超深水混合立管系統(tǒng)靜態(tài)構(gòu)型及受力分析

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.006

摘" " 要：混合立管系統(tǒng)連接FPSO是超深水采油的重要方式。針對(duì)超深水混合立管系統(tǒng)，考慮軟管、浮筒和立管的相互作用，建立整個(gè)系統(tǒng)的有限元模型，計(jì)算混合立管系統(tǒng)的靜態(tài)位移構(gòu)型和張力、彎矩，揭示混合立管的位移和張力、彎矩的分布規(guī)律。結(jié)果表明：軟管在靜水中達(dá)到靜力平衡時(shí)，面內(nèi)偏移量最大，垂向偏移量次之，受重力和浮力作用影響，構(gòu)型與空氣中差異較大；軟管與FPSO連接處的張力最大，與浮筒連接位置的張力次之，彎矩極值在軟管中部；混合立管系統(tǒng)最大張力位于立管與浮筒連接處， 系統(tǒng)彎矩極值在立管底部。

關(guān)鍵詞：超深水；混合立管系統(tǒng)；構(gòu)型；張力；彎矩

Abstract：A hybrid riser system connected to FPSO is an important oil production method in ultra-deep water areas. In this study， the interaction of the hose， buoyancy can， and steel riser were considered to establish the finite element model of the whole system. The static displacement configuration and internal force of the hybrid riser system were calculated， and the distribution law of displacement， tension， and bending moment of the hybrid riser was revealed. The results show that when the hose reaches static equilibrium in still water， the in-plane offset is the largest， followed by the Z-direction offset. Influenced by gravity and buoyancy， the configuration of the hose is different from that in the air. The tension between the hose and the FPSO reaches its maximum， and the one between the hose and the float takes second place， while the bending moment has its extremum in the middle of the hose. The maximum tension of the hybrid riser system is at the junction between the riser and the buoyancy can， while the bending moment of the system is at the bottom of the riser.

Keywords：ultra deep water; hybrid riser system; configuration; tension; bending moment

半潛式FPSO連接混合立管系統(tǒng)是目前深水采油的重要方式。混合立管的柔性跨接軟管（以下簡(jiǎn)稱軟管）為多層復(fù)合橡膠管，其下端連接浮筒，浮筒與鋼質(zhì)立管連接?；旌狭⒐芷鹪从?0世紀(jì)70年代后期[1]，至今已經(jīng)發(fā)展到單管第三代，可由鉆井船安裝，立管基礎(chǔ)連接到鋼質(zhì)吸力錨上，由浮筒提供張緊力，通過軟管連到浮式結(jié)構(gòu)上[2-3]。

在混合立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先需要分析軟管、浮筒和立管的構(gòu)型、張力、彎矩，以便使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)力特性。Wang等[4]針對(duì)安裝過程的立管建立靜態(tài)分析的模型和方程，立管與浮式鉆井船連接，下端懸空，承受軸向力和橫向力，采用有限元方法計(jì)算立管的應(yīng)力和變形。白興蘭等[5]基于大撓度柔性索理論，采用曲線梁模型模擬鋼懸鏈線立管的靜態(tài)構(gòu)型，考慮浮式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和鋼懸鏈線立管與海底相互作用問題，結(jié)果表明浮體運(yùn)動(dòng)對(duì)于立管頂張力影響很大。Lou等[6]針對(duì)深水油氣輸送的順應(yīng)式立管，研究其靜態(tài)構(gòu)型，分析其內(nèi)力和變形特征，研究表明浮式平臺(tái)對(duì)于順應(yīng)式立管運(yùn)動(dòng)具有較大影響。Gao等[7]分析了鉆井狀態(tài)超深水頂張力立管的變形，建立了立管的非線性準(zhǔn)靜態(tài)模型和方程，立管模擬為兩端鉸支的梁，受到非均勻的軸向力和橫向力，采用有限元方法求解方程。賈魯生等[8]針對(duì)緩波形立管進(jìn)行靜態(tài)構(gòu)型分析，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，研究水平跨度、 懸浮段長(zhǎng)度、浮子段長(zhǎng)度和浮子段直徑等參數(shù)對(duì)于緩波形立管軸力和變形的影響，尋找立管受力最小的構(gòu)型設(shè)計(jì)。劉德川等[9]針對(duì)頂張力立管，考慮張緊器的作用，建立頂張力立管的分析模型，研究張緊器對(duì)立管靜動(dòng)力響應(yīng)的影響，以及對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)傳遞的規(guī)律。結(jié)果表明：張緊器能提供更大的頂張力，從而減小立管的橫向位移和最大彎矩，張緊器對(duì)垂蕩的補(bǔ)償效應(yīng)明顯。何同等[10]總結(jié)了深水混合立管的跨接管設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問題，包括幾何形狀、靜態(tài)極限強(qiáng)度和疲勞壽命等；研究了靜態(tài)極限強(qiáng)度的載荷種類、邊界條件和校核標(biāo)準(zhǔn)；探討了不同因素對(duì)于跨接管疲勞壽命的影響。Kim等[11]針對(duì)軟管、浮筒和自由站立式立管組成的混合立管，研究軟管長(zhǎng)度、浮筒浮力等因素對(duì)混合立管靜態(tài)構(gòu)型的影響，給出了優(yōu)化軟管和浮筒的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍。朱紅鈞等[12]通過建立氣液兩相循環(huán)系統(tǒng)，研究不同氣液比下的混合立管在水動(dòng)力段塞流作用中的振動(dòng)響應(yīng)，并計(jì)算了混合立管中軟管的振動(dòng)頻率。章仲怡[13]通過篩選提取典型波浪海況，基于Orcaflex軟件對(duì)海洋柔性立管進(jìn)行水動(dòng)力分析，提取了軟管的最大彎矩和最大軸向力數(shù)據(jù)。

