運動監測裝置對柔性立管整體性能的影響

高 杰， 劉軍鵬*， 劉永波， 張振興

(1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院, 北京 102200; 2.海洋石油工程股份有限公司, 天津 300450)

柔性立管在目前深水油氣田開發中應用最為廣泛,對其運動狀態進行監測是保障海上油氣生產系統安全可靠運行的重要手段。隨著海洋油氣工程發展,立管監測技術也不斷提高,目前用于立管運動監測的裝置主要有有線、聲吶無線、自容式[1]3種類型。監測時需將儀器安裝至立管指定位置,記錄該點的運動狀態及規律,用于立管的完整性管理和可靠性評估,如Marlim油田P-18半潛式平臺和Tahiti油田Spar平臺立管的監測[2-4]?？紤]到各類監測儀器都具有一定的質量,而且需要在立管上不同位置“附著”,這勢必會對立管的整體構型產生影響,尤其是柔性立管,其在水下的運動幅度較大,端部拉力和最小曲率半徑必然發生變化,評估該變化是否在允許的范圍之內,是工程上決定是否采用監測裝置的關鍵。針對立管的動力學分析,學者們已經做過大量研究并取得豐富成果。姜峰等[5]對3種極端海況下的海洋立管波浪、海流載荷同時作用下的動力可靠性進行了計算,并得到了海況嚴峻程度與最大米塞斯等效應力以及海洋立管的動態可靠度的相互關系。吳濤等[6]對大應變鋼懸鏈線輸流立管動力特性進行了研究,得出內流,立管彈性模量以及頂部張力通過影響結構的固有頻率來影響立管的動力特性。王琳等[7]采用有限元方法研究了不同程度段塞流對立管系統的影響,并對結果進行了實驗驗證。

對于立管的整體性能影響,學者們主要是對剛性立管或柔性立管的渦激振動[8-12]及抑制進行了相關的研究；曲晶瑀等[13-14]對比了裸管與安裝有整流罩及螺旋側板立管的整體性能,發現合理的整流罩弦厚比與螺旋側板弦高對減小立管升阻力和抑制立管渦激振動具有一定的作用,但未考慮裝置重力對立管最大張力和曲率的影響。目前針對安裝有立管渦激振動抑制裝置及立管運動監測設備的柔性立管,還未有深入的研究,而裝有載荷的立管由于局部附加質量以及水動力系數等發生了變化,從而導致立管局部受力過大或曲率半徑變小,進而使對立管整體結構的最大張力及立管彎曲強度具有一定的影響,當外界環境較為惡劣時,由于局部附加質量增加,導致立管張力和曲率發生較大變化,張力的增大、曲率半徑的減小及受力不均勻會導致立管表皮或內部結構由于過度拉伸或扭轉產生破壞,對海洋油氣安全生產造成威脅,因此,有必要對安裝有監測儀器的柔性立管進行相關的整體性能分析,發現附加載荷對立管的影響規律,驗證裝有監測設備立管的安全性能。

現以中國南海某油氣田的9.25 in(1 in=25.4 mm)柔性立管為研究對象,基于ORCAFLEX軟件,建立了立管整體分析模型,結合實測的油田海洋環境條件,采用,對該柔性立管安裝立管運動監測裝置前后進行了不同波浪方向的整體分析,獲得了不同波浪方向下,立管運動監測裝置質量以及安裝位置對立管整體性能的影響規律,該規律對于海洋立管監測設備的設計、安裝及立管系統的安全運行具有重要的參考意義。

1 整體分析模型

1.1 柔性立管的力學模型

基于集總質量法,采用ORCAFLEX軟件對柔性立管進行了數值模擬。分析基于以下假設：①柔性立管單元的幾何特性和材料特性是恒定的；②立管的底端在所有方向和旋轉上受海底水平管道約束；③考慮到立管自重和外荷載的影響,分析屬于小應變大變形問題[15]；④利用Stokes第5波模擬平臺的運動,作為立管頂端的邊界條件。

1.2 理論分析模型

基于集中質量法,將柔性立管建為一條直線,將其劃分為一系列線段。線段僅模擬線的軸向和扭轉特性。其他屬性(質量、浮力等)都集中到節點上。集中質量法模型[16]如圖1所示。

