完毕

在整个安装过程中，如果安装方式不一样，那么安装船在整个安装过程中可能需要不断的航行，已达到合适的安装距离。

2 SCR立管安装方案实例分析

2.1 实例介绍

为进行安装分析，比较保守地选取一年一遇的极限流速海况作为分析的条件。相关参数见表1。

表1 参数介绍

2.2 计算模型

在三维非线性时域有限元程序OrcaFlex中建模分析。

整个湿式SCR立管由3个截面不同的分段组成，A截面分段位于立管的最上面部分，这段立管安装有涡激振抑制装置，在下面的模型示意图中由深灰色部分表示；B截面分段为中间黑色部分；具有抗摩擦效果的C截面分段为浅灰色部分，见图7、8。

图7 铺管阶段计算模型

图8 移管阶段计算模型(整体)

2.3 计算结果

在整个安装过程中主要校核立管的等效应力，张紧器提供张力和吊绳的张力。在铺管过程中主要进行SCR最大等效应力的校核。因为在铺设过程中，立管极有可能会发生较大的变形从而导致立管所受应力超过许用应力范围，对立管的后续安装和以后的生产活动产生影响。而在移管过程中，立管基本会保持“J”形形态不变，因此立管不会发生较大变形而导致应力破坏。所以在移管过程中，除了校核立管的最大等效应力外，最重要的就是校核主吊绳和辅吊绳所受的张力，确保吊绳的强度符合要求。

2.3.1 铺管过程

在选定计算工况下，SCR最大等效应力以及张紧器提供张力，见图9、10。

图9 SCR最大等效应力曲线

图10 张紧器提供张力变化曲线

2.3.2 移管过程

在所选计算工况下，SCR在移管过程沿立管长度方向上的最大等效应力及主吊绳和辅吊绳的张力见图11～12。

图11 SCR最大等效应力曲线

图12 辅吊绳(transfer)张力曲线

图13 主吊绳(pull-in)张力曲线

2.3.3 结果分析

1) 在铺管阶段，立管的最大等效应力峰值出现在立管顶部和触地点附近的位置；在立管触地点位置之前和立管触地点之后的位置，立管的最大等效应力都比这一点应力小，在触地点之后和在触地点之前，立管的最大等效应力都急剧减小。所以在立管触地点附近的一段管道应注意应力校核或采取一定的防护措施，以避免应力过大对立管造成损坏。

2) 在移管阶段，立管的最大等效应力峰值仍然出现在立管触地点附近的位置；此外，根据主吊绳和辅吊绳的张力曲线可以看出两者的受力规律：辅吊绳在移管的前半阶段承担主要张力，而主吊绳在在移管的后半阶段承担主要张力。并且应根据所受张力大小选择合适的吊绳。