海床不平整度对SCR立管动态强度的影响

李宁，杨伟

（1.北京高泰深海技术有限公司天津分公司， 天津 300452）

（2.海洋石油工程股份有限公司，天津，300452）

1 引言

随着我国南海油气开发的不断深入，钢制悬链线立管（SCR）由于具有成本低、对浮体运动有较大的适应性、适用于高温高压工作环境，工程技术相对成熟等特点正逐渐成为我国南海深水开发的首选立管形式[1]。海南陵水项目为国内首个采用钢质悬链线立管的深水工程项目。

深水钢质悬链线立管与海床的相互作用是该型立管工程设计和研究的重要方向。由于SCR触地区域管土作用的复杂性，因此目前针对SCR与海床的研究主要集中在建立触底区管土作用模型，其分析方法主要为数值模拟和模型试验两种[2]。此外SCR与海床作用的另一个研究方向是立管触底区由于立管运动而形成的沟槽（Trench）对立管疲劳的影响，王坤鹏等[3]通过SCR触地区的Trench模型分析得出了沟槽的存在对立管触底区疲劳有利的结论。陵水项目立管触地区域海床有明显起伏，但对于不平整海床对立管触地区域的影响目前研究较少，因此对不平整海床下的立管进行分析成为该项目中必须要解决的实际工程问题。

在此工程背景下，笔者以陵水项目10寸生产管为例，进行了海床不平整度对立管强度影响的研究。

2 深水钢悬链线立管强度分析

深水钢悬链线立管强度分析首先要确定立管形态，在立管初步形态确定后进行立管动态强度分析以确定立管应力满足许用应力要求。深水钢悬链立管形态如图1所示，其满足悬链线方程式1。当仅考虑浮重力作用时均匀截面悬链线立管上任意一点受力如图1所示，其中s为弧长，w为管线水下重，T为管线张力，V为竖向分力，H为水平分力，θ为悬挂角。

图1 悬链线立管受力分析

对于悬链线上任意一点有：

其中：a为处地点曲率半径。

悬链线上任意一点上的物理属性和几何属性的关系如下[4]：

其中：h为对应点处的水深，X为悬链线水平投影长度。

SCR立管动态强度分析的主要目的是保证在选定的悬链线形态下极端工况时立管触地区域管线不受压，在生存工况下立管触地区域管线受到的压力不超过限制。SCR强度分析结果应满足API 2RD中的许用应力要求，如表1所示。

表1 强度设计准则 SCR许用应力

SCR动态强度分析根据环境载荷作用方向和立管所在平面的相对位置，一般进行near、far、cross三个方向的动态分析。由于波浪的随机性，在每个分析方向上均选用5个随机生成的波浪及对应的船舶运动进行分析，等效应力选取平均值。立管每个工况均进行3个小时的时程分析以保证能够捕捉到立管最大的响应。立管触地区域的海床从便于计算分析的角度出发一般模拟成平坦的线性刚度海床。

3 不平整海床下的SCR立管动态分析

立管触地区域平整海床的假设受到平台选址、井口位置等因素的影响在某些项目中与实际海床存在较大出入。本节选取陵水17-2项目中海床不平整度最大的10寸P3 SCR进行不平整海床下的立管强度分析，为减少计算，选取了最危险工况下最危险方向near进行立管动态分析。

陵 水 1 7 - 2 半 潜 平 台 主 尺 寸 为91.5×91.5×59m，正常吃水37m。10寸P3立管位于平台南侧，距平台北向朝向角为190°。10寸立管形态及相关参数如下表所示。

表2 10寸立管相关参数

立管触地区域海床坡面如图2所示，海床最大起伏为9.39m，海床采用线弹性模型，海床刚度为1250kN/m/m2。

图2 二维海床剖面图

为了验证模型的准确性，分别采用Orcaflex和ABAQUS建立SCR立管及海床三维模型，模型如图3所示：

动态分析海况如表3所示：

表3 分析工况

图3 不平整海床立管分析模型

分别采用Orcaflex和ABAQUS建立的SCR动态分析模型，经分析后，触地区域最危险点的张力及弯矩时程曲线如图4所示。

图4 触地区域立管张力及弯矩时程图

应力最大时刻4800s附近的有效轴力、弯矩及应力对比如图5所示。

图5 触地区域立管张力、弯矩及等效应力对比图

由上述不平整海床下的立管动态分析对比结果可知，Orcaflex和ABAQUS模型分析具有很好的一致性，不平整海床的作用对两个立管模型是相似的，因此上述模型能够真实反映不平整海床对立管强度的影响。

不平整海床与平整海床下的立管沿弧长的等效应力对比如图6所示。

图6 不平整海床与平整海床下的立管沿弧长的等效应力对比

由对比分析结果可知，立管海床上的静态段，由于海床不平整的影响等效应力的变化较为明显，但由于触地区等效应力较大，海床不平整对悬链线立管影响的危险区域集中该区域。对比orcaflex软件分析的触地区平整海床与不平整海床的分析结果可知，等效应力由于海床不平整的影响增加不大，仅为约1.6%。当采用精度更高的通用有限元ABAQUS进行分析可知，触地区域的最大等效应力仍然满足许用应力要求。

4 结论

（1）由本文对比分析可知，采用平整海床假定进行钢悬链线立管触地区域动态分析引起的误差是可以接受的。

（2）不平整海床对钢悬链线立管的影响主要集中在触地区域，对立管海床静态段，虽然由于不平整海床引起的管线应力变化较大，但由于总应力水平较低，因此该区域管线较为安全。

（3）SCR立管应通过分析确定触地区域范围，在路由选择时应优先选取触地区域海床平整的路由，对于立管悬挂平台底部区域及立管海床静态段对海床平整度可适度放宽要求。