SCR运动影响下刚性跨接管强度校核方法研究

2020-02-24张英李旭杨琥赵党杨伟

石油和化工设备 2020年2期

张英，李旭，杨琥，赵党，杨伟

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

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。跨接管的主要作用为利用其本身的挠性有效释放管道端部轴向力及提供可行的深水结构水下连接[1][2]。对于用于连接深水浮式平台钢悬链线立管与管汇的跨接管，区别于一般跨接管除承受管线热膨胀载荷外，同时有可能承受由于SCR在极端海况下运动产生的位移载荷。如果载荷过大，会影响跨接管的完整性甚至破坏，造成泄漏等问题。本文以实际在建项目为例，研究跨接管在SCR运动影响下的强度分析方法，主要包括分析流程、有限元模型建立、时域分析、校核标准选取等。对类似情况下刚性跨接管结构设计，深水油田布置设计，具有一定的指导意义。

1 设计方法

一般深水浮式平台与海底管汇通过钢悬链线立管（SCR）与跨接管进行连接，SCR顶部与船体连接，端部通过跨接管与中心管汇进行连接。由于船体运动带动SCR运动，SCR会将运动传递到着泥段管线，如果具有足够长度的着泥段，SCR本身会通过过土壤的摩擦将运动吸收，这样端部跨接管不受SCR运动影响。如果着泥段管线提供的土壤摩擦不能全部吸收SCR运动，则需要对跨接管进行校核，以判断其能否承受由SCR带来的位移载荷。

1.1 设计流程

针对SCR运动影响下跨接管强度的分析校核流程如下：

图1 立管-跨接管整体构型图

图2 分析校核流程

根据SCR动态时域分析结果可以得到SCR界面位置的最大动态底部张力。一般界面点选取在SCR动态段和着泥段分界位置。这样可以保证着泥段管线始终未离开泥面并持续提供土壤摩擦力；通过界面点位置的最大底部张力，可计算得到着泥段另一端PLET位置的张力；比较PLET段的张力和其自身摩擦抗力，判断依靠PLET自身抗力是否能平衡立管运动带来的张力。如果端部的张力大于PLET自身克服运动的抗力，则PLET会发生位移，从而将位移传递到与其连接的跨接管，使跨接管承受不断增加的位移载荷。为了评估跨接管能在位移载荷下保持完整性要求，需要对SCR和跨接管整体建模，模拟类似运动过程，计算跨接管在一个极端工况周期下的应变，以判断跨接管的结构完整性。

1.2 PLET发生位移判定

设计过程中首先需判定在SCR运动影响下，PLET是否会发生位移。如果PLET未发生位移，则跨接管没有受到SCR运动的影响，无需进行专门的完整性校核。PLET是否发生位移主要判定准则为：着泥段土壤和PLET自身提供的摩擦力是否大于SCR运动引起的最大张力。

PLET发生位移的判定准则为：

其中：Tb为PLET位置的底部张力；RPLET为滑移抗力。

式（1）中RPLET由下式得到：

其中：μaxial为土壤提供的轴向摩擦系数；WPLET为PLET水下重量；FR为PLET土壤水平抗力，一般在PLET采取裙板、打桩等设计时会提供一定的水平抗力。

式（1）中Tb由下式得到：

其中：Tb为PLET位置的底部张力；Te为通过SCR时域分析得到的界面点位置底部张力；Lseabed为自界面点到PLET的着泥段管线长度；Ws为着泥段管线单位水下重量。

1.3 FEA整体模型建立

一般情况下，SCR在极端海况下（百年或千年重现期）的作用力是动态随时间变化的，只有在某些时刻，作用于PLET端部的作用力满足式（1）判定准则的情况下，PLET会产生一定位移，同时带动跨接管一端发生位移。对于跨接管的强度分析，需建立SCR跨接管的整体模型进行分析。

使用Abaqus通用有限元软件建立整体模型[3]，模型主要分为三部分，SCR、平面海床及M型刚性跨接管。SCR和跨接管管体PIPE32H梁单元，海床使用R3D4刚体单元模拟。SCR和刚体海床进行接触模拟，根据工程土壤分析，考虑相应的轴向摩擦系数和支撑刚度。SCR端部PLET使用等效管单元进行模拟，模拟单元与跨接管连接器端部进行运动耦合。分析过程中主要在SCR悬挂点位置加载运动时程，输入在时程范围内跨接管的应变。