深水立管干涉分析研究

何 楊, 孫國民, 趙天奉

(1.海洋石油工程股份有限公司設計公司, 天津 300451; 2.中國石油大學, 北京 102249)

深水立管干涉分析研究

何 楊1, 孫國民1, 趙天奉2

(1.海洋石油工程股份有限公司設計公司, 天津 300451; 2.中國石油大學, 北京 102249)

隨著立管長度的增加，海洋立管間的干涉風險也在增大，在深水油氣田開發的早期就應關注立管干涉問題。立管干涉包含了復雜的物理現象，其中水動力相互作用對于眾多立管系統的干涉分析來說不可忽略。該文主要根據DNV-RP-F203規范介紹了基于水動力相互作用的深水立管干涉分析方法，給出了深水立管干涉分析的設計流程，探討了立管干涉的可接受標準，為深水立管設計分析提供借鑒。

深水立管；干涉；水動力相互作用；尾流效應；拖曳力放大

0 引言

當油氣勘探走向深水時，隨著立管長度的增加，海洋立管間的干涉風險也在增大。立管干涉是深水浮式生產設施設計中的一個關鍵問題，它對于浮體概念選擇、定位系統確定以及立管系統布置產生決定性的影響。因此，在深水油氣田開發的早期就應關注立管干涉問題。

立管干涉包含了復雜的物理現象，對于很多立管系統來說，在立管干涉分析中必須考慮相鄰立管間的水動力相互作用。穩定流速下的水動力相互作用研究較多，如Huse[1，2]、Huse&Kleiven[3]、Kavanagh[4]等人的工作具有一定的代表性；但關于波浪加載引起的相互作用研究比較少，僅有Duggal & Niedzwecki[5，6]等開展了一些工作。此外還進行了大量實驗來研究多圓柱體間的水動力相互作用，Blevins[7]和Zdravkovich[8]對此進行了綜述，Fontaine等[9]研究了SCR之間的碰撞，Fernandes等[10]給出了暴露在流下的柔性跨接管的試驗結果。在這兩種情況下，都觀察到了尾流效應引起的碰撞，但是仍然缺少由波、流和浮體運動的復合加載引起的水動力相互作用試驗結果。立管干涉的機理研究還在繼續，這些基礎研究需要充分了解荷載的機制以及彼此之間如何相互作用，但在實際工程設計中，需要引入由保守合理的假設支持的簡化方法。

工業界傳統的設計方法是在正常條件或者是極端條件下都不允許出現立管的碰撞，但是過于保守的設計往往帶來成本的大幅增加和效益的顯著降低，因此，尋求實用的立管干涉評估方法變得日益重要。該文主要根據挪威船級社的“立管干涉”推薦做法DNV-RP-F203 對深水立管干涉的分析方法、可接受的準則等問題進行探討。

1 立管干涉分析關鍵技術

1.1 立管干涉的主要影響因素

對于單根立管來說，一般承受波、流、受迫的波頻以及低頻的浮體運動等荷載作用。對于兩根相鄰立管來說，二者之間是否發生碰撞會受到很多因素的影響，主要包括：(1)加載環境；(2)在浮體上及在海床終端處立管的間距；(3)立管結構形狀和立管張力；(4)在初始條件和偶然情況下的浮體偏移量，偶然情況如一根或多根錨鏈失效；(5)海生物；(6)水動力相互作用，包括屏蔽、尾波不穩定性及渦激振動；(7)渦激振動抑制裝置的使用，例如螺旋列板；(8)立管作業，例如輸送介質密度的變化，鉆井/完井/修井作業；(9)偶然荷載工況，例如預張力損失或者浮力損失；(10)由于在質量、直徑、有效重量、施加張力或者有效張力等方面的不同導致立管具有不同的靜態/動態屬性。

1.2 水動力相互作用

水動力相互作用分析與模擬是立管干涉分析的關鍵技術，對于不同的立管系統來說，水動力相互作用的重要性程度不同。如果水動力相互作用的區域與立管的總長度相比非常小，則可以忽略水動力相互作用，例如具有不同懸掛角的順應式立管間的相互作用或者與錨鏈的相互作用。但是對于頂張力立管系統來說，進行立管干涉分析時必須考慮水動力相互作用問題。