綜上，目前針對(duì)立管的研究大部分集中在鋼懸鏈線立管、單一材料立管或者管件，對(duì)于深水混合立管的研究主要針對(duì)立管或者軟管，水深一般在1 000 m以內(nèi)，對(duì)于超深水混合立管的研究較少。本文針對(duì)2 100 m超深水混合立管，研究靜水中軟管的構(gòu)型、張力、彎矩，浮筒的位移，立管的位移、張力、彎矩；揭示混合立管系統(tǒng)的構(gòu)型特點(diǎn)，靜態(tài)位移和張力、彎矩變化規(guī)律。這對(duì)于超深水混合立管設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1" " 數(shù)值模擬方法

1.1" " 模擬水平軟管的懸鏈線理論

研究混合立管的靜態(tài)構(gòu)型，實(shí)際上是確定靜水中混合立管受力的平衡狀態(tài)。軟管可看作是懸鏈線（見圖1）[14]，應(yīng)用懸鏈線理論做初步近似。

圖1中：y為懸鏈線豎直方向的位移，x為懸鏈線水平跨距，T為懸鏈線頂部所受拉力，Th為拉力的水平分量，Tv為拉力的豎直分量，S為懸鏈線長(zhǎng)度，θ為頂部懸掛角。定義k=Th/μ，μ為懸鏈線單位長(zhǎng)度重量。

由靜力平衡可求得懸鏈線的構(gòu)型：

懸鏈線長(zhǎng)度[S ]與水平跨距x之間的關(guān)系為：

懸鏈線法考慮了重量、浮力、軸向彈性、海流阻力和海床觸地，以及摩擦力的影響；忽略了懸鏈線及其終端的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響，以及管道模型中其他物體之間的接觸力的影響。懸鏈線法可以計(jì)算懸鏈線的平衡位置，當(dāng)彎曲剛度等其他因素的影響效果不顯著時(shí)，理論計(jì)算的結(jié)果通常非常接近真正的平衡位置。

1.2" " 有限元方法

模擬軟管和立管的另一種方法是有限元法。本文采用Orcaflex軟件計(jì)算混合立管平衡位置的構(gòu)型和受力，該軟件提供了多種單元類型，主要包括General pipe單元和" Homogenous pipe單元。此種方法通過輸入軸向剛度和彎曲剛度，即可計(jì)算不同類型管件的平衡位置。其中General pipe單元用于模擬非均質(zhì)材料管，例如模擬軟管，可以求出靜力平衡時(shí)軟管的張力、彎矩和位移，基于位移可以得到軟管和立管的構(gòu)型。Homogenous pipe單元用于模擬各向同性材料管，例如鋼質(zhì)立管。

1.3" " 混合立管靜力分析過程

靜力分析是指求解管道在恒定外力下的靜態(tài)平衡位置，不考慮風(fēng)、浪、流等動(dòng)荷載。從懸鏈線近似位置通過迭代求解，得到懸鏈線準(zhǔn)確靜態(tài)位置，管道的平衡方程為：

式中：K為管道的剛度，a為管道的位移，F(xiàn)D為流體阻尼力，F(xiàn)seabed為海床作用力，w為管道單位長(zhǎng)度濕重。

迭代過程中的求解函數(shù)為f（x），位移變化量為[Δa] ，則：

根據(jù)牛頓-拉夫森迭代法，則：

式中：ε為修正值，J為Jacobi矩陣。

聯(lián)立式（1）～式（3）進(jìn)行迭代求解，直到ε小于指定的值，迭代收斂，得到混合立管張力、彎矩和構(gòu)型等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2" " 混合立管系統(tǒng)模型建立

混合立管系統(tǒng)包括3部分：跨接軟管、浮筒和立管。跨接軟管上端與半潛式FPSO舷側(cè)連接，軟管底部為浮筒，立管為單管式，立管頂端為浮筒。環(huán)境水深為2 100.0 m。圖2為輸送系統(tǒng)幾何模型，整體坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系。規(guī)定FPSO從船尾指向船首的方向?yàn)閅軸正向，從左舷指向右舷的方向?yàn)閄軸正向，Z軸垂直向上。軟管性能參數(shù)見表1，浮筒參數(shù)見表2，立管參數(shù)見表3。

