何 杨, 孙国民, 赵天奉

(1.海洋石油工程股份有限公司设计公司, 天津 300451; 2.中国石油大学, 北京 102249)

深水立管干涉分析研究

何 杨1, 孙国民1, 赵天奉2

(1.海洋石油工程股份有限公司设计公司, 天津 300451; 2.中国石油大学, 北京 102249)

随着立管长度的增加，海洋立管间的干涉风险也在增大，在深水油气田开发的早期就应关注立管干涉问题。立管干涉包含了复杂的物理现象，其中水动力相互作用对于众多立管系统的干涉分析来说不可忽略。该文主要根据DNV-RP-F203规范介绍了基于水动力相互作用的深水立管干涉分析方法，给出了深水立管干涉分析的设计流程，探讨了立管干涉的可接受标准，为深水立管设计分析提供借鉴。

深水立管；干涉；水动力相互作用；尾流效应；拖曳力放大

0 引言

当油气勘探走向深水时，随着立管长度的增加，海洋立管间的干涉风险也在增大。立管干涉是深水浮式生产设施设计中的一个关键问题，它对于浮体概念选择、定位系统确定以及立管系统布置产生决定性的影响。因此，在深水油气田开发的早期就应关注立管干涉问题。

立管干涉包含了复杂的物理现象，对于很多立管系统来说，在立管干涉分析中必须考虑相邻立管间的水动力相互作用。稳定流速下的水动力相互作用研究较多，如Huse[1，2]、Huse&Kleiven[3]、Kavanagh[4]等人的工作具有一定的代表性；但关于波浪加载引起的相互作用研究比较少，仅有Duggal & Niedzwecki[5，6]等开展了一些工作。此外还进行了大量实验来研究多圆柱体间的水动力相互作用，Blevins[7]和Zdravkovich[8]对此进行了综述，Fontaine等[9]研究了SCR之间的碰撞，Fernandes等[10]给出了暴露在流下的柔性跨接管的试验结果。在这两种情况下，都观察到了尾流效应引起的碰撞，但是仍然缺少由波、流和浮体运动的复合加载引起的水动力相互作用试验结果。立管干涉的机理研究还在继续，这些基础研究需要充分了解荷载的机制以及彼此之间如何相互作用，但在实际工程设计中，需要引入由保守合理的假设支持的简化方法。

工业界传统的设计方法是在正常条件或者是极端条件下都不允许出现立管的碰撞，但是过于保守的设计往往带来成本的大幅增加和效益的显著降低，因此，寻求实用的立管干涉评估方法变得日益重要。该文主要根据挪威船级社的“立管干涉”推荐做法DNV-RP-F203 对深水立管干涉的分析方法、可接受的准则等问题进行探讨。

1 立管干涉分析关键技术

1.1 立管干涉的主要影响因素

对于单根立管来说，一般承受波、流、受迫的波频以及低频的浮体运动等荷载作用。对于两根相邻立管来说，二者之间是否发生碰撞会受到很多因素的影响，主要包括：(1)加载环境；(2)在浮体上及在海床终端处立管的间距；(3)立管结构形状和立管张力；(4)在初始条件和偶然情况下的浮体偏移量，偶然情况如一根或多根锚链失效；(5)海生物；(6)水动力相互作用，包括屏蔽、尾波不稳定性及涡激振动；(7)涡激振动抑制装置的使用，例如螺旋列板；(8)立管作业，例如输送介质密度的变化，钻井/完井/修井作业；(9)偶然荷载工况，例如预张力损失或者浮力损失；(10)由于在质量、直径、有效重量、施加张力或者有效张力等方面的不同导致立管具有不同的静态/动态属性。

1.2 水动力相互作用

水动力相互作用分析与模拟是立管干涉分析的关键技术，对于不同的立管系统来说，水动力相互作用的重要性程度不同。如果水动力相互作用的区域与立管的总长度相比非常小，则可以忽略水动力相互作用，例如具有不同悬挂角的顺应式立管间的相互作用或者与锚链的相互作用。但是对于顶张力立管系统来说，进行立管干涉分析时必须考虑水动力相互作用问题。

