高 杰， 刘军鹏*， 刘永波， 张振兴

(1.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院, 北京 102200; 2.海洋石油工程股份有限公司, 天津 300450)

柔性立管在目前深水油气田开发中应用最为广泛,对其运动状态进行监测是保障海上油气生产系统安全可靠运行的重要手段。随着海洋油气工程发展,立管监测技术也不断提高,目前用于立管运动监测的装置主要有有线、声呐无线、自容式[1]3种类型。监测时需将仪器安装至立管指定位置,记录该点的运动状态及规律,用于立管的完整性管理和可靠性评估,如Marlim油田P-18半潜式平台和Tahiti油田Spar平台立管的监测[2-4]。考虑到各类监测仪器都具有一定的质量,而且需要在立管上不同位置“附着”,这势必会对立管的整体构型产生影响,尤其是柔性立管,其在水下的运动幅度较大,端部拉力和最小曲率半径必然发生变化,评估该变化是否在允许的范围之内,是工程上决定是否采用监测装置的关键。针对立管的动力学分析,学者们已经做过大量研究并取得丰富成果。姜峰等[5]对3种极端海况下的海洋立管波浪、海流载荷同时作用下的动力可靠性进行了计算,并得到了海况严峻程度与最大米塞斯等效应力以及海洋立管的动态可靠度的相互关系。吴涛等[6]对大应变钢悬链线输流立管动力特性进行了研究,得出内流,立管弹性模量以及顶部张力通过影响结构的固有频率来影响立管的动力特性。王琳等[7]采用有限元方法研究了不同程度段塞流对立管系统的影响,并对结果进行了实验验证。

对于立管的整体性能影响,学者们主要是对刚性立管或柔性立管的涡激振动[8-12]及抑制进行了相关的研究；曲晶瑀等[13-14]对比了裸管与安装有整流罩及螺旋侧板立管的整体性能,发现合理的整流罩弦厚比与螺旋侧板弦高对减小立管升阻力和抑制立管涡激振动具有一定的作用,但未考虑装置重力对立管最大张力和曲率的影响。目前针对安装有立管涡激振动抑制装置及立管运动监测设备的柔性立管,还未有深入的研究,而装有载荷的立管由于局部附加质量以及水动力系数等发生了变化,从而导致立管局部受力过大或曲率半径变小,进而使对立管整体结构的最大张力及立管弯曲强度具有一定的影响,当外界环境较为恶劣时,由于局部附加质量增加,导致立管张力和曲率发生较大变化,张力的增大、曲率半径的减小及受力不均匀会导致立管表皮或内部结构由于过度拉伸或扭转产生破坏,对海洋油气安全生产造成威胁,因此,有必要对安装有监测仪器的柔性立管进行相关的整体性能分析,发现附加载荷对立管的影响规律,验证装有监测设备立管的安全性能。

现以中国南海某油气田的9.25 in(1 in=25.4 mm)柔性立管为研究对象,基于ORCAFLEX软件,建立了立管整体分析模型,结合实测的油田海洋环境条件,采用,对该柔性立管安装立管运动监测装置前后进行了不同波浪方向的整体分析,获得了不同波浪方向下,立管运动监测装置质量以及安装位置对立管整体性能的影响规律,该规律对于海洋立管监测设备的设计、安装及立管系统的安全运行具有重要的参考意义。

1 整体分析模型

1.1 柔性立管的力学模型

基于集总质量法,采用ORCAFLEX软件对柔性立管进行了数值模拟。分析基于以下假设：①柔性立管单元的几何特性和材料特性是恒定的；②立管的底端在所有方向和旋转上受海底水平管道约束；③考虑到立管自重和外荷载的影响,分析属于小应变大变形问题[15]；④利用Stokes第5波模拟平台的运动,作为立管顶端的边界条件。

1.2 理论分析模型

基于集中质量法,将柔性立管建为一条直线,将其划分为一系列线段。线段仅模拟线的轴向和扭转特性。其他属性(质量、浮力等)都集中到节点上。集中质量法模型[16]如图1所示。