圖1 集中質量法理論

1.3 立管及管線構型

選取南海某油田柔性立管為分析對象,該油田水深約420 m,采用“浮式生產儲油船(floating production storage and offloading，FPSO)+水下生產系統”的開發模式,柔性立管懸掛在FPSO船體上,該船長255.8 m,船重為195 295 t,船體及立管具體參數如表1所示,柔性立管的整體為懶波構型(Lazy Wave)構型,如圖2所示。海面以上為FPSO船體,水面以下為整條柔性立管,浮力塊區域下端與海底水平管線區域通過立管管夾進行連接。

表1 船體及立管屬性

L1～L6為各段管線長度；L1為懸垂段區域；B1為浮力塊區域；B2為壓緊夾；T1為系繩；W為壓載區域

圖3 柔性立管內部結構

柔性立管為非黏結多層結構,包括骨架層、內襯層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、防磨層、保溫層以及外保護套等共12層,具體結構如圖3所示。

基于柔性的立管的構型及具體結構,建立整體分析模型，如圖4所示。

圖4 立管整體分析模型

1.4 邊界條件

將浮式生產儲油船(FPSO)的響應振幅算符(response amplitude operator，RAO)作為柔性立管頂端的邊界條件,將柔性立管頂部與FPSO底部相連。立管的底端與海床上水平管道直接連接；此處不考慮海床摩擦力。要正確地模擬系統的動力學特性,獲得RAO振幅和相位的精確值是非常重要的。

根據水動力計算結果,將計算好的頂部浮體各個浪向6個自由度的運動響應數據(RAO)按照順序依次填寫到對應的欄目中。在進行立管分析時,這些參數一般由浮體設計部門事先給出。

1.5 分析步驟

對柔性立管進行整體分析,以評估監測裝置引起的附加載荷對柔性立管的影響。為了評估柔性立管的性能,應在整體分析中計算柔性立管的靜態結構和因環境影響而產生的位移、曲率、力等整體響應。

整體分析包括靜態分析和動態分析兩個方面。靜態分析可以確定系統在重量、浮力和阻力作用下的平衡構型。此外,它還可以為動態分析提供初始條件。在大多數情況下,靜態平衡條件是動態分析的最佳起點。動態分析是從靜態分析得出的位置開始,對模型在指定時間段內的運動進行時間模擬。

2 分析過程及結果

2.1 環境設置

根據實際監測數據,設置海水溫度為10 ℃,海水密度為1.025 t/m3,水深為420 m,取Stokes`5th波,平均波高7.5 m,波周期為10.5 s,海流速度類型為剪切流,其流速剖面如圖5所示。

圖5 流速剖面

海水表面流速最大,表面流速為0.99 m/s,有海水表面到海底,海流速度依次降低,接近海底的流速為0.26 m/s。

2.2 分析過程

考慮到本項目設計的立管運動監測設備與夾具總質量為125 kg,擬開展75、125、150 kg附加質量載荷施加在相應的位置進行整體性能分析,因為未考慮浮力影響,所以得到相應分析數據相對保守,結果偏于安全。立管運動監測重點針對3個區域：懸垂段,浮力塊區域、觸地區,因此需要在對應位置安裝監測裝置。

由于立管運動周期與波浪周期接近時,立管振動幅度將會大幅增加,將要發生“共振”,此時對立管損壞最大,因此,需要通過模態分析得到立管的固有頻率及運動周期,由圖6模態分析結果可知,立管運動監測設備安裝到水深200 m以內時,在與波浪周期10.5 s最接近的模態(Mode 11 周期10.482 s),最大位移為0.425 1 m,沿管長99 m,該位置可作為監測點,即立管運動監測設備安裝位置。由于在沿管長81～119 m內運動幅值均達到0.4 m以上,此范圍內均可作為監測區域。

圖6 立管第11階模態

由于監測設備安裝位置需要進行優化,所以選擇在位移最大處、壓載區域以及浮力塊區域。波浪的方向對立管的整體性能也有較大影響,由于FPSO船體的對稱性,選取3個典型的波浪方向,即波浪與船艏方向夾角為90°、120°、180°,研究不同海況下立管安裝運動監測儀前后的整體性能。