在立管干涉中，将来流方向近端的立管称为上游立管，将来流方向远端的立管称为下游立管(如图1所示)。从保守设计的角度考虑，上游立管上的水动力相互作用可以忽略不计，这样上游立管可以被视为一根孤立的立管。因此只需要充分重视水动力相互作用对下游立管的影响。

图1 上游立管与下游立管

影响立管干涉分析最重要的两个水动力相互作用的现象是尾流效应和拖曳力放大效应。其中尾流效应是指由于上游立管的屏蔽作用，使两根立管间距有减小的倾向，同时导致下游立管上受到的平均力减少；拖曳力放大效应是指由于涡激振动的作用会导致拖曳力出现放大，影响到作用在上游立管和下游立管上的平均力。

1.2.1 尾流效应

上游立管产生的尾流场会影响到作用在下游立管上的水动力荷载。对下游立管平均力的影响包括由屏蔽效应引起的平均拖曳力折减及由尾流场的速度梯度引起的升力。

因此，平均拖曳力系数和升力系数将依赖于立管之间的相对距离。在局部坐标系中描述平均力系数是最方便的，流体的流入方向为x轴，横向方向上为y轴。坐标原点位于上游立管的中心(如图2所示)，V0定义为自由流速。

图2 下游立管上拖曳力系数和升力系数的坐标系

图3和图4给出了圆柱体上的平均拖曳力系数和升力系数的例子，该圆柱体位于另外一个相同直径的圆柱体的尾流中，这些系数是两个圆柱体之间相对间距的函数。

图3 尾流中圆柱体上的平均拖曳力 图4 尾流中圆柱体上的平均升力

当立管靠近时可以看到明显的屏蔽效应。此外，可以看到平均升力朝向尾流中心线，这意味着它将尽力把立管推向尾流的中心。

1.2.2 拖曳力放大效应

在整体立管干涉分析前先对上游立管和下游立管单独进行涡激振动分析。上游立管被保守地看做是一根孤立的立管，下游立管上的涡激振动响应基于平均位置处局部的流入速度，以该位置的响应来代表涡激振动响应。

可以利用振幅来表征拖曳力放大。对于振动拖曳力系数增加，推荐由Vandiver[11]给出的表达式：

(1)

作为保守分析，一般将上限值用于上游立管。对于下游立管上由VIV引起的拖曳力放大，采用下限值，将趋向于使立管的平均位置彼此相互接近。

2 立管干涉分析工具及流程

图5 立管干涉分析流程

当需要考虑水动力相互作用时，通常使用通用元软件来进行立管干涉分析。由于干涉分析的复杂性，同时针对多根立管进行干涉分析会导致工作量剧增且难以收敛，因此，在目前的工程实践中，通常会对同一时刻的两根临近立管进行整体结构分析，给出立管的最小间距。这样的分析通常是通过使用特定的弯曲、轴向、扭转特性的三维梁单元来建模。

立管干涉分析的主要流程：

(1) 考虑浮体偏移和流加载因素来确定碰撞是否可能发生。环境条件中无方向性的值和船体偏移应用于所有的方向上，从0°～360°，典型地每一步以5°～10°为宜。忽略多根立管的任何水动力相互作用，对每根立管计算由自由流加载引起的静态偏移量，如果这个静态偏移量小于名义静态条件下立管间的最小间距，可以得出结论立管干涉是不可能发生的，也就没有进一步分析的必要了。

(2) 如果初步评估揭示出相互作用效应是显著的，则要求进行精确分析，分析中要考虑可能的水动力相互作用效应。对于尾流效应来说，可以采用如下程序：(1)计算静态的上游立管结构形状；(2)计算在输入流荷载作用下静态的下游立管结构形状；(3)考虑来自上游立管的屏蔽效应，计算对下游立管的流入；(4)考虑算出的流入作为流荷载，重新计算下游立管的结构形状；(5)重复进行第三步和第四步直到收敛；(6)对于拖曳力放大效应来说，需要考虑前面描述的由于VIV引起的拖曳力放大。

