陵水17-2气田深水钢悬链立管强度敏感性分析研究

2021-02-02任翠青

海洋工程 2021年1期

侯静，杨伟，任翠青，李旭

(1. 中海油研究总院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

近年来深海开发中的油气勘探和生产活动大大增加,与几年前相比水深增加了一倍[1]。钢悬链立管(SCR)由于其成本低、对浮体运动有较大的适应性,而且适用高温高压工作环境，在深海开发中得到广泛应用[2]。典型的钢悬链线立管如图1所示。

自1994年壳牌公司(Shell)在墨西哥湾872 m水深的张力腿平台Auger上安装了世界上第一条SCR以来, 其研究在国外得到了突飞猛进的发展，在此基础上衍生出了缓波立管(lazy-wave catenary riser)、陡波形立管(steep wave riser)、L型立管(bottom weighted riser)等[3-4]，其立管构型如图2所示。针对钢悬链立管国外已经有大量工程案例，相关研究已经逐步由强度分析转向触地区管土作用分析，如Willis等[5]通过研究触地区发现在管线的反复作用下海底将形成沟槽，对立管触地区产生影响。Bridge等[6]根据STRIDE JIP和CARISIMA JIP试验数据提出了海床的动刚度和吸力模型，定义了静刚度、大位移动态刚度、小位移动态刚度三种不同的土体刚度来描述海床,进而实现触地区管土作用的模拟。国内海洋油气田的开发在深水立管方面的研究起步较晚，针对钢悬链线立管的研究还处于基础研究阶段，如何宁等[7]利用ABAQUS初步建立了深水SCR三维分析模型，进行了系统响应分析。康庄等[8]在研究SCR安装方法基础上,结合实际工程进行了深水SCR J-lay方法的强度校核。梁宁等[9]和陈振新等[10]分别对SCR与海床土和触地区的动态进行了分析和研究。

图1 钢悬链立管示意

图2 钢悬链立管四种基本形式

国内由于深水油气开发尚处于起步阶段，因此SCR的工程应用本项目尚属于首次，从陵水17-2实际工程出发，针对实施中遇到的影响SCR强度分析的不确定因素开展敏感性分析，给出了在南海特有环境条件下的立管动力分析结果，为其他南海类似工程的SCR分析设计提供了参考和借鉴。

1 陵水17-2气田SCR概述

陵水17-2气田是我国首个自营开发的深水气田，位于我国南海海域。气田水深范围1 220～1 560 m，其中SCR应用水深范围1 430～1 470 m。该气田开发示意如图3所示，由一座深水半潜平台(SEMI)、水下生产系统、SCR和海底管道组成。

该工程共有6根SCR，分别为一根457.0 mm外输天然气SCR(GE)，两根323.9 mm生产SCR(P1和P2)，两根273.1 mm生产SCR(P3和P4)，以及一根168.3 mm的MEG注入SCR(MEG1)。SCR布置见图3，尺寸等信息如表1所示。

图3 陵水17-2气田总体布置及钢悬链立管布置示意

表1 陵水17-2气田钢悬链立管尺寸

2 SCR强度分析方法

2.1 SCR构型方程

SCR与其他形式的钢制立管如顶部张紧式立管(TTR)在静力分析上的最大不同是，SCR可以忽略弯曲刚度的影响，其形态满足悬链线方程[11]:

(1)

2.2 SCR强度时域分析

时域分析能够考虑SCR的相对运动，不需要对计算立杆水动力的Morison公式中非线性项进行线性化处理增加了计算的精度，同时能够考虑由于SCR几何非线性导致的刚度非线性，所以陵水17-2气田中SCR强度分析采用时域分析方法。SCR强度时域分析模型包括静态分析和动态分析：

1) 静态分析用来和悬链线理论进行校准关键形态参数，如SCR悬挂角度、顶部张力、SCR悬空段水平投影，最后确定SCR形态。静态分析中应准确地模拟SCR上的附属构件如螺旋列板、涂层、内部介质、压力和管线重量公差等。

