M型刚性跨接管地震分析方法研究

王 林，李 旭，杨 琥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

M型刚性跨接管地震分析方法研究

王 林，李 旭，杨 琥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

主要对M型刚性立式跨接管的地震分析方法进行研究，总结M型刚性跨接管地震分析的类型及所依据的校核标准。使用有限元方法对典型的M型跨接管进行建模，进行海底断层及地震时域分析，对影响强度结果的因素进行敏感性分析，为地震区的刚性跨接管设计提供参考及依据。

跨接管；地震分析；断层；时域

0 引 言

深水油气工程中，跨接管主要应用于水下井口、管汇与管道终端的连接。跨接管的类型基于安装与连接器的形式分为水平跨接管和立式跨接管；从管体材料上分为刚性跨接管和柔性跨接管。其中刚性跨接管从结构的几何形状可分为M型、倒U型、Z型、Hi-Lo型及非规则的三维跨接管等[1-2]。跨接管的主要用途为利用其本身的挠性有效释放高温管道端部引起的轴向力及提供可行的深水结构水下连接。跨接管的工程设计分析中主要包括对跨接管强度分析、涡激振动疲劳分析、在位疲劳分析等，对于处在地震多发地带的跨接管有必要增加跨接管的地震强度分析。本文以M型刚性跨接管为例，介绍刚性跨接管地震分析设计方法，对跨接管设计具有一定的指导意义。

1 地震设计分析方法

1.1 地震破坏类型

位于地震活动区的跨接管，在地震发生时其主要破坏的来源为地震引起的海床波动及由于土壤失效引起的永久性地质地貌变化，主要的土壤失效包括[3]断层、滑坡、土壤液化、不均匀沉降和海床裂缝。

针对跨接管主要的破坏来源，地震分析中主要对跨接管进行两类分析。一类是根据跨接管所在两端由于地貌变化引起的垂向(断层)及横向(裂缝)位移；另一类是根据地震引起的海床波动，对跨接管进行动态时域分析。

1.2 设计原则

位于地震活动区的跨接管，基于不同的地震水平，应进行极限状态校核(ULS)和异常状态校核(ALS)[4]。ULS校核主要目的在于校核跨接管强度和刚度在极端地震工况(ELE)下不发生显著的损坏以满足强度设计要求。ALS校核是一种自存能力的校核，用于判断跨接管在异常地震工况(ALE)发生下，结构可能发生破坏但保持自身完整性的能力。

对于ULS校核一般采取静态分析方法，使用200年重现期地震工况，校核结果保证跨接管强度在弹性范围内，并满足挪威船级社(DNV)DVN-OS-F101规范[5]中ULS校核标准。ALS分别采用动态或静态分析方法，使用1000年重现期地震工况，校核结果考虑材料弹塑性，满足DNV-OS-F101规范中ALS应变校核标准。对应不同校核类型其各项载荷的分项系数有所不同，如表1所示。

表1 载荷分项系数及组合

2 地震分析FEA方法

2.1 跨接管模型建立

本文以M型刚性跨接管为例，阐述刚性跨接管地震分析方法。典型的M型刚性跨接管结构如图1所示。使用Abaqus通用有限元软件建立模型[6]，跨接管管体采用PIPE32梁单元，跨接管两端连接器同样适用管体单元PIPE32进行模拟，考虑连接器的外径轮廓和等效重量壁厚。典型的M型跨接管模型如图2所示。

图1 典型M型刚性跨接管结构示意图Fig.1 Typical M-type rigid jumper configuration

图2 M型刚性跨接管模型Fig.2 M-type rigid jumper model

2.2 地震分析载荷类型

M型刚性跨接管地震分析的载荷主要包括如下类型[7]。

功能载荷：主要包括自重、温度载荷、内外压力，功能载荷根据ULS及ALS校核类型，分别组合环境载荷和偶然载荷。

环境载荷：地震分析中除地震载荷外的环境载荷为波浪及海流引起的水动力载荷，

FH=Fdrag+FInertia，

(1)

地震载荷：跨接管地震载荷主要包括地震加速度模拟静态载荷、沉降裂缝引起的跨接管基础位移、海床地震时程运动。

地震加速度模拟静态载荷主要用于进行ULS校核，由下式计算：

FE=mas，

(2)

式中：m为跨接管的单位质量，as为200年重现期的地震加速度。垂向地震加速度取水平向的2/3。

地震时程数据主要用于动态时域分析，进行ALS校核。一般采用相关单位提供的地震过程中大地在3个方向上的位移谱，如图3所示。

图3 地震海床运动时程Fig.3 Seismic seabed time trace

2.3 地震分析强度校核

如上所述，地震分析的强度校核主要基于DNV-OS-F101分别进行ULS和ALS校核。

ULS校核中考虑功能载荷、1年重现期海流波浪力及200年重现期地震惯性力，进行有限元静态分析，提取各个节点的轴向力和弯矩进行ULS校核。

ALS校核除功能载荷外，分别加载地震断层位移、裂缝位移进行静态分析，以及海床时程数据，进行动态的时域分析。提取整个时程中功能载荷及偶然载荷对应的应变数据，进行ALS应变校核。

