深水鋼懸鏈線立管三維動力分析

何 寧王 波王 輝梁 輝張 昭

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.大連理工大學)

深水鋼懸鏈線立管三維動力分析

何 寧1王 波1王 輝1梁 輝1張 昭2

(1.海洋石油工程股份有限公司; 2.大連理工大學)

基于鋼懸鏈線立管系統動力學方程,建立了深水鋼懸鏈線立管三維有限元分析模型,對深水鋼懸鏈線立管系統在波浪、海流和浮體運動等載荷單獨作用和共同作用下的響應特征進行了分析。在多項載荷作用下,鋼懸鏈線立管表現出明顯的平面外響應,并且響應具有非線性特征,立管上部懸掛點和底部著地點附近Mises應力較高,是立管的危險段。

深水 鋼懸鏈線立管 三維模型 動力分析

立管系統是連接海面浮式裝置 (以下簡稱浮體)和海底設備的重要設施[1]。依據材料類型及用途1)LEE J.Introduction to offshore pipelines and risers.2008.,立管可分為剛性立管、柔性立管和混合立管(前兩者的結合體)。作為剛性立管的一種,鋼懸鏈線立管在技術可行性和經濟性方面具有優勢,已成為連接深水濕式采油樹的首選[2](圖 1),但隨著作業水深的增加和環境載荷的惡化,鋼懸鏈線立管系統逐漸成為深水油氣田開發系統中最薄弱的環節之一。因此,研究深水條件下鋼懸鏈線立管系統分析技術以及在環境載荷和浮體運動共同作用下鋼懸鏈線立管系統的運動響應特征,可以為我國南海深水油氣田開發中鋼懸鏈線立管系統的設計和安裝提供技術支持。

圖 1 深水浮式裝置鋼懸鏈線立管系統示意圖

從 20世紀 50年代開始,國外就展開了對深水立管系統的研究,已在深水立管系統的設計、制造、安裝,以及分析軟件和新材料開發等方面取得了一系列成果,并形成了相關的國際標準和規范。例如, 1993年 Shell公司就在位于墨西哥灣的 Auger張力腿平臺上安裝了世界上第一套鋼懸鏈線立管系統,用于 870m水深下油氣的輸出[3]。國內海洋油氣田的開發主要集中在 300m水深以內的淺海海域,在深水立管方面的研究起步較晚,但也取得了一些成果;比如,黃維平等論述了鋼懸鏈線立管系統的結構特征、設計施工、關鍵技術和應用前景[4],暢元江等使用 ABAQUS軟件對深水管中管鋼懸鏈線立管系統進行了二維非線性動力分析[5]。上述成果給出了深水鋼懸鏈線立管的基本受力分析模型,但實際中鋼懸鏈線立管系統處于復雜的環境載荷中,其不僅受到來自鋼懸鏈線立管平面內的環境載荷作用,而且還受到垂直于或斜交于鋼懸鏈線立管平面的載荷(出平面載荷),受力狀況比較復雜,而常見的二維分析模型由于無法考慮出平面載荷及其對應的系統響應,因此分析結果有一定的局限性。筆者基于鋼懸鏈線立管系統動力學方程[6],考慮鋼懸鏈線立管系統出平面的三維受力工況,利用通用有限元計算分析軟件 ABAQUS初步建立了深水鋼懸鏈線立管三維分析模型,以期比較真實地反映實際鋼懸鏈線立管的載荷狀況和系統響應。

1 動力學方程

鋼懸鏈線立管系統的動力學方程[6]可表示為在海洋環境中,鋼懸鏈線立管所受載荷 F由重力

Fg、浮力 Fb、拖曳力 Fd和慣性力 Fi組成。由于鋼懸鏈線立管屬于小尺度結構,因此可以用Morison方程計算拖曳力 Fd和慣性力 Fi。Morison方程理論認為,波浪力是海水流經物體時水流速度引起的阻力和水體加速度引起的慣性力的線性疊加,其中,阻力是繞流時水質點運動速度突然變化而形成的,其與速度平方及阻水面積成正比,慣性力與水質點原有軌跡運動的加速度及被物體排開水體的質量成正比,可按下式進行計算[6]:

式中:ρ為流體密度;D為立管外有效直徑;CD為拖曳力系數;CM為慣性力系數;u為波浪質點速度;u·為波浪質點加速度;U為海流速度。

2 鋼懸鏈線立管模型

本文建立的深水鋼懸鏈線立管三維分析模型如圖 2所示。鋼懸鏈線立管采用 PIPE31單元劃分網格,海床假設為平面,采用平面剛體模擬。

圖 2 鋼懸鏈線立管三維分析模型示意圖

參考國外常用深水鋼懸鏈線立管系統基本參數,設定本文中鋼懸鏈線立管尺寸和ABAQUS/Aqua模塊中相關的水動力學參數(表 1)。海洋環境條件設定以我國南海海況為依據,具體環境載荷參數見表2,并作如下假設:①波浪方向與海流方向相同,且垂直于立管所在的 zx平面,即圖 2中的 y方向,圖 3給出了本文所采用的初始時的波浪幅值剖面圖;②海流速度在同一水平面內保持為常量,且不隨時間變化,僅是水深的函數,圖 4為海流速度剖面圖。由于缺少海底地貌和土壤有關數據,同時也為簡化模型考慮,本文假設海床為剛性平面,并選取摩擦系數為 0.21)LEE J.Introduction to offshore pipelines and risers.2008.。分析中,鋼懸鏈線立管上部懸掛點和底部錨固點采用鉸支邊界條件。通常,鋼懸鏈線立管通過柔性接頭或者應力接頭連接到浮體之上。為了研究浮體運動對鋼懸鏈線立管的影響,在鋼懸鏈線立管上部懸掛點處施加與波浪同周期的正弦運動邊界條件 (圖 5),其運動響應表達式如下:

表 1 鋼懸鏈線立管尺寸和水動力學參數

表 2 環境載荷及介質參數

圖5 浮體運動曲線

分析過程包括 2個分析步:第一個分析步為靜態分析步,主要用來調整鋼懸鏈線立管在重力和浮力作用下的姿態,以確保其懸掛角處在一個合理的范圍之內 (本文中鋼懸鏈線立管懸掛角度約為14.50°);第二個分析步為動態分析步,用來計算鋼懸鏈線立管系統在波浪、海流和浮體運動作用下的動力響應,分析時間為 100個波浪周期,即 650s。

3 模擬結果分析

為了研究比較鋼懸鏈線立管在不同載荷下的響應,對鋼懸鏈線立管在波浪、海流和浮體運動單獨作用時和聯合作用時的系統響應分別做了模擬。

3.1 著地點位置

鋼懸鏈線立管著地點是指鋼懸鏈線立管與海床接觸段的起始點,是鋼懸鏈線立管設計中應重點關注的區域之一。表 3列出了不同載荷作用下鋼懸鏈線立管著地點距其上部懸掛點的水平距離 |xTDP-xHOP|和鋼懸鏈線立管懸掛段的長度 lhang-off。從表 3數據可以看出,就鋼懸鏈線立管著地點位置和懸掛段長度而言,波浪單獨作用的結果和海流單獨作用的結果完全一致,浮體運動單獨作用的結果和所有載荷聯合作用的結果完全一致。這說明,在本文所設定載荷的聯合作用下,鋼懸鏈線立管的著地點位置和懸掛段長度主要由浮體運動載荷決定,波浪載荷和海流載荷對其影響很小。

表 3 不同載荷作用下鋼懸鏈線立管著地點位置和懸掛段長度 m

3.2 平面外位移

本文中,鋼懸鏈線立管主要承受 zx平面外的波浪、海流和浮體運動載荷,所以鋼懸鏈線立管在 zx平面外的系統響應是研究的重點。為考察鋼懸鏈線立管上不同位置節點的響應特性,在鋼懸鏈線立管上選取了 a、b節點進行位移模擬;節點 a位于立管懸掛段中部,距懸掛點 995m,節點 b位于立管的著地段,距懸掛點 2 995m,模擬結果如圖 6～13所示。

圖 6～9給出了動態分析步進行中鋼懸鏈線立管節點 a、b在波浪、海流和浮體運動載荷作用下沿y方向的位移響應。圖 10～13給出了動態分析步結束時鋼懸鏈線立管在波浪、海流和浮體運動載荷作用下沿 y方向的位移響應。

從圖中可以看出,節點 a對不同的載荷有不同的響應特點:在海流作用下節點 a快速發生偏移并趨于一個穩定值 (圖 7),而對于波浪和浮體運動載荷節點 a的響應較為相似,表現為在其平衡位置附近振動(圖 6和圖 8)。圖 6～9表明,鋼懸鏈線立管上不同位置的節點(a或 b)具有不同的 zx平面外位移響應特性。這主要是因為,節點 a位于鋼懸鏈線立管懸掛段中部,受波浪、海流和浮體運動的影響較大,所以位移較大;而節點 b位于海床之上,由于波浪、海流和浮體運動的影響在此已削弱以及摩擦力的存在,幾乎沒有發生移動。

在整體位移響應方面,鋼懸鏈線立管對于海流的響應表現為懸掛段的整體偏移,且最大位移值發生在懸掛段中部(圖 11)。鋼懸鏈線立管對波浪和浮體運動載荷的響應形態有所不同,表現在鋼懸鏈線立管懸掛段對波浪載荷的響應幅值較為均衡 (圖 10),而對浮體運動載荷的響應幅值衰減較快(圖 12)。

圖 13給出了各種載荷聯合作用 650s時鋼懸鏈線立管在 y方向上的位移響應,由圖上可以看出,鋼懸鏈線立管的懸掛段明顯偏離了其原來所在的 zx平面,最大位移響應值約為 4.41m,出現在鋼懸鏈線立管懸掛段中部約 1 155.38m處。將圖 13與圖10～12相比較可以看出,鋼懸鏈線立管在波浪、海流和浮體運動載荷聯合作用時的位移值并不是它在各個載荷單獨作用時位移值的簡單疊加,而是表現出很強的非線性特征。值得注意的是,由于鋼懸鏈線立管這種在 zx平面外大位移響應的存在,當浮體安裝有多根鋼懸鏈線立管時,應該進行干涉分析,以確保立管間留有足夠的間隙。在惡劣海況下,多根鋼懸鏈線立管之間存在碰撞甚至被損壞的危險[7]。