在考虑了尾流效应和拖曳力放大效应后，对立管的最小净距进行判断。如果不满足要求，则需要进行立管布置的重新设计或考虑其它可接受的标准。

3 立管干涉的可接受标准

目前在工业界有两种不同的可接受标准。第一种是禁止碰撞，鉴于立管干涉预测的高度不确定性，工业界的传统做法是在正常条件甚至是极端条件下，都不允许出现立管的碰撞(API RP 2RD)。

在深水工程实践中，过于严格的设计规范要求带来了成本的大幅增加和效益的显著降低，因此出现了第二种可接受标准，即在临时、偶然和极端条件下允许出现碰撞，且满足下列条件：进行整体荷载效应分析时，应充分考虑水动力相互作用；进行结构相互作用分析并对碰撞的后果结合认证试验和设计计算进行评估，结果表明未危及到结构完整性，允许出现偶发的碰撞。在极端或者偶然荷载工况下放松不允许碰撞的设计原则，由此所带来的费用节约是非常显著的，为此，在一些实际工程中放宽了对立管干涉的要求，在极端情况下可以发生碰撞。

图6 最小间距标准

需要注意的是，在第二种可接受标准下，仍然禁止顺应式立管的浮力块、立管与锚链、立管与其它结构(如中水浮筒、立管与未受保护的外部线状物)发生碰撞。

立管间的间距可用于衡量立管碰撞的可能性。最小间距要求(MSR)是指上游立管和下游立管间的面与面之间的距离(净距)要求。如果在流和海况作用下立管间的最小间距小于MSR，则具有较高的碰撞可能性，否则，不会发生碰撞。

第二种可接受标准对于较远的尾流区参数化尾流模型是适用的，该区是指在上游圆柱体后大于2倍直径的区域，但对于较近的尾流区，还不能充分地描述流动行为，因为这是一个高度非线性现象。另一个问题是，在净距评估分析中不包括邻近立管的VIV响应，最大的VIV位移为每根立管的一倍直径，考虑两个圆柱体可能的VIV来选择最小的间距标准。在图6中，Δ定义为两个圆柱体外侧边缘间的距离，由此对于具有相等外径的立管，推荐最小净距为2倍的外径。

对于具有不同外径的立管，推荐两根立管的外径之和作为可接受标准。因此，为了避免碰撞，最小的间距由式(1)给出：

(2)

该标准并未体现任何的安全系数，工程设计实践的做法是取2.5倍的安全系数，取最大管径，设计中尽量避免出现立管碰撞，根据实际工程的一些经验，一般来说要保持立管间4D～5D的净距。

4 抑制立管干涉的主要措施

总体而言，为了使临近立管系统获得类似的性能经常规定设计目标的重量/直径比。需要注意的是重量/直径比受到海生物的显著影响，对于小直径重量较轻的立管特别重要。因此，应对带有海生物和没有海生物的情况下设计目标的重量/直径比进行校核。

4.1 顺应式结构形状的设计参数

对于顺应式结构形状的立管布置，可以考虑下列减轻立管干涉或降低接触引起的荷载效应：(1)根据类似的静态/动态属性对立管分组，如重量/直径比；(2)增加耐磨性，如在喇叭口，I/J型管和浮体接触区域等地方增加外护套；(3)设计相邻的系统结构形状，使得立管在不同的竖向位置处跨越；(4)在水平和竖直方向上与邻近立管结构错开；(5)使用不同的竖向悬挂角使立管分开；(6)使用不同的水平方向悬挂角使立管分开；(7)可通过清洁立管来去掉海生物；(8)通过改变浮力块或配重块分布来修正有效张力，从而调整横流结构形状刚度。