立管運動監測儀安裝的3個典型位置的選取如圖7所示。沿管長99 m處是200 m范圍內立管運動幅值較大位置,385 m處是管線最小曲率半徑位置,576 m處為立管觸地區域,選擇3個典型位置,可以有效地反映出監測裝置安裝位置對立管整體性能的影響。

圖7 立管運動監測裝置安裝位置

2.3 結果分析

對于深水柔性立管,其整體性能主要表現為立管有效張力及曲率。只要能夠保證安裝立管運動監測裝置的立管最大有效張力及曲率半徑滿足要求,則運動監測工作可以在不影響立管整體性能的情況下進行。

2.3.1 裸管整體性能分析

沿管長99 m處,即關鍵監測位置,立管隨時間變化的有效張力如圖8所示。

計算時,由于立管運動達到穩定需要一定的時間,因此從10 s開始穩定,根據計算結果可知,在一定的水流以及波浪情況下,在關鍵監測位置,立管張力呈周期性變化,且最大張力不超過450 kN,符合柔性立管的運動規律。

沿立管長度方向,其最大張力、最小張力以及平均張力如圖9所示。

圖9由上到下3條線分別表示沿立管長度方向的最大張力、平均張力以及最小張力；由計算結果可知,沿管長方向最大張力發生在立管與FPSO連接位置,即立管頂部張力最大,在未安裝運動監測裝置時,頂部最大張力為596.315 kN；沿管長向下,立管張力逐漸減小,到達400 m后又逐漸增加,主要是該位置為壓載塊及浮力塊區域,浮力塊區域對立管有向上的浮力,而壓載塊和觸地區域對立管有向下的拉力,因此該區域會出現張力增大現象,符合實際工程狀況。

曲率是立管不平坦程度的一種衡量,曲率越大,曲率半徑越小,曲線的彎曲程度越大；沿立管長度方向,其最大曲率、最小曲率以及平均曲率如圖10所示。

圖8 立管水下99 m處有效張力變化

圖9 立管沿管長方向的有效張力

由上到下3條線分別表示沿立管長度方向的最大曲率、平均曲率以及最小曲率

由計算結果可知,沿管長方向的曲率變化,最大曲率出現在浮力塊與壓載塊區域,最大曲率遠小于管線允許的曲率(0.370)。

2.3.2 安裝立管運動監測設備后立管的整體性能分析

由上述分析可知,在水下沿立管長度99 m處是安裝監測設備的最佳位置,同時考慮到立管構型的特殊性,還考慮了在壓載塊區域(385 m)及浮力塊區域(576 m)分別安裝立管運動監測裝置,對原立管整體性能分析,單個立管運動監測裝置重量為125 kg,考慮到安裝后立管的安全性,即在該處分別施加75、125、150 kg質量載荷,由于未考慮監測設備浮力,因此所得到的數據相對保守,結果偏于安全。

相同質量的立管運動監測裝置遇到不同方向波浪時,立管頂部有效張力值不同,其中,在3個典型位置安裝150 kg的監測裝置時,其各張力計算值如表2～表4所示。

表2 浪向90°時立管頂部有效張力對比

表3 浪向120°時立管頂部有效張力對比

表4 浪向180°時立管頂部有效張力對比

分別在99、385、576 m處安裝立管150 kg質量的監測裝置,根據計算結果,不同波浪方向對立管張力影響不同；90°波浪方向時,最大張力分別增加了0.26%、0.12%、0.000 1%；120°波浪方向時,最大張力分別增加了0.25%、0.03%、0.000 1%；180°波浪方向時,最大張力分別變化了0.25%、0.04%、0.000 1%；因此,相同質量的立管運動監測儀安裝在柔性立管懸垂段位置對立管最大張力產生影響較大。

質量不同的立管運動監測裝置,對立管最大張力也不相同,以下是在沿管長99 m位置,不同質量的立管運動監測裝置在不同波浪方向時對立管最大張力的影響。

圖11 波浪方向對立管最大張力影響

由圖11可知,在立管懸垂段安裝的監測裝置對立管整體性能產生了一定的影響。隨著波浪方向由90°增大到180°,立管最大張力值逐漸增大,這與FPSO船體形狀有關,3種質量的立管運動監測裝置對立管最大張力影響趨勢一致；其中,監測裝置的質量越大,相應的立管最大張力值越大,這與海洋工程實際狀況相一致。