3.3 M ises應力

圖 14給出了鋼懸鏈線立管在靜態分析步結束時,即僅受到重力和浮力作用時的Mises應力值。圖15給出了鋼懸鏈線立管在動態分析步結束前一個完整周期內的Mises應力包絡線,圖中Max曲線表示Mises應力的上限,Min曲線表示Mises應力的下限。從圖 14和 15可以看出,無論是在靜態載荷作用下還是在動態載荷作用下,鋼懸鏈線立管懸掛段的Mises應力曲線都呈現出“兩邊高,中間低”的U字形。也就是說,鋼懸鏈線立管的Mises應力局部極大值總是出現在 2個位置:一處是上部懸掛點附近(該值也是全局最大值);另一處是底部著地點附近。這一結果與文獻[8]和[9]給出的結論一致,證明了本文構建模型的正確性。另外可以看出,與靜力工況相比,動力條件下Mises應力最大變化幅值超過 40%,進一步顯示了出平面載荷作用效應。同時,在動力情況下,越靠近上部懸掛點的位置其Mises應力變化幅值越大,反映出該位置受疲勞影響也更大。這一結果也表明,在鋼懸鏈線立管的設計中,必須十分重視其上部懸掛點和底部著地點附近的應力和疲勞壽命分析。

4 結論

(1)鋼懸鏈線立管在出平面波浪、海流和浮體運動載荷共同作用時的位移響應并不等于其在各載荷單獨作用時響應值的簡單疊加,而是具有明顯的非線性特征。

(2)在出平面環境載荷和浮體運動的共同作用下,鋼懸鏈線立管系統表現出明顯的出平面位移;當上部浮體連接有多根鋼懸鏈線立管時,應該進行立管間的相互干涉分析,以確保立管系統的整體安全性。

(3)鋼懸鏈線立管上部懸掛點和底部著地點附近的Mises應力均為局部極大值,是鋼懸鏈線立管的危險部位,同時在動力情況下,立管Mises應力變化幅值較大,立管疲勞效應更加明顯,這在設計中應予以足夠重視。

[1] 宋儒鑫.深水開發中的海底管道和海洋立管[J].船舶工業技術經濟信息,2003,(6):31-42.

[2] SEN T K.Riser soil interaction in soft clay near the touchdown zone[C].OTC18896,2007.

[3] BAI Yong,BA I Qiang.Subsea pipelines and risers[M].Amsterdam;Loudon:Elsevier,2005.

[4] 黃維平,李華軍.深水開發的新型立管系統:鋼懸鏈線立管(SCR) [J].中國海洋大學學報:自然科學版,2006,36(5):775-780.

[5] 暢元江,陳國明,許亮斌,等.深水管中管鋼懸鏈線立管的非線性動力分析[C]//《中國造船》第四屆編委會.2007年度海洋工程學術會議論文集,2007:467-474.

[6] CHAKRABARTI S.Handbook of offshore engineering[M].Amsterdam;Loudon:Elsevier,2005.

[7] LAMBRMBRAKOS K F,GHOSH R.Verification of an analysis methodology for risers interference[C].OTC15386,2003.

[8] KARUNAKARAN D,LUND KM,NORDSVE N T.Steel catenary riser configurations for North Sea field developments[C].OTC 10979,1999.

[9] MANOUR G.The impact of the second order vesselmotion on the fatigue life of steel catenary risers:proceedings of the International Conference on OffshoreMechanics Arctic Engineering[C].Canada:OffshoreMechanicsArctic EngineeringDivision,AS ME.2004.收稿日期:2009-07-08 改回日期:2009-08-26

(編輯:張金棣)

Abstract:A three-dimensional finite element analysis model of deepwater SCR is built based on the dynamic equations of SCR.Responses of SCR system under wave,current and floater motions separately and assembly are simulated and analyzed. It can be concluded that SCR has responsesoutof the SCR plane which are nonlinear in case of multi-loads.The Mises stress in place near the SCR hang-off point and touch-down point are high,the corresponding parts are risky and should be paid more attention to them.

Key words:deepwater;SCR;three-d imensional model;dynamic analysis

Three-d imensional dynam ic analysis of deepwater SCR

He Ning1WangBo1Wang Hui1Liang Hui1Zhang Zhao2
(1.China Offshore O il Engineering Co.Ltd., Tianjin,300451;2.Dalian University of Technology, Dalian,116024)

何寧,男,工程師,1999年畢業于哈爾濱工程大學海岸與海洋工程專業,主要從事海洋工程技術研究工作。地址:天津市塘沽區丹江路 1078號 616信箱 (郵編:300451)。電話:022-66908152。