深水钢悬链立管弃管回收技术研究

陈严飞，曹 静，沙 勇，周巍伟

(1.中海石油(中国)有限公司北京研究中心 北京100027;2.中国石油大学(北京)博士后流动站 北京102249)

目前常见的深水立管形式有柔性立管、顶张式立管、钢悬链立管和复合立管。其中钢悬链立管具有结构简单、安装建造造价较低并且有较强的适应性等优点，在国外深水油气田开发中得到了广泛的应用。国外在深水钢悬链立管安装技术方面已经积累了丰富的工程经验［1-2］，国内钢悬链立管安装技术尚处于起步阶段，可供参考的工程技术资料和实例较少［3-4］。

钢悬链立管安装通常在平台就位前完成铺管，通过弃管将SCR临时放置在海床上，当平台安装就位之后，安装船将SCR从海床上回收，继而实施其它安装步骤。钢悬链立管运行中疲劳问题突出，相比海底管道，安装中需要对弯曲应变进行严格控制，防止由安装引起过大的残余应变。因此，制定合理的SCR弃管回收方案，使得整个弃管回收过程中SCR弯曲应变满足规范要求至关重要。本文基于经典悬链线理论，编制了钢悬链立管弃管回收分析软件SCRCOV，针对1 500 m水深和10 in SCR制定了弃管回收方案。

1 钢悬链立管弃管回收工艺

1.1 移船与收缆分离的弃管回收工艺

1)移动安装船至SCR拖拉头触地点位置，逐渐下放A＆R缆至海床上，通过ROV连接SCR拖拉头和A＆R缆。

2)安装船朝弃管回收起始位置移动，并逐渐下放A＆R缆。

3)当安装船达到弃管回收起始位置，收紧A＆R缆。

4)安装船位置固定不变，A＆R缆逐渐收缆至指定长度;保持A＆R缆长度不变，移动安装船至下一个位置。

5)反复交替进行移船和收缆操作，当安装船到达收缆终止位置时，安装船停止移动，继续回收A＆R缆，直至SCR拖拉头达到指定水深，完成弃管回收操作。

本工艺将移船操作与收缆操作分开，在实际工程中，可以方便控制各步骤，但弃管回收的速度相对较慢，该弃管回收工艺见图1。

图1 移船与收缆分开的SCR弃管回收工艺示意

1.2 移船和收缆同步的弃管回收工艺

1)移动安装船至SCR拖拉头触地点位置，逐渐下放A＆R缆至海床上，通过ROV连接SCR拖拉头和A＆R缆。

2)安装船朝弃管回收起始位置移动，并逐步下放A＆R缆。

3)当安装船到达弃管回收起位置，收紧A＆R缆。

4)按照既定的弃管回收方案进行弃管回收操作，移动安装船的同时A＆R缆逐渐收缆。

5)当安装船到达收缆终止位置时，此时安装船停止移动，继续收起A＆R缆，直至SCR拖拉头达到指定水深，完成弃管回收操作。

该弃管回收工艺移船与收缆操作是同步进行的，弃管回收速度较快，但对移船速度和收缆速度的控制要求较高，本弃管回收工艺见图2。

图2 移船与收缆同步的SCR弃管回收工艺示意

2 回收理论分析和方案制定

2.1 钢悬链立管弃管回收分析理论基础

钢悬链式立管弃管回收是动态的过程，其边界条件在不断发生变化，分析时需要将整个弃管回收过程分解为若干个步骤，分别针对每个步骤进行建模分析，并针对弃管回收方案进行验证。制定SCR弃管回收方案有两个参数至关重要，分别是安装船位置和拉入缆长度，这两个参数决定弃管回收过程中SCR的构型，也决定着SCR的力学特性。

基于经典悬链线理论，SCR悬链线方程可以表示为

假设海床水平而且SCR的轴向变形可以忽略，可以得到

代入如下方程:

可以得到笛卡尔坐标系下的自由悬链线方程

式中:x——到触地点的水平距离;

y——到海床的高度。

沿着钢悬链立管的曲率可以表示为

可以看出最大曲率发生的触地点为

而曲率和应变的关系可以表示为

轴向张力在任意点s可以表示为

从而SCR悬链线长度可以表示为

可以看出SCR拖拉头垂直方向的张力为

基于上述悬链线理论，编制SCR弃管回收分析软件SCRCOV，输入安装船的起始位置、终点位置、A＆R缆收缆总长度和总步骤，SCRCOV可以初步制定SCR弃管回收方案，计算得出每步SCR拖拉头坐标位置和SCR最大弯曲应变，并进行规范准则校核。

2.2 钢悬链立管弃管回收分析基础数据

南海某深水气田，水深1 500 m，SCR为10 in外输气管，安装船采用海洋石油201深水铺管起重船，钢悬链立管、安装船和相关机具主要参数见表1和表2。

表1 钢悬链立管参数

表2 安装船和机具参数

2.3 钢悬链立管弃管回收方案的制定

基于以上给定的基础数据，采用自编软件SCRCOV制定SCR弃管回收方案，将1 500 m水深10 in SCR的整个弃管回收过程分解为32个步骤，共分为两个阶段。第一阶段(1～28步)移动安装船的同时回收A＆R缆，由第二阶段(29～32步)，安装船位置固定不变，回收A＆R缆，直至SCR拖拉头到达指定水深。表3为空管工况1 500 m水深10 in SCR弃管回收方案。