2) 动态分析采用FLEXCOM软件进行模拟，保守考虑认为波浪、风、流作用同向，根据环境载荷作用方向和SCR所在平面的相对位置，一般进行近端、远端和横向的环境作用分析。船舶运动通过在SCR模型中施加船舶中心六自由度的运动时程模拟，该方法能够准确考虑波浪二阶力引起的船舶运动。波浪选用JONSWAP 谱模型进行模拟，由于波浪的随机性，在每个方向上均选用5个随机种子生成的波浪及对应的船舶运动进行分析，对应的SCR响应选取平均值。每个工况均进行3小时的时域分析以保证可以捕捉到SCR的最大响应，模型中SCR管材和底部海床均采用弹塑性模拟。

2.3 SCR强度分析工况及校核准则

根据不同海况，强度分析分为操作、极端、生存、测试、安装等工况，不同工况下都应满足API RP 2RD中的许用应力要求[12]，其中强度设计工况和设计因子如表2所示。

(2)

式中：σe为等效应力；Pi为内压；Po为外压；Do为外径；Di为内径；t为壁厚；Teff为有效张力；A为SCR截面积；M为SCR截面弯矩；I为SCR截面惯性矩；Sa为2/3的材料屈服应力；Cf为设计因子。

表2 强度设计工况及设计因子

3 SCR强度敏感性分析模型及分析工况

3.1 SCR强度敏感性分析模型

以陵水17-2气田中273.1 mm P3生产SCR极端工况为例进行分析。

1) SCR主要参数

SCR主要参数如表3所示。

表3 P3生产SCR主要设计参数

2) SCR静态模型

P3生产 SCR分析模型如图4所示，利用FLEXCOM 软件中cable单元建立。为提高计算效率，同时保证计算精度，本模型对单元数量和长度有严格的要求。触地区单元长度为0.914 m，顶部30.48 m的范围内单元长度为0.305 m，上述两个关键区外单元长度按照1.5比例逐步过渡到9.144 m。模型采用线弹性海床，海床端采用固定边界，悬挂端采用FLEXCOM软件中特有的柔性节点单元实现柔性接头的模拟。

柔性接头是SCR上的关键部件，典型的柔性接头如图5所示，其内部的弹性体可保证SCR顶部在小范围内转动(转动角度一般不超过25°)，可避免SCR顶部与船体刚性连接导致受力集中、疲劳寿命短的问题[13]。柔性接头的刚度是SCR模拟的关键，文中柔性接头采用非线性刚度，刚度曲线如图6所示。

图4 P3生产SCR Flexcom模型

图5 柔性接头典型图

3) 环境条件

波浪的影响对SCR强度起主导作用，因此选取波浪占主导的极端海况进行分析，详见表4，波浪重现期100年，归一化后的流速剖面如图7所示。

表4 波浪和海流数据

图6 柔性节点刚度曲线

图7 归一化后的流速剖面图

4) 船舶运动数据

陵水17-2气田采用半潜式平台，主尺寸为91.5 m×91.5 m×95 m，船舶运动数据施加在船体中心与海平面的交点处。针对不同的SCR分析方向，船舶运动采用六自由度时程运动，对应的波浪数据被离散为200个简谐波的叠加，在SCR分析时需要对上述简谐波进行处理，以保证船舶运动与波浪作用的协调性。

3.2 影响SCR强度的主要因素

影响SCR强度的因素较多，结合国外其他工程经验，可以划分为如下几类：

1) 管线重量

管线出厂时存在重量制造公差，范围一般在3%～8%之间，此外在正常生产过程中输送的介质密度也会发生一定变化。SCR重量的变化直接影响动力响应特性，因此在分析过程中应当对管线重量进行敏感性分析。

2) 管道压力

管道内部压力和介质密度是相互关联的，压力高时介质密度相对较高，压力低时介质密度相对较低。

3) 柔性接头旋转刚度

低温时柔性接头的旋转刚度较大。本工程SCR输送天然气，由于在SCR顶端压力减小气体膨胀，会导致柔性接头处温度降低刚度增大，因此在设计时需要考虑柔性接头旋转刚度的变化。

