海洋平臺海管立管懸空方案設(shè)計研究

趙銘文，陳 希

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300451)

海洋平臺周邊受導管架樁腿、立管的影響，洋流紊亂，容易對海床造成大面積沖刷現(xiàn)象。由于海管立管安裝通常采用在樁腿上吊掛的方式，因此，對于立管底部受在洋流沖刷作用下極易出現(xiàn)懸空。在以往的項目設(shè)計中，一旦出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，就要求采用沙袋和混凝土灌漿袋等進行回填，工程難度大、費用高。并且沙袋和混凝土灌漿袋在水流沖刷下，短時間內(nèi)就會出現(xiàn)破裂，流失現(xiàn)象，導致回填效果不理想[1-7]。

如果通過分析計算，能夠證明立管底部懸空不影響平臺設(shè)施安全穩(wěn)定運行，或明確需要進行回填作業(yè)的最大懸空量，就能夠有效降低平臺的生產(chǎn)維護費用。

1 計算過程

本文通過計算軟件模擬海管懸空情況下，其主要構(gòu)件：立管和立管卡子的受力情況，進而與相關(guān)標準、規(guī)范進行符合性分析對照，力求得出海管懸空許可量的限制條件。

1.1 模擬計算環(huán)境條件

模擬按照設(shè)計壽命25年，設(shè)計水深18.1 m。按照正常運行工況及水壓試驗工況，2種工況進行校核計算，輸入條件如下：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冰況(百年重現(xiàn)期)：厚度35 cm，壓縮強度2.04 MPa；③其他參數(shù)見表1。

表1 風、浪、流表

1.2 模擬計算模型

1.2.1 立管計算方法

立管計算遵循DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems要求。

對于立管的長度、跨度根據(jù)Vortex軟件計算，符合DNV-RP-C205要求，主要計算公式如下。

(1)

式中：VR為速度衰減；u為垂直于管軸的流速；fn為管段固有頻率；D為管直徑。

穩(wěn)性參數(shù)Ks定義如下：

(2)

式中：me為有效質(zhì)量；δ為結(jié)構(gòu)阻尼對數(shù)衰減率；ρw為環(huán)境水密度。

管段固有頻率fn計算：

(3)

式中：L為管段長度；E為楊氏模量；I為轉(zhuǎn)動慣量；a為邊界系數(shù)。

1.2.2 邊界條件設(shè)置

管段邊界條件設(shè)置為：“錨固”數(shù)值常數(shù)a取決于端部約束條件,對于“錨固”的末端條件是16.1。KC為Kulegan-Carpenter 常數(shù)，定義如下：

(4)

式中：um為洋流導致最大線性速度；T為洋流周期。

有效單位質(zhì)量me計算如下：

(5)

式中：m(x) 為x方向上質(zhì)量分解,含附件及卡子質(zhì)量；y(x) 為y方向上質(zhì)量分解。

1.2.3 管線模型

建模的物理性質(zhì)和材料依照立管物理特性定義，計算模型具體如圖1所示。

圖1 立管模型圖

2 負載校核

2.1 立管負載校核

立管的根據(jù)DNV-OS-F101按第505和506進行負荷控制的局部屈曲進行校核。所有截面上立管彎矩、有效軸向力和內(nèi)部壓力設(shè)計應(yīng)滿足的公式(7)校核結(jié)果：

(7)

式中：Md為設(shè)計彎矩；Sd為設(shè)計有效軸向力；Pd為設(shè)計壓力差分；Mp為fy(D-t2)2t2；Sp為fyπ(D-t2)t2；Pb(t2)為爆破壓力；ac為(1-β)+βfu/fy,即應(yīng)變淬火的流動應(yīng)力參數(shù)(不大于1.20)；β為(0.4+qh)(60-D/t2)/45即徑厚比15≤D/t2≤60時計算公式。其中，qh為2(Pid-Pe)/ 3Pb(t2),即壓力比；fu為設(shè)計拉伸強度；fy為設(shè)計屈服強度；γsc為安全等級抗力系數(shù)；γm為材料抗阻系數(shù);t2為壁厚；Pi為內(nèi)壓；Pe為額外壓力；Pld為局部設(shè)計壓力。

所有受到彎矩、有效軸向力和外部超壓影響的管線應(yīng)為滿足8式校核結(jié)果要求。

(8)

式中：Pc為膨脹壓力。

設(shè)計負載通過下述公式計算：

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為 正常工況彎矩；ME為 環(huán)境工況彎矩；MA為突發(fā)工況彎矩；SF為正常工況軸向力；SE為環(huán)境工況軸向力；SA為突發(fā)工況軸向力；γA為偶然荷載效應(yīng)系數(shù)；γC為條件荷載效應(yīng)系數(shù)；γE為環(huán)境荷載效應(yīng)系數(shù)；γF為功能荷載效應(yīng)系數(shù)；γp為壓力荷載效應(yīng)系數(shù)。

3 計算結(jié)果分析

3.1 立管跨距分析

基于波浪及洋流計算的立管卡子跨距及校核分析結(jié)果如表3所示，軟件計算結(jié)果如表4、表5所示。

表3 立管卡子計算結(jié)果

表4 立管分析結(jié)果(水壓試驗)

表5 立管分析結(jié)果(運行工況)

3.2 立管壓力分析

模擬計算中彎矩從AUTOPIPE軟件輸出中提取，其值與DNV-OS F101負荷控制局部屈曲對照結(jié)果如表6所示，根據(jù)DNV-OS-F101要求，最大UC值在全部工況下應(yīng)小于1.0。

表6 立管UC值

4 結(jié)果分析

通過軟件計算結(jié)果可見：在正常運行工況和水壓試驗工況下，海管立管受力、位移量、抱卡負載均在許用范圍以內(nèi)。

因此可以得到結(jié)論：在渤海海域范圍內(nèi)海管底部立管懸空量不大于立管卡子間距時(即懸跨允許范圍內(nèi))，不會對海管的安全運行造成絕對性影響。立管處懸空設(shè)計滿足使用要求,無需進行后期回填工作。該模擬結(jié)果與海上實際情況一致。

5 結(jié)束語

本文通過模擬計算，從理論上證明在渤海海域范圍內(nèi)海管立管懸空在懸跨允許范圍內(nèi)對海管安全運行沒有絕對性影響。并且通過與渤?，F(xiàn)有油田實際情況對比，也直接證明該模擬計算的正確性。

對于渤海海域常規(guī)平臺海管設(shè)計過程中所要求的：“海管必須100%接觸海床面，并要求運營單位長期進行監(jiān)控及回填”的做法可以進行優(yōu)化。

建議在后續(xù)平臺立管設(shè)計過程中，可以考慮采用取消立管底部填沙袋等設(shè)計。