图1 集中质量法理论

1.3 立管及管线构型

选取南海某油田柔性立管为分析对象,该油田水深约420 m,采用“浮式生产储油船(floating production storage and offloading，FPSO)+水下生产系统”的开发模式,柔性立管悬挂在FPSO船体上,该船长255.8 m,船重为195 295 t,船体及立管具体参数如表1所示,柔性立管的整体为懒波构型(Lazy Wave)构型,如图2所示。海面以上为FPSO船体,水面以下为整条柔性立管,浮力块区域下端与海底水平管线区域通过立管管夹进行连接。

表1 船体及立管属性

L1～L6为各段管线长度；L1为悬垂段区域；B1为浮力块区域；B2为压紧夹；T1为系绳；W为压载区域

图3 柔性立管内部结构

柔性立管为非黏结多层结构,包括骨架层、内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、防磨层、保温层以及外保护套等共12层,具体结构如图3所示。

基于柔性的立管的构型及具体结构,建立整体分析模型，如图4所示。

图4 立管整体分析模型

1.4 边界条件

将浮式生产储油船(FPSO)的响应振幅算符(response amplitude operator，RAO)作为柔性立管顶端的边界条件,将柔性立管顶部与FPSO底部相连。立管的底端与海床上水平管道直接连接；此处不考虑海床摩擦力。要正确地模拟系统的动力学特性,获得RAO振幅和相位的精确值是非常重要的。

根据水动力计算结果,将计算好的顶部浮体各个浪向6个自由度的运动响应数据(RAO)按照顺序依次填写到对应的栏目中。在进行立管分析时,这些参数一般由浮体设计部门事先给出。

1.5 分析步骤

对柔性立管进行整体分析,以评估监测装置引起的附加载荷对柔性立管的影响。为了评估柔性立管的性能,应在整体分析中计算柔性立管的静态结构和因环境影响而产生的位移、曲率、力等整体响应。

整体分析包括静态分析和动态分析两个方面。静态分析可以确定系统在重量、浮力和阻力作用下的平衡构型。此外,它还可以为动态分析提供初始条件。在大多数情况下,静态平衡条件是动态分析的最佳起点。动态分析是从静态分析得出的位置开始,对模型在指定时间段内的运动进行时间模拟。

2 分析过程及结果

2.1 环境设置

根据实际监测数据,设置海水温度为10 ℃,海水密度为1.025 t/m3,水深为420 m,取Stokes`5th波,平均波高7.5 m,波周期为10.5 s,海流速度类型为剪切流,其流速剖面如图5所示。

图5 流速剖面

海水表面流速最大,表面流速为0.99 m/s,有海水表面到海底,海流速度依次降低,接近海底的流速为0.26 m/s。

2.2 分析过程

考虑到本项目设计的立管运动监测设备与夹具总质量为125 kg,拟开展75、125、150 kg附加质量载荷施加在相应的位置进行整体性能分析,因为未考虑浮力影响,所以得到相应分析数据相对保守,结果偏于安全。立管运动监测重点针对3个区域：悬垂段,浮力块区域、触地区,因此需要在对应位置安装监测装置。

由于立管运动周期与波浪周期接近时,立管振动幅度将会大幅增加,将要发生“共振”,此时对立管损坏最大,因此,需要通过模态分析得到立管的固有频率及运动周期,由图6模态分析结果可知,立管运动监测设备安装到水深200 m以内时,在与波浪周期10.5 s最接近的模态(Mode 11 周期10.482 s),最大位移为0.425 1 m,沿管长99 m,该位置可作为监测点,即立管运动监测设备安装位置。由于在沿管长81～119 m内运动幅值均达到0.4 m以上,此范围内均可作为监测区域。

图6 立管第11阶模态

由于监测设备安装位置需要进行优化,所以选择在位移最大处、压载区域以及浮力块区域。波浪的方向对立管的整体性能也有较大影响,由于FPSO船体的对称性,选取3个典型的波浪方向,即波浪与船艏方向夹角为90°、120°、180°,研究不同海况下立管安装运动监测仪前后的整体性能。