軟管采用General pipe單元，單元長(zhǎng)度1.0 m，共400個(gè)單元。浮筒采用圓柱型浮體模型模擬。鋼質(zhì)立管海底邊界約束取剛性固定，采用Homogenous pipe單元模擬立管，立管單元長(zhǎng)4.0 m，共500個(gè)單元?；趫D3模型，分析軟管、浮筒和立管在靜水中的張力、彎矩，以及位移和構(gòu)型。

3" " 靜力分析模型及坐標(biāo)系

靜力分析的邊界條件是：軟管與FPSO連接處為鉸支約束，允許發(fā)生3自由度的旋轉(zhuǎn)。其中，Z為豎直方向，Y為面內(nèi)方向指向右，X為面外方向。

3.1" " 靜水中軟管靜力分析

第一步，求解跨接軟管空氣中初始形態(tài)；第二步，求解水中靜力平衡位置。本節(jié)在計(jì)算分析過程中，選取靜水中（即無風(fēng)、無浪、無流環(huán)境）的軟管進(jìn)行計(jì)算，提取軟管沿軸線各位置點(diǎn)上位移、彎矩、張力。

3.1.1" " 軟管的構(gòu)型

混合立管在靜水中達(dá)到靜力平衡時(shí)，其構(gòu)型如圖4所示。

軟管在空氣中的初始構(gòu)型，以及在水中靜力平衡時(shí)的構(gòu)型見圖5。

由圖5可知，軟管在靜水中達(dá)到靜力平衡時(shí)，Y向和Z向均有較大偏移，Y向最大偏移28.274 m，Z向最大偏移13.89 m。這表明，靜水中平衡狀態(tài)下的軟管與初始空氣中的構(gòu)型有較大差異。

3.1.2" " 軟管的張力和彎矩

軟管的張力和彎矩計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，軟管與FPSO連接處的張力最大，最大值為1.305 × 105 N，與浮筒連接位置的張力為8.103 × 104 N；彎矩極值位于軟管中部254.5 m處，最大值為1 238.631 N?m。由圖6可知，軟管張力最小位置處的彎矩最大。

3.2" " 浮筒靜力分析

靜水中浮筒Y向偏移量為28.276 m，Z向偏移量為1.284 m。靜水中浮筒主要發(fā)生Y向移動(dòng)，這是由于浮筒受到軟管軸向拉伸作用引起的，浮筒Z向位移較小。

3.3" " 立管靜力分析

3.3.1" " 立管的構(gòu)型

基于圖3模型，計(jì)算得到立管的位移和構(gòu)型。立管達(dá)到靜力平衡的過程中，受到軟管和浮筒的影響，其相較于初始空氣中位置發(fā)生Y軸正向和Z軸負(fù)向偏移。Y軸正向最大偏移量為28.276 m，Z軸負(fù)向最大偏移量為1.284 m。產(chǎn)生最大偏移位置均在立管的頂部。立管平衡時(shí)的構(gòu)型見圖7。

根據(jù)圖7可知：受軟管和浮筒影響，Y向的最大位移和浮筒一致；受立管彎曲剛度影響，Z向變形很小。這表明，處于靜力平衡狀態(tài)下的立管，與初始空氣中立管的構(gòu)型有較大差異。

3.3.2" " 立管張力和彎矩

基于圖3模型，可以計(jì)算得到立管的張力和彎矩，見圖8。

由圖8可知，立管與浮筒連接處的張力最大，最大值為3.940 × 106 N，這是由于浮筒的張緊作用而造成的張力變大。而彎矩極值在立管底部，最大值為950.647 N?m，這是由于立管底部與海底的約束條件所導(dǎo)致的。

4" " 結(jié)論

本文對(duì)超深水混合立管系統(tǒng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到軟管和立管的張力分布和構(gòu)型，以及浮筒的位移，主要結(jié)論如下。

1）軟管達(dá)到靜力平衡時(shí)， Y方向最大偏移量為28.274 m，Z方向最大偏移量為13.890 m。受浮筒和立管影響，軟管位置相較于初始空氣中位置有較大偏移，與初始空氣中的軟管構(gòu)型有較大差異。

2）軟管與FPSO連接處的張力最大，與浮筒連接位置的張力次之。彎矩極值發(fā)生在軟管中部，即軟管張力最小位置處的彎矩最大。

3）立管達(dá)到靜力平衡的過程會(huì)受到軟管和浮筒的影響，其相較于初始空氣中位置有Y軸正向和Z軸負(fù)向的偏移。Y軸正向最大偏移量為28.276 m，Z軸負(fù)向最大偏移量為1.284 m，發(fā)生最大偏移的位置均在立管的頂部。

4）混合立管系統(tǒng)最大張力位于立管與浮筒連接處，這是由于浮筒的張緊作用造成了張力變大；彎矩極值在立管底部，是由主管底部與海底的約束條件所導(dǎo)致的。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（5247 1298）資助。

作者簡(jiǎn)介：羅對(duì)禹（1997—），男，廣西玉林人，天津大學(xué)在讀碩士研究生，現(xiàn)從事海洋石油工程裝備研發(fā)方面的工作。

Email： luoduiyu615@tju.edu.cn

收稿日期：2024-10-24；修回日期：2024-12-03