海洋平台海管立管悬空方案设计研究

2018-10-17赵铭文

中国修船 2018年5期

赵铭文，陈希

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300451)

海洋平台周边受导管架桩腿、立管的影响，洋流紊乱，容易对海床造成大面积冲刷现象。由于海管立管安装通常采用在桩腿上吊挂的方式，因此，对于立管底部受在洋流冲刷作用下极易出现悬空。在以往的项目设计中，一旦出现悬空现象，就要求采用沙袋和混凝土灌浆袋等进行回填，工程难度大、费用高。并且沙袋和混凝土灌浆袋在水流冲刷下，短时间内就会出现破裂，流失现象，导致回填效果不理想[1-7]。

如果通过分析计算，能够证明立管底部悬空不影响平台设施安全稳定运行，或明确需要进行回填作业的最大悬空量，就能够有效降低平台的生产维护费用。

1 计算过程

本文通过计算软件模拟海管悬空情况下，其主要构件：立管和立管卡子的受力情况，进而与相关标准、规范进行符合性分析对照，力求得出海管悬空许可量的限制条件。

1.1 模拟计算环境条件

模拟按照设计寿命25年，设计水深18.1 m。按照正常运行工况及水压试验工况，2种工况进行校核计算，输入条件如下：①海生物平均厚度5 cm,最大厚度10 cm，海生物平均密度1 120 kg/m3；②冰况(百年重现期)：厚度35 cm，压缩强度2.04 MPa；③其他参数见表1。

表1 风、浪、流表

1.2 模拟计算模型

1.2.1 立管计算方法

立管计算遵循DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems要求。

对于立管的长度、跨度根据Vortex软件计算，符合DNV-RP-C205要求，主要计算公式如下。

(1)

式中：VR为速度衰减；u为垂直于管轴的流速；fn为管段固有频率；D为管直径。

稳性参数Ks定义如下：

(2)

式中：me为有效质量；δ为结构阻尼对数衰减率；ρw为环境水密度。

管段固有频率fn计算：

(3)

式中：L为管段长度；E为杨氏模量；I为转动惯量；a为边界系数。

1.2.2 边界条件设置

管段边界条件设置为：“锚固”数值常数a取决于端部约束条件,对于“锚固”的末端条件是16.1。KC为Kulegan-Carpenter 常数，定义如下：

(4)

式中：um为洋流导致最大线性速度；T为洋流周期。

有效单位质量me计算如下：

(5)

式中：m(x) 为x方向上质量分解,含附件及卡子质量；y(x) 为y方向上质量分解。

1.2.3 管线模型

建模的物理性质和材料依照立管物理特性定义，计算模型具体如图1所示。

图1 立管模型图

2 负载校核

2.1 立管负载校核

立管的根据DNV-OS-F101按第505和506进行负荷控制的局部屈曲进行校核。所有截面上立管弯矩、有效轴向力和内部压力设计应满足的公式(7)校核结果：

(7)

式中：Md为设计弯矩；Sd为设计有效轴向力；Pd为设计压力差分；Mp为fy(D-t2)2t2；Sp为fyπ(D-t2)t2；Pb(t2)为爆破压力；ac为(1-β)+βfu/fy,即应变淬火的流动应力参数(不大于1.20)；β为(0.4+qh)(60-D/t2)/45即径厚比15≤D/t2≤60时计算公式。其中，qh为2(Pid-Pe)/ 3Pb(t2),即压力比；fu为设计拉伸强度；fy为设计屈服强度；γsc为安全等级抗力系数；γm为材料抗阻系数;t2为壁厚；Pi为内压；Pe为额外压力；Pld为局部设计压力。

所有受到弯矩、有效轴向力和外部超压影响的管线应为满足8式校核结果要求。

(8)

式中：Pc为膨胀压力。

设计负载通过下述公式计算：

Md=MF·γF·γC+ME·γE+MA·γA·γC

Sd=SF·γF·γC+SE·γE+SA·γA·γC,

ΔPd=γp(pld-pe)

(9)

式中：MF为正常工况弯矩；ME为环境工况弯矩；MA为突发工况弯矩；SF为正常工况轴向力；SE为环境工况轴向力；SA为突发工况轴向力；γA为偶然荷载效应系数；γC为条件荷载效应系数；γE为环境荷载效应系数；γF为功能荷载效应系数；γp为压力荷载效应系数。