表3 10 in钢悬链立管弃管回收方案(空管)m

3 钢悬链立管弃管回收数值分析

3.1 钢悬链立管弃管回收数值分析模型的建立

针对自编软件SCRCOV制定的SCR弃管回收方案，采用Orcaflex建立该方案32个弃管回收步骤数值分析模型，进行数值分析和规范准则校核，SCR整个弃管回收过程的数值分析模型见图3。

图3 SCR弃管回收数值分析模型

3.2 钢悬链立管弃管回收数值分析结果

采用商业软件ORCAFLEX和自编软件SCRCOV计算SCR拖拉头的运动轨迹，见图4、5。

可以看出空管和注水工况下，SCRCOV计算结果与ORCAFLEX计算结果均吻合较好。对比空管和注水工况，可以看出整个弃管回收过程中SCR拖拉头的运动轨迹差别较小。

采用SCRCOV和ORCAFLEX分别计算SCR弃管回收各步骤的最大弯曲应变。可以看出，在第一阶段(1～28步)，随着弃管回收步骤的增加，SCR最大弯曲应变逐渐增加，第28步达到最大值;第二阶段(29～32步)，随着弃管回收步骤的增加，SCR最大弯曲逐渐减小。对比SCRCOV和ORCAFLEX计算结果，可以看出两种计算结果吻合较好，SCRCOV计算结果偏于保守，对工程设计有利。SCR最大弯曲应变见(空管)图6。

图6 SCR最大弯曲应变(空管)

图7为注水工况SCR最大弯曲应变SCRCOV和ORCAFLEX计算结果。

图7 SCR最大弯曲应变变化示意(注水)

可以看出，SCR应变第一阶段(1～28步)表现为先增加后减小的趋势，最大值出现在第2步;第二阶段(29～32步)，随着弃管回收步骤的增加，SCR的应变逐渐减小。在注水工况下，弃管回收初始阶段弯曲应较大，而且会有一定的增幅，而后会逐渐减小。对比空管工况和注水工况计算结果，注水工况SCR最大弯曲应变比空管工况下有较大幅度的增加，而且初始阶段会出现应变激增现象，在实际安装操作中，需要特别关注，防止其超过规范允许值，导致过大的残余应变。

在SCR弃管回收分析中还需要对A＆R缆的顶端张力和底端张力进行分析，防止顶端张力超过安装船绞车的承载能力和底端张力超过拖拉头的承载能力。图8为A＆R缆顶端张力变化图，空管和注水工况，A＆R缆顶端张力随弃管回收步骤的增加均逐渐增加，空管工况A＆R缆顶端张力增加较为缓慢，而注水工况A＆R缆顶端张力增加速度较快。空管工况和注水工况，A＆R顶端张力均出现在第32步骤，分别是265 kN和1 237 kN，均在海洋石油201绞车和A＆R缆的承载范围之内。

图8 A＆R缆顶端张力变化

图9 为A＆R缆底端张力随弃管回收步骤的变化图。注水工况，A＆R缆底端张力随着弃管回收步骤的增加而逐渐增加。空管情况，A＆R缆底端张力随着弃管回收步骤的增加而表现为逐渐减小的趋势，主要原因是SCR在海水中单位长度重量要明显小于A＆R缆单位长度重量，因此随着A＆R缆不断回收，SCR悬链线长度增加，A＆R缆长度减小，因此，A＆R缆底端张力变为逐渐减小的趋势。在实际安装操作中，特别是小尺寸SCR弃管回收，监测设备上显示A＆R缆底端张力逐渐减小，此时收管步骤却仍在继续，安装操作人员需要特别关注。

图9 A＆R缆底端张力变化

4 结论

1)基于悬链线理论编制的软件SCRCOV计算结果与数值分析软件ORCAFLEX计算结果吻合较好，因此，SCRCOV可以用于深水钢悬立管弃管回收分析和方案制定。

2)由于单位长度钢悬链立管重量注水工况要明显大于空管工况，因此，注水工况钢悬链立管弃管回收弯曲应变要大于空管工况。

3)注水工况钢悬链立管弃管回收初始阶段，钢悬链立管的弯曲应较大，而且随着回收步骤的增加，弯曲应变会逐渐增加，需重点关注。

4)由于单位长度小管径钢悬链立管重量小于A＆R缆的重量，因此小管径钢悬链立管弃管回收，空管工况A＆R缆的底端张力会逐渐减小，注水工况A＆R缆的底端张力逐渐增加。A＆R缆顶端张力空管工况和注水工况均逐渐增加。

［1］PHIFER E H，KOPPF，SWANSON R C，et al.Langner.Design and installation of auger steel catenary risers［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，1994.

［2］CHAUDHURY G，KENNEFICK J.Design，testing，and installation of steel catenary riser［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，1999.

［3］WANG X，ZHOU X，GINNARD A J，et al.Installation method evaluation of export SCRs［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，2001.

［4］JOHN BOUWMAN.Installation Challenges With Lifting and Pull-in of the 20"SCR［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，2007.