立管运动监测仪安装的3个典型位置的选取如图7所示。沿管长99 m处是200 m范围内立管运动幅值较大位置,385 m处是管线最小曲率半径位置,576 m处为立管触地区域,选择3个典型位置,可以有效地反映出监测装置安装位置对立管整体性能的影响。

图7 立管运动监测装置安装位置

2.3 结果分析

对于深水柔性立管,其整体性能主要表现为立管有效张力及曲率。只要能够保证安装立管运动监测装置的立管最大有效张力及曲率半径满足要求,则运动监测工作可以在不影响立管整体性能的情况下进行。

2.3.1 裸管整体性能分析

沿管长99 m处,即关键监测位置,立管随时间变化的有效张力如图8所示。

计算时,由于立管运动达到稳定需要一定的时间,因此从10 s开始稳定,根据计算结果可知,在一定的水流以及波浪情况下,在关键监测位置,立管张力呈周期性变化,且最大张力不超过450 kN,符合柔性立管的运动规律。

沿立管长度方向,其最大张力、最小张力以及平均张力如图9所示。

图9由上到下3条线分别表示沿立管长度方向的最大张力、平均张力以及最小张力；由计算结果可知,沿管长方向最大张力发生在立管与FPSO连接位置,即立管顶部张力最大,在未安装运动监测装置时,顶部最大张力为596.315 kN；沿管长向下,立管张力逐渐减小,到达400 m后又逐渐增加,主要是该位置为压载块及浮力块区域,浮力块区域对立管有向上的浮力,而压载块和触地区域对立管有向下的拉力,因此该区域会出现张力增大现象,符合实际工程状况。

曲率是立管不平坦程度的一种衡量,曲率越大,曲率半径越小,曲线的弯曲程度越大；沿立管长度方向,其最大曲率、最小曲率以及平均曲率如图10所示。

图8 立管水下99 m处有效张力变化

图9 立管沿管长方向的有效张力

由上到下3条线分别表示沿立管长度方向的最大曲率、平均曲率以及最小曲率

由计算结果可知,沿管长方向的曲率变化,最大曲率出现在浮力块与压载块区域,最大曲率远小于管线允许的曲率(0.370)。

2.3.2 安装立管运动监测设备后立管的整体性能分析

由上述分析可知,在水下沿立管长度99 m处是安装监测设备的最佳位置,同时考虑到立管构型的特殊性,还考虑了在压载块区域(385 m)及浮力块区域(576 m)分别安装立管运动监测装置,对原立管整体性能分析,单个立管运动监测装置重量为125 kg,考虑到安装后立管的安全性,即在该处分别施加75、125、150 kg质量载荷,由于未考虑监测设备浮力,因此所得到的数据相对保守,结果偏于安全。

相同质量的立管运动监测装置遇到不同方向波浪时,立管顶部有效张力值不同,其中,在3个典型位置安装150 kg的监测装置时,其各张力计算值如表2～表4所示。

表2 浪向90°时立管顶部有效张力对比

表3 浪向120°时立管顶部有效张力对比

表4 浪向180°时立管顶部有效张力对比

分别在99、385、576 m处安装立管150 kg质量的监测装置,根据计算结果,不同波浪方向对立管张力影响不同；90°波浪方向时,最大张力分别增加了0.26%、0.12%、0.000 1%；120°波浪方向时,最大张力分别增加了0.25%、0.03%、0.000 1%；180°波浪方向时,最大张力分别变化了0.25%、0.04%、0.000 1%；因此,相同质量的立管运动监测仪安装在柔性立管悬垂段位置对立管最大张力产生影响较大。

质量不同的立管运动监测装置,对立管最大张力也不相同,以下是在沿管长99 m位置,不同质量的立管运动监测装置在不同波浪方向时对立管最大张力的影响。

图11 波浪方向对立管最大张力影响

由图11可知,在立管悬垂段安装的监测装置对立管整体性能产生了一定的影响。随着波浪方向由90°增大到180°,立管最大张力值逐渐增大,这与FPSO船体形状有关,3种质量的立管运动监测装置对立管最大张力影响趋势一致；其中,监测装置的质量越大,相应的立管最大张力值越大,这与海洋工程实际状况相一致。

