海床不平整度對SCR立管動態(tài)強度的影響

李寧，楊偉

（1.北京高泰深海技術(shù)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

隨著我國南海油氣開發(fā)的不斷深入，鋼制懸鏈線立管（SCR）由于具有成本低、對浮體運動有較大的適應(yīng)性、適用于高溫高壓工作環(huán)境，工程技術(shù)相對成熟等特點正逐漸成為我國南海深水開發(fā)的首選立管形式[1]。海南陵水項目為國內(nèi)首個采用鋼質(zhì)懸鏈線立管的深水工程項目。

深水鋼質(zhì)懸鏈線立管與海床的相互作用是該型立管工程設(shè)計和研究的重要方向。由于SCR觸地區(qū)域管土作用的復(fù)雜性，因此目前針對SCR與海床的研究主要集中在建立觸底區(qū)管土作用模型，其分析方法主要為數(shù)值模擬和模型試驗兩種[2]。此外SCR與海床作用的另一個研究方向是立管觸底區(qū)由于立管運動而形成的溝槽（Trench）對立管疲勞的影響，王坤鵬等[3]通過SCR觸地區(qū)的Trench模型分析得出了溝槽的存在對立管觸底區(qū)疲勞有利的結(jié)論。陵水項目立管觸地區(qū)域海床有明顯起伏，但對于不平整海床對立管觸地區(qū)域的影響目前研究較少，因此對不平整海床下的立管進(jìn)行分析成為該項目中必須要解決的實際工程問題。

在此工程背景下，筆者以陵水項目10寸生產(chǎn)管為例，進(jìn)行了海床不平整度對立管強度影響的研究。

2 深水鋼懸鏈線立管強度分析

深水鋼懸鏈線立管強度分析首先要確定立管形態(tài)，在立管初步形態(tài)確定后進(jìn)行立管動態(tài)強度分析以確定立管應(yīng)力滿足許用應(yīng)力要求。深水鋼懸鏈立管形態(tài)如圖1所示，其滿足懸鏈線方程式1。當(dāng)僅考慮浮重力作用時均勻截面懸鏈線立管上任意一點受力如圖1所示，其中s為弧長，w為管線水下重，T為管線張力，V為豎向分力，H為水平分力，θ為懸掛角。

圖1 懸鏈線立管受力分析

對于懸鏈線上任意一點有：

其中：a為處地點曲率半徑。

懸鏈線上任意一點上的物理屬性和幾何屬性的關(guān)系如下[4]：

其中：h為對應(yīng)點處的水深，X為懸鏈線水平投影長度。

SCR立管動態(tài)強度分析的主要目的是保證在選定的懸鏈線形態(tài)下極端工況時立管觸地區(qū)域管線不受壓，在生存工況下立管觸地區(qū)域管線受到的壓力不超過限制。SCR強度分析結(jié)果應(yīng)滿足API 2RD中的許用應(yīng)力要求，如表1所示。

表1 強度設(shè)計準(zhǔn)則 SCR許用應(yīng)力

SCR動態(tài)強度分析根據(jù)環(huán)境載荷作用方向和立管所在平面的相對位置，一般進(jìn)行near、far、cross三個方向的動態(tài)分析。由于波浪的隨機性，在每個分析方向上均選用5個隨機生成的波浪及對應(yīng)的船舶運動進(jìn)行分析，等效應(yīng)力選取平均值。立管每個工況均進(jìn)行3個小時的時程分析以保證能夠捕捉到立管最大的響應(yīng)。立管觸地區(qū)域的海床從便于計算分析的角度出發(fā)一般模擬成平坦的線性剛度海床。

3 不平整海床下的SCR立管動態(tài)分析

立管觸地區(qū)域平整海床的假設(shè)受到平臺選址、井口位置等因素的影響在某些項目中與實際海床存在較大出入。本節(jié)選取陵水17-2項目中海床不平整度最大的10寸P3 SCR進(jìn)行不平整海床下的立管強度分析，為減少計算，選取了最危險工況下最危險方向near進(jìn)行立管動態(tài)分析。

陵 水 1 7 - 2 半 潛 平 臺 主 尺 寸 為91.5×91.5×59m，正常吃水37m。10寸P3立管位于平臺南側(cè)，距平臺北向朝向角為190°。10寸立管形態(tài)及相關(guān)參數(shù)如下表所示。

表2 10寸立管相關(guān)參數(shù)

立管觸地區(qū)域海床坡面如圖2所示，海床最大起伏為9.39m，海床采用線彈性模型，海床剛度為1250kN/m/m2。

圖2 二維海床剖面圖

為了驗證模型的準(zhǔn)確性，分別采用Orcaflex和ABAQUS建立SCR立管及海床三維模型，模型如圖3所示：

動態(tài)分析海況如表3所示：

表3 分析工況

圖3 不平整海床立管分析模型

分別采用Orcaflex和ABAQUS建立的SCR動態(tài)分析模型，經(jīng)分析后，觸地區(qū)域最危險點的張力及彎矩時程曲線如圖4所示。

圖4 觸地區(qū)域立管張力及彎矩時程圖

應(yīng)力最大時刻4800s附近的有效軸力、彎矩及應(yīng)力對比如圖5所示。

圖5 觸地區(qū)域立管張力、彎矩及等效應(yīng)力對比圖

由上述不平整海床下的立管動態(tài)分析對比結(jié)果可知，Orcaflex和ABAQUS模型分析具有很好的一致性，不平整海床的作用對兩個立管模型是相似的，因此上述模型能夠真實反映不平整海床對立管強度的影響。

不平整海床與平整海床下的立管沿弧長的等效應(yīng)力對比如圖6所示。

圖6 不平整海床與平整海床下的立管沿弧長的等效應(yīng)力對比

由對比分析結(jié)果可知，立管海床上的靜態(tài)段，由于海床不平整的影響等效應(yīng)力的變化較為明顯，但由于觸地區(qū)等效應(yīng)力較大，海床不平整對懸鏈線立管影響的危險區(qū)域集中該區(qū)域。對比orcaflex軟件分析的觸地區(qū)平整海床與不平整海床的分析結(jié)果可知，等效應(yīng)力由于海床不平整的影響增加不大，僅為約1.6%。當(dāng)采用精度更高的通用有限元ABAQUS進(jìn)行分析可知，觸地區(qū)域的最大等效應(yīng)力仍然滿足許用應(yīng)力要求。

4 結(jié)論

（1）由本文對比分析可知，采用平整海床假定進(jìn)行鋼懸鏈線立管觸地區(qū)域動態(tài)分析引起的誤差是可以接受的。

（2）不平整海床對鋼懸鏈線立管的影響主要集中在觸地區(qū)域，對立管海床靜態(tài)段，雖然由于不平整海床引起的管線應(yīng)力變化較大，但由于總應(yīng)力水平較低，因此該區(qū)域管線較為安全。

（3）SCR立管應(yīng)通過分析確定觸地區(qū)域范圍，在路由選擇時應(yīng)優(yōu)先選取觸地區(qū)域海床平整的路由，對于立管懸掛平臺底部區(qū)域及立管海床靜態(tài)段對海床平整度可適度放寬要求。