3 设计算例

根据第2节给出的方法，以典型的采油树与中心管汇之间跨接管的结构形式为例，对其进行地震分析设计。使用设计参数如表2所示。

算例跨接管形状尺寸如图4所示。

3.1 ULS校核结果

建立有限元模型，跨接管重力载荷考虑水下等效重力加速度，竖直方向除等效重力加速度外，施加垂向的地震惯性力。水平方向除施加水平向地震惯性力外，同时加载波浪海流静态的最大拖曳力如惯性力。校核结果如表3所示。

表2 设计参数

图4 算例跨接管尺寸Fig.4 Jumper configuration

跨接管位置UC_aUC_b顶部弯头0.8340.796跨长中点0.4250.421连接器节点0.5020.485

如表3所示，算例跨接管在发生200年一遇0.074g地震加速度的情况下满足强度及完整性要求。

3.2 ALS校核结果

3.2.1 地质断层

对于断层分析，在跨接管有限元模型一端加载垂向位移载荷进行静态分析，获取跨接管应变，进行应变标准ALS校核，结果如表4所示。

如表4所示，地震发生海床断层，断层高差小于3 m的情况下，算例跨接管可满足完整性要求。

3.2.2 海床裂缝

对于裂缝分析，在跨接管有限元模型一端加载水平位移载荷进行静态分析，获取跨接管应变，进行应变标准ALS校核，结果如表5所示。

表4 断层ALS校核

表5 裂缝ALS校核

如表5所示，地震时发生海床裂缝，在裂缝宽度小于0.7 m的情况下，算例跨接管可满足完整性要求。

3.2.3 地震时域动态分析

根据图3所示地震时程数据，在跨接管有限元模型一端加载时程位移进行动态分析。算例中地震持续时间为50 s，此过程中最大的瞬时应变发生在跨接管与连接器连接位置处，地震引起的最大轴向应变为0.066%，顶部弯头位置最大轴向应变为0.042%，进行应变标准ALS校核，结果如表6和图5、图6所示。

表6 地震时域ALS校核

图5 连接器位置应变变化曲线Fig.5 Time history of connector strain

图6 顶部弯头位置应变变化曲线Fig.6 Time history of top bend strain

4 结 语

本文以典型的采油树与中心管汇之间跨接管结构为例，介绍了M型刚型立式跨接管地震分析的工况、载荷类型、分析方法，并根据分析方法使用有限元方法对算例建模，进行海底断层及地震时域分析，得到如下结论。

(1) 刚性跨接管地震校核可根据DNV规范进行ULS及ALS校核。

(2) ULS满足条件下可保证强度及功能的完整性，一般使用200年一遇地震加速度模拟静态载荷。

(3) ALS满足条件下可保证其形状的完整性，在相应的地震工况下未被完全破坏，一般对地震断层、海床裂缝进行静态分析及地震波引起的基础运动进行动态时域分析。

[1] 杨琥，李旭，何宁，等. M型跨接管设计中敏感性分析的参数化研究[J]. 舰船科学技术，2014，36(3)：125.

[2] 何同，李婷婷，段梦兰，等. 深水刚性跨接管设计的主要影响因素分析[J]. 中国海洋平台，2012，27(4)：50.

[3] Bai Y. Subsea Pipelines and Risers [M]. Amsterdam: Elsevier, 2005：219-228.

[4] International Organization for Standardization. ISO 19901-2. Petroleum and natural gas industries—specific requirements for offshore structures. Part 2. Seismic design procedures and criteria[S]. 2004.

[5] Des Norske Veritas. DNV-OS-F101. Submarine pipeline systems[S]. 2005.

[6] 曹金凤，石亦平. ABAQUS有限元软件常见问题解答[M]. 北京：机械工业出版社, 2009.

[7] Des Norske Veritas. DNV-RP-C205. Environmental conditions and environmental loads[S]. 2014.

SeismicAnalysisforM-TypeRigidJumper

WANG Lin, LI Xu, YANG Hu

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Seismic analysis is carried out for the M-type rigid jumper. We summarize the analysis cases, load type and check method of the M-type rigid jumper. By using the finite element method (FEM), we give the method for fault, ground crack and seismic wave vibration analysis of rigid jumper. This research can offer a reference for M-type rigid jumper design in seismic active zone.

jumper; seismic analysis; fault; time domain

2016-10-09

王林(1981—)，男，硕士，工程师，主要从事海管设计方面的研究。

TE53

A

2095-7297(2016)06-0356-05