另外,同一立管运动监测装置,不同的安装位置,对立管最大张力值的影响也不尽相同。图12所示为是在立管不同位置安装立管运动监测装置后,对立管最大张力的影响。

图12 安装位置对立管最大张力影响

由图12可知,在立管悬垂段(99 m)、压载及浮力块区域(385 m)及触地区域(576 m)安装立管运动监测装置,对立管最大张力值具有一定的影响；立管运动监测装置质量越大,其对应的最大张力值影响也最大,而且,相同质量的监测装置在悬垂段对立管的最大张力影响最大,在触地区域安装监测装置,对立管的最大张力基本没有影响,这是由立管管线的构型以及浮力块区域管线的漂浮方式有关。

通过对比3个波浪方向以及3种安装运动监测装置位置的顶部最大张力可知,在立管悬垂段安装运动监测装置对顶部最大张力影响相对明显,如图13所示,悬垂段与立管顶部直接连接,之间未有浮体或压载的过渡,因此得到的结果符合实际情况。由图13可知,立管监测装置安装在悬垂段区域对立管最大张力影响最大,安装在压载块区域以及浮力块区域对立管张力影响较小。

图13 立管运动监测设备对立管张力影响

2.3.3 运动监测设备对立管曲率的影响

曲率是描述曲线局部性质(弯曲程度)的量,曲率越大,曲率半径越小,曲率越小,曲率半径越大；在水下立管铺设时,应尽量使立管曲率半径足够大,才能保证立管结构的安全。

在不同波浪方向时,立管曲率半径的计算值如表5所示。

同一立管运动监测装置安装在立管不同位置,对立管的最小曲率半径影响不同,图14所示为150 kg的立管运动监测装置分别安装在立管99、385、576 m处的最小曲率半径计算结果。

由计算结果可知,随着立管运动监测装置安装深度的增加,3个浪向下的最小曲率半径的变化趋势一致；最小曲率半径的影响大小与安装立管运动监测装置的位置有关,安装位置越接近最小曲率半径位置,对立管最小曲率半径影响越大,这与实际海洋工程状况一致,立管最小曲率半径位置在浮力块与触地区域之间,在该处的监测装置对最小曲率半径影响最大,但由于处于海底,波浪的影响较小,最小曲率半径变化最大值为0.7%。

表5 不同工况下立管最小曲率半径对比

图14 安装位置对立管最小曲率半径的影响

3 结论

综上所述,波浪方向、立管运动监测装置质量及安装位置均会对立管整体性能产生一定的影响,但影响程度不同。波浪方向对立管最大张力影响较大,而监测装置的质量及安装位置对立管最小曲率半径和最大张力值影响均比较明显。

(1)在立管不同位置分别施加相同质量载荷,在其他条件相同时,波浪方向为180°海况对立管的整体性能影响相对明显；因此应该尽量避免船体与波浪方向成180°夹角。

(2)而保持相同海况时,在立管运动监测装置安装在立管悬垂段区域时,对立管顶部的最大张力影响最大,因而,在悬垂段安装的立管运动监测装置应该越小越接近真实监测值。

(3)同样,在保持其他条件相同时,立管运动监测装置安装位置越接近最小曲率半径位置,对立管本身的最小曲率半径值影响越大,所以,在安装立管运动监测装置时,应尽量选在远离最小曲率半径的位置,除非有特殊要求,此时,应当采取方法将监测装置的质量保持最轻。

考虑到不同的柔性立管其刚度及允许的最大张力和最小曲率半径不同,因此,在对立管进行监测时,为了保证立管有效、安全运行,同时保证立管运动监测装置监测数据的精确性,必须根据所研究立管本身属性,既要考虑波浪方向、安装位置对立管整体性能的影响,同时也应考虑立管运动监测装置本身质量对立管整体性能的影响。立管监测装置的质量及安装位置对立管最大张力和曲率的影响规律,对于海洋立管监测设备的设计、安装及立管系统的安全运行具有重要的参考意义。