在立管干涉中，將來流方向近端的立管稱為上游立管，將來流方向遠端的立管稱為下游立管(如圖1所示)。從保守設計的角度考慮，上游立管上的水動力相互作用可以忽略不計，這樣上游立管可以被視為一根孤立的立管。因此只需要充分重視水動力相互作用對下游立管的影響。

圖1 上游立管與下游立管

影響立管干涉分析最重要的兩個水動力相互作用的現象是尾流效應和拖曳力放大效應。其中尾流效應是指由于上游立管的屏蔽作用，使兩根立管間距有減小的傾向，同時導致下游立管上受到的平均力減少；拖曳力放大效應是指由于渦激振動的作用會導致拖曳力出現放大，影響到作用在上游立管和下游立管上的平均力。

1.2.1 尾流效應

上游立管產生的尾流場會影響到作用在下游立管上的水動力荷載。對下游立管平均力的影響包括由屏蔽效應引起的平均拖曳力折減及由尾流場的速度梯度引起的升力。

因此，平均拖曳力系數和升力系數將依賴于立管之間的相對距離。在局部坐標系中描述平均力系數是最方便的，流體的流入方向為x軸，橫向方向上為y軸。坐標原點位于上游立管的中心(如圖2所示)，V0定義為自由流速。

圖2 下游立管上拖曳力系數和升力系數的坐標系

圖3和圖4給出了圓柱體上的平均拖曳力系數和升力系數的例子，該圓柱體位于另外一個相同直徑的圓柱體的尾流中，這些系數是兩個圓柱體之間相對間距的函數。

圖3 尾流中圓柱體上的平均拖曳力 圖4 尾流中圓柱體上的平均升力

當立管靠近時可以看到明顯的屏蔽效應。此外，可以看到平均升力朝向尾流中心線，這意味著它將盡力把立管推向尾流的中心。

1.2.2 拖曳力放大效應

在整體立管干涉分析前先對上游立管和下游立管單獨進行渦激振動分析。上游立管被保守地看做是一根孤立的立管，下游立管上的渦激振動響應基于平均位置處局部的流入速度，以該位置的響應來代表渦激振動響應。

可以利用振幅來表征拖曳力放大。對于振動拖曳力系數增加，推薦由Vandiver[11]給出的表達式：

(1)

作為保守分析，一般將上限值用于上游立管。對于下游立管上由VIV引起的拖曳力放大，采用下限值，將趨向于使立管的平均位置彼此相互接近。

2 立管干涉分析工具及流程

圖5 立管干涉分析流程

當需要考慮水動力相互作用時，通常使用通用元軟件來進行立管干涉分析。由于干涉分析的復雜性，同時針對多根立管進行干涉分析會導致工作量劇增且難以收斂，因此，在目前的工程實踐中，通常會對同一時刻的兩根臨近立管進行整體結構分析，給出立管的最小間距。這樣的分析通常是通過使用特定的彎曲、軸向、扭轉特性的三維梁單元來建模。

立管干涉分析的主要流程：

(1) 考慮浮體偏移和流加載因素來確定碰撞是否可能發生。環境條件中無方向性的值和船體偏移應用于所有的方向上，從0°～360°，典型地每一步以5°～10°為宜。忽略多根立管的任何水動力相互作用，對每根立管計算由自由流加載引起的靜態偏移量，如果這個靜態偏移量小于名義靜態條件下立管間的最小間距，可以得出結論立管干涉是不可能發生的，也就沒有進一步分析的必要了。

(2) 如果初步評估揭示出相互作用效應是顯著的，則要求進行精確分析，分析中要考慮可能的水動力相互作用效應。對于尾流效應來說，可以采用如下程序：(1)計算靜態的上游立管結構形狀；(2)計算在輸入流荷載作用下靜態的下游立管結構形狀；(3)考慮來自上游立管的屏蔽效應，計算對下游立管的流入；(4)考慮算出的流入作為流荷載，重新計算下游立管的結構形狀；(5)重復進行第三步和第四步直到收斂；(6)對于拖曳力放大效應來說，需要考慮前面描述的由于VIV引起的拖曳力放大。