为了避免由于锚链失效对立管造成损伤，通常在任何情况下不允许锚链在立管上方跨越。

4.2 顶张力立管列阵的设计参数

在SPAR和TLP平台上作业的TTR以竖向或接近于竖向的立管集束方式布置，这些立管表示为立管列阵，在立管列阵中，单根立管的数量也许达到20根或更多。

顶张力和立管间距是减轻立管干涉的主要设计参数。增加顶部张力或加大浮体终端处的立管间距，与此相关的成本可能会非常高。为减轻立管干涉或降低接触引起的荷载效应而建议的其它设计变化是：(1)根据类似的静态/动态属性对立管分组，如重量/直径比；(2)清洁立管来去掉海生物；(3)为减少碰撞引起的荷载效应可在立管关键区域内采用缓冲器或涂层；(4)张紧器同步作用来对立管列阵中的全部立管施加相等的负载或相等的有效长度；(5)在关键位置处采用间隔框来使立管保持分开状态。

5 结论

随着深水油气田开发的不断发展，立管干涉的问题会变得尤为突出。由于立管干涉包含了复杂的物理现象，其分析研究和工程设计的难度较大。通过研究，得出初步结论如下：

(1)水动力相互作用分析与模拟是立管干涉分析的关键技术。对于不同的立管系统来说，水动力相互作用的重要性程度不同。对于顶张力立管系统来说，进行立管干涉分析时必须考虑尾流效应和拖曳力放大效应的水动力相互作用问题。

(2)对于立管干涉问题工业界有两种不同的可接受标准。第一种是在任何情况下禁止碰撞。第二种是允许极端条件下出现碰撞，但是要开展响应的评估和试验工作。

(3)在立管设计中可以通过采取一系列措施来避免立管干涉。最简单有效的措施是控制立管间净距大于两倍的管径，工程实践中一般推荐为4～5的管径。

[ 1 ] Huse E. Interaction in Deep-Sea Riser Arrays[C].OTC paper，1993.

[ 2 ] Huse E. Experimental Investigation of Deep Sea Riser Interaction[C].OTC paper，1996.

[ 3 ] Huse E, Kleiven G. Impulse and Energy in Deepsea Riser collisions Owing to Wake Interference[C].OTC paper，2000.

[ 4 ] Kavanagh W K, Imas L, Thompson H，Lee L.Genesis Spar Risers: Interference Assessment and VIV Model Testing[C].OTC paper，2000.

[ 5 ] Duggal A S, Niedzwecki J M.An Experimental Study of Tendon/Riser Pairs in Waves[C].OTC paper，1993.

[ 6 ] Duggal A S, Niedzwecki J M. Regular and Random Wave Interaction with a Long Flexible Cylinder[C].OMAE 1993.

[ 7 ] Blevins R D. Flow induced vibrations[C]. Krieger publishing company, 1994.

[ 8 ] Zdravkovich M M. Flow Around Circular Cylinders[C].Oxford University Press，2003.

[ 9 ] Fontaine A C, Capul J, Rippol T, Lespinasse P. Experimental and Numerical Study of Wake Interference and Clashing between Steel Catenary Risers[C].OMAE 2007.

[10] Fernandes A C， Rocha S D, Coelho F M, Jacob B P， Queiroz J V, Capanema B, Merino J A.Riser Clashing Induced by Wake Interference[C].OMAE 2008.

[11] Vandiver J K. Drag Coefficients of Long-Flexible Cylinders[C].Offshore Technology Conference, OTC 4490，1983.

Study on Deepwater Riser Interference Analysis

HE Yang1, SUN Guo-min1, ZHAO Tian-feng2

(1. Engineering Company, Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China;2. Offshore Oil/Gas Research Center, China University of Petroleum, Beijing 102249， China)

The risk of interference between marine risers increases with increasing riser length. Riser interference should be addressed in early stages of the deepwater riser design process. Riser interference comprises complex physical phenomena including hydrodynamic interaction which should not be neglected for most of riser system interference analysis. In this paper, deepwater riser interference analysis approach based on the hydrodynamic interaction is introduced according to DNV-RP-F203, the corresponding design procedure is given and the acceptance criterion of interference analysis is discussed, which provide reference for deepwater riser interference analysis.

deepwater riser; interference; hydrodynamic interaction; wake effect; drag magnification

2013-07-15

何 杨(1978-)，男，工程师。

1001-4500(2014)04-0046-05

P756

A