深海鋼懸鏈線立管(SCR)安裝強度分析

，有為，

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

深海鋼懸鏈立管(steel catenary riser，SCR)按其構型可分為簡單鋼懸鏈立管(simple catenary riser SCR)、陡波鋼懸鏈立管(steep wave SCR)、緩波鋼懸鏈立管(lazy wave SCR)、L型鋼懸鏈立管(bottom weighted SCR),見圖1[1]。目前實際工程中應用最多研究最深入的鋼懸鏈立管為簡單鋼懸鏈立管，安裝強度分析也是針對簡單鋼懸鏈立管。

圖1 鋼懸鏈立管不同結構形式

與其它立管相比，鋼懸鏈立管結構形式相對簡單，由若干標準長度的鋼管焊接而成，集海底管線與立管于一身，一端連接井口，另一端連接浮式結構。簡單鋼懸鏈立管通過鋼制或鈦制柔性節(flexible joint)自由懸掛在浮式設施外側，這些應力節能夠吸收潛在的平臺運動。其底端自由垂放在海底，無需海底應力節或柔性節連接。因此,與柔性立管和頂張力立管相比,鋼懸鏈線立管的成本低,無需頂張力補償,對浮體漂移和升沉運動的容度大,適用于高溫高壓介質環境。這些特點使得鋼懸鏈線立管取代了柔性立管和頂張力立管而成為深水油氣資源開發的首選立管系統。

1 SCR立管安裝方案設計

立管的安裝需要考慮的因素有很多，例如立管的尺寸和重量，安裝船的費用，安裝海域的環境條件以及安裝周期等，對于SCR立管系統的安裝，不僅要保證安裝過程中的精度，還要保證安裝過程中SCR的強度和安裝船安裝設備滿足要求，所以合理的安裝方案顯得尤為重要。

假定中國南海的立管安裝海域水深為1 500 m，屬于深水鋪管，綜合考慮鋼懸鏈立管的安裝特點，選取J形鋪管的鋪管方式[3-4]。根據實際工程經驗，將深水SCR的安裝流程分為兩個主要過程：鋪管和移管。

1.1 鋪管

按鋪管方式以及鋪管船到海底的管道形狀劃分,可以分為S形、J形鋪管船,以及作為連續管的卷筒式鋪管船。多數鋪管船都屬于S形鋪管船,此類鋪管船多用于較淺海域,也可用于深海。J形鋪管法有著天然的深水適應性，較適合用于深海海域鋪管。卷管式鋪管既可以用于深海,也可用于淺海,但是管道直徑不宜過大,一般不超過406.4 mm[5-6]。

J形鋪管法是目前最適于深水和超深水的管道鋪設方法。它通過J式托管架上的張緊器，將管線以幾乎是垂直于鋪管船的方式送入海中。在鋪設過程中借助于調節托管架的傾角和管道承受的張力來改善管道的受力狀態，達到安全作業的目的。

1.2 移管

移管是指在鋪管完成后，通過主吊繩和輔吊繩的配合作用，將立管移至半潛式平臺的過程。根據移管過程中不同階段主吊繩和輔吊繩的受力特點，將其分為5個步驟。

1) 安裝船通過輔吊繩拉緊SCR，主吊繩松弛。在鋪管過程結束以后，整個SCR的重量全部由安裝船承擔。此時通過主吊繩與半潛式平臺相連，并設定主吊繩至一定長度，而且沒有預張力，該過程示意于圖2。

圖2 移管初始階段

2) 安裝船下放SCR，主吊繩松弛。SCR隨著輔吊繩慢慢下放，但此時主吊繩還沒有承擔SCR重量，沒有產生張力，該過程示意于圖3。

圖3 SCR開始下放，主吊繩未承重

3) 輔吊繩和主吊繩同時拉緊SCR。當SCR下放至某一深度之后，將要通過主吊繩慢慢回拉至半潛式平臺指定位置，此時，主吊繩和輔吊繩同時承擔SCR重量，該過程示意于圖4。

圖4 SCR下放至某一階段后開始回拉

4) 主吊繩張緊，輔吊繩松弛。在SCR回拉的過程中，主吊繩的張力不斷增加，輔吊繩的張力逐漸減小，SCR逐漸被拉至半潛式平臺制定位置，該過程示意于圖5。

圖5 SCR回拉

5) 安裝船與SCR斷開，主吊繩拉緊SCR。SCR回拉過程結束，安裝船與SCR斷開，已經不承受SCR重量，輔吊繩沒有張力。SCR懸掛于半潛式平臺指定位置，該過程示意于圖6。

圖6 安裝船與SCR斷開，SCR安裝完畢