在考慮了尾流效應和拖曳力放大效應后，對立管的最小凈距進行判斷。如果不滿足要求，則需要進行立管布置的重新設計或考慮其它可接受的標準。

3 立管干涉的可接受標準

目前在工業界有兩種不同的可接受標準。第一種是禁止碰撞，鑒于立管干涉預測的高度不確定性，工業界的傳統做法是在正常條件甚至是極端條件下，都不允許出現立管的碰撞(API RP 2RD)。

在深水工程實踐中，過于嚴格的設計規范要求帶來了成本的大幅增加和效益的顯著降低，因此出現了第二種可接受標準，即在臨時、偶然和極端條件下允許出現碰撞，且滿足下列條件：進行整體荷載效應分析時，應充分考慮水動力相互作用；進行結構相互作用分析并對碰撞的后果結合認證試驗和設計計算進行評估，結果表明未危及到結構完整性，允許出現偶發的碰撞。在極端或者偶然荷載工況下放松不允許碰撞的設計原則，由此所帶來的費用節約是非常顯著的，為此，在一些實際工程中放寬了對立管干涉的要求，在極端情況下可以發生碰撞。

圖6 最小間距標準

需要注意的是，在第二種可接受標準下，仍然禁止順應式立管的浮力塊、立管與錨鏈、立管與其它結構(如中水浮筒、立管與未受保護的外部線狀物)發生碰撞。

立管間的間距可用于衡量立管碰撞的可能性。最小間距要求(MSR)是指上游立管和下游立管間的面與面之間的距離(凈距)要求。如果在流和海況作用下立管間的最小間距小于MSR，則具有較高的碰撞可能性，否則，不會發生碰撞。

第二種可接受標準對于較遠的尾流區參數化尾流模型是適用的，該區是指在上游圓柱體后大于2倍直徑的區域，但對于較近的尾流區，還不能充分地描述流動行為，因為這是一個高度非線性現象。另一個問題是，在凈距評估分析中不包括鄰近立管的VIV響應，最大的VIV位移為每根立管的一倍直徑，考慮兩個圓柱體可能的VIV來選擇最小的間距標準。在圖6中，Δ定義為兩個圓柱體外側邊緣間的距離，由此對于具有相等外徑的立管，推薦最小凈距為2倍的外徑。

對于具有不同外徑的立管，推薦兩根立管的外徑之和作為可接受標準。因此，為了避免碰撞，最小的間距由式(1)給出：

(2)

該標準并未體現任何的安全系數，工程設計實踐的做法是取2.5倍的安全系數，取最大管徑，設計中盡量避免出現立管碰撞，根據實際工程的一些經驗，一般來說要保持立管間4D～5D的凈距。

4 抑制立管干涉的主要措施

總體而言，為了使臨近立管系統獲得類似的性能經常規定設計目標的重量/直徑比。需要注意的是重量/直徑比受到海生物的顯著影響，對于小直徑重量較輕的立管特別重要。因此，應對帶有海生物和沒有海生物的情況下設計目標的重量/直徑比進行校核。

4.1 順應式結構形狀的設計參數

對于順應式結構形狀的立管布置，可以考慮下列減輕立管干涉或降低接觸引起的荷載效應：(1)根據類似的靜態/動態屬性對立管分組，如重量/直徑比；(2)增加耐磨性，如在喇叭口，I/J型管和浮體接觸區域等地方增加外護套；(3)設計相鄰的系統結構形狀，使得立管在不同的豎向位置處跨越；(4)在水平和豎直方向上與鄰近立管結構錯開；(5)使用不同的豎向懸掛角使立管分開；(6)使用不同的水平方向懸掛角使立管分開；(7)可通過清潔立管來去掉海生物；(8)通過改變浮力塊或配重塊分布來修正有效張力，從而調整橫流結構形狀剛度。