4) 安装误差

悬挂角度的安装误差会影响SCR构型和动力响应，本工程中假定悬挂角度安装误差为1°。

5) 波浪周期

有效波高和谱峰周期等值线如图8所示，在极值附近有效波高Hs变化较小，而谱峰周期Tp变化较为明显。船舶运动对波浪谱峰周期的变化相对敏感，因此需要对波浪周期进行敏感性分析。

图8 有效波高和谱峰周期等值线

3.3 强度敏感性分析工况

考虑上述敏感性因素，建立敏感性分析工况如表5所示。

表5 P3生产SCR强度敏感性分析工况

4 敏感性分析结果及对比

SCR的关键区域是底部触地区和上部悬挂区，因此在敏感性结构分析中主要关注这两个区域, 下文中通过摘取动力时程结果中的极值结果对不同分析工况进行了对比。

4.1 触地区等效应力对比分析

SCR 在触地区曲率最大，同时受到环境载荷和海床土壤的相互作用，受力情况最为复杂。各个工况下SCR触地的最大等效应力如图9所示。

图9 触地区最大等效应力

由分析结果可知：1) 三个分析方向上轻质SCR在触地区的等效应力均大于重质SCR。仅考虑单一重量变化时(工况1和工况2)，最大等效应力增幅出现在远向为36.6%,最大等效应力出现在近向为270.07 MPa, 增幅为13.5%；2) 由于内部压力的变化导致等效应力最危险方向为近向，针对重质、轻质SCR等效应力的变化分别为6.9%和1.5%，因此内部压力的变化对重质SCR的影响更为明显；3) 柔性接头刚度增加引起触地区的等效应力变化为0.1%～0.2%，由此可见柔性接头刚度的变化对SCR触地区的影响可以忽略；4) 悬挂角安装误差引起重质SCR的近向触地区等效应力最大幅值为6.5%，应力最大值则出现在轻质的近向；5) 波浪周期的变化导致了SCR触地等效应力的增加，对于轻质SCR增幅在2%～3%。

经过对比分析，SCR重量变化和悬挂角安装误差是影响SCR触地区等效应力的关键因素，为更直观的对比，将工况1,2,8 近向触地区等效应力绘制如图10所示。

图10 触地区等效应力包络图

由图10可以看出最大等效应力点存在明显前移的趋势，同时轻质SCR的海床段等效应力较重质SCR大。

4.2 悬挂区等效应力对比分析

SCR在悬挂区承受着巨大的张力，同时直接受到船体运动的影响，因此该区段也是SCR分析的关键区域。各工况下悬挂区的最大等效应力如图11所示。

图11 悬挂区最大等效应力

由图11可以看出：1) 悬挂区等效应力由横向工况控制，重质SCR在悬挂区等效应力较轻质SCR大7%；2) 横向上，柔性接头刚度增加1倍时，SCR悬挂区等效应力增加约20%～30%；3) 三个方向上，悬挂角安装误差和波浪周期变化对悬挂区等效应力的影响约为7%～9.5%。

由上述结果可知柔性接头刚度是影响SCR悬挂区等效应力的因素。

4.3 SCR最大有效张力对比分析

近向SCR沿管长的最大有效张力如图12所示，由分析可知SCR近向最大张力出现在工况7，最小张力出现在工况8，因此SCR有效张力主要受到重量和悬挂角度的影响。此外上述影响在SCR悬挂区域较触底区要明显，悬挂区的有效张力也较触地区大。

图12 SCR最大有效张力沿管长分布

4.4 柔性接头旋转角度对比分析

柔性接头最大旋转角度是SCR设计的关键参数，因此需要对计算结果进行分析。各个工况下柔性节点的最大旋转角度如图13所示。

图13 柔性接头最大旋转角度

由图13可以看出：1) 柔性接头的旋转角度也由横向工况控制；2) 横向上，轻质SCR的旋转角度较重质SCR大约7%；3) 横向上，增加柔性接头的刚度能够明显降低旋转角度，刚度增加1倍，旋转角度减小约10%；4) 悬挂角度的误差对柔性接头旋转角度的影响小于1%，可以忽略；5) 波浪变化直接影响船体的运动响应，在横向上与轻质工况相比对柔性接头旋转角度的影响相对较大约为6%。