另外,同一立管運動監測裝置,不同的安裝位置,對立管最大張力值的影響也不盡相同。圖12所示為是在立管不同位置安裝立管運動監測裝置后,對立管最大張力的影響。

圖12 安裝位置對立管最大張力影響

由圖12可知,在立管懸垂段(99 m)、壓載及浮力塊區域(385 m)及觸地區域(576 m)安裝立管運動監測裝置,對立管最大張力值具有一定的影響；立管運動監測裝置質量越大,其對應的最大張力值影響也最大,而且,相同質量的監測裝置在懸垂段對立管的最大張力影響最大,在觸地區域安裝監測裝置,對立管的最大張力基本沒有影響,這是由立管管線的構型以及浮力塊區域管線的漂浮方式有關。

通過對比3個波浪方向以及3種安裝運動監測裝置位置的頂部最大張力可知,在立管懸垂段安裝運動監測裝置對頂部最大張力影響相對明顯,如圖13所示,懸垂段與立管頂部直接連接,之間未有浮體或壓載的過渡,因此得到的結果符合實際情況。由圖13可知,立管監測裝置安裝在懸垂段區域對立管最大張力影響最大,安裝在壓載塊區域以及浮力塊區域對立管張力影響較小。

圖13 立管運動監測設備對立管張力影響

2.3.3 運動監測設備對立管曲率的影響

曲率是描述曲線局部性質(彎曲程度)的量,曲率越大,曲率半徑越小,曲率越小,曲率半徑越大；在水下立管鋪設時,應盡量使立管曲率半徑足夠大,才能保證立管結構的安全。

在不同波浪方向時,立管曲率半徑的計算值如表5所示。

同一立管運動監測裝置安裝在立管不同位置,對立管的最小曲率半徑影響不同,圖14所示為150 kg的立管運動監測裝置分別安裝在立管99、385、576 m處的最小曲率半徑計算結果。

由計算結果可知,隨著立管運動監測裝置安裝深度的增加,3個浪向下的最小曲率半徑的變化趨勢一致；最小曲率半徑的影響大小與安裝立管運動監測裝置的位置有關,安裝位置越接近最小曲率半徑位置,對立管最小曲率半徑影響越大,這與實際海洋工程狀況一致,立管最小曲率半徑位置在浮力塊與觸地區域之間,在該處的監測裝置對最小曲率半徑影響最大,但由于處于海底,波浪的影響較小,最小曲率半徑變化最大值為0.7%。

表5 不同工況下立管最小曲率半徑對比

圖14 安裝位置對立管最小曲率半徑的影響

3 結論

綜上所述,波浪方向、立管運動監測裝置質量及安裝位置均會對立管整體性能產生一定的影響,但影響程度不同。波浪方向對立管最大張力影響較大,而監測裝置的質量及安裝位置對立管最小曲率半徑和最大張力值影響均比較明顯。

(1)在立管不同位置分別施加相同質量載荷,在其他條件相同時,波浪方向為180°海況對立管的整體性能影響相對明顯；因此應該盡量避免船體與波浪方向成180°夾角。

(2)而保持相同海況時,在立管運動監測裝置安裝在立管懸垂段區域時,對立管頂部的最大張力影響最大,因而,在懸垂段安裝的立管運動監測裝置應該越小越接近真實監測值。

(3)同樣,在保持其他條件相同時,立管運動監測裝置安裝位置越接近最小曲率半徑位置,對立管本身的最小曲率半徑值影響越大,所以,在安裝立管運動監測裝置時,應盡量選在遠離最小曲率半徑的位置,除非有特殊要求,此時,應當采取方法將監測裝置的質量保持最輕。

考慮到不同的柔性立管其剛度及允許的最大張力和最小曲率半徑不同,因此,在對立管進行監測時,為了保證立管有效、安全運行,同時保證立管運動監測裝置監測數據的精確性,必須根據所研究立管本身屬性,既要考慮波浪方向、安裝位置對立管整體性能的影響,同時也應考慮立管運動監測裝置本身質量對立管整體性能的影響。立管監測裝置的質量及安裝位置對立管最大張力和曲率的影響規律,對于海洋立管監測設備的設計、安裝及立管系統的安全運行具有重要的參考意義。