為了避免由于錨鏈失效對立管造成損傷，通常在任何情況下不允許錨鏈在立管上方跨越。

4.2 頂張力立管列陣的設計參數

在SPAR和TLP平臺上作業的TTR以豎向或接近于豎向的立管集束方式布置，這些立管表示為立管列陣，在立管列陣中，單根立管的數量也許達到20根或更多。

頂張力和立管間距是減輕立管干涉的主要設計參數。增加頂部張力或加大浮體終端處的立管間距，與此相關的成本可能會非常高。為減輕立管干涉或降低接觸引起的荷載效應而建議的其它設計變化是：(1)根據類似的靜態/動態屬性對立管分組，如重量/直徑比；(2)清潔立管來去掉海生物；(3)為減少碰撞引起的荷載效應可在立管關鍵區域內采用緩沖器或涂層；(4)張緊器同步作用來對立管列陣中的全部立管施加相等的負載或相等的有效長度；(5)在關鍵位置處采用間隔框來使立管保持分開狀態。

5 結論

隨著深水油氣田開發的不斷發展，立管干涉的問題會變得尤為突出。由于立管干涉包含了復雜的物理現象，其分析研究和工程設計的難度較大。通過研究，得出初步結論如下：

(1)水動力相互作用分析與模擬是立管干涉分析的關鍵技術。對于不同的立管系統來說，水動力相互作用的重要性程度不同。對于頂張力立管系統來說，進行立管干涉分析時必須考慮尾流效應和拖曳力放大效應的水動力相互作用問題。

(2)對于立管干涉問題工業界有兩種不同的可接受標準。第一種是在任何情況下禁止碰撞。第二種是允許極端條件下出現碰撞，但是要開展響應的評估和試驗工作。

(3)在立管設計中可以通過采取一系列措施來避免立管干涉。最簡單有效的措施是控制立管間凈距大于兩倍的管徑，工程實踐中一般推薦為4～5的管徑。

[ 1 ] Huse E. Interaction in Deep-Sea Riser Arrays[C].OTC paper，1993.

[ 2 ] Huse E. Experimental Investigation of Deep Sea Riser Interaction[C].OTC paper，1996.

[ 3 ] Huse E, Kleiven G. Impulse and Energy in Deepsea Riser collisions Owing to Wake Interference[C].OTC paper，2000.

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[ 6 ] Duggal A S, Niedzwecki J M. Regular and Random Wave Interaction with a Long Flexible Cylinder[C].OMAE 1993.

[ 7 ] Blevins R D. Flow induced vibrations[C]. Krieger publishing company, 1994.

[ 8 ] Zdravkovich M M. Flow Around Circular Cylinders[C].Oxford University Press，2003.

[ 9 ] Fontaine A C, Capul J, Rippol T, Lespinasse P. Experimental and Numerical Study of Wake Interference and Clashing between Steel Catenary Risers[C].OMAE 2007.

[10] Fernandes A C， Rocha S D, Coelho F M, Jacob B P， Queiroz J V, Capanema B, Merino J A.Riser Clashing Induced by Wake Interference[C].OMAE 2008.

[11] Vandiver J K. Drag Coefficients of Long-Flexible Cylinders[C].Offshore Technology Conference, OTC 4490，1983.

Study on Deepwater Riser Interference Analysis

HE Yang1, SUN Guo-min1, ZHAO Tian-feng2

(1. Engineering Company, Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China;2. Offshore Oil/Gas Research Center, China University of Petroleum, Beijing 102249， China)

The risk of interference between marine risers increases with increasing riser length. Riser interference should be addressed in early stages of the deepwater riser design process. Riser interference comprises complex physical phenomena including hydrodynamic interaction which should not be neglected for most of riser system interference analysis. In this paper, deepwater riser interference analysis approach based on the hydrodynamic interaction is introduced according to DNV-RP-F203, the corresponding design procedure is given and the acceptance criterion of interference analysis is discussed, which provide reference for deepwater riser interference analysis.

deepwater riser; interference; hydrodynamic interaction; wake effect; drag magnification

2013-07-15

何 楊(1978-)，男，工程師。

1001-4500(2014)04-0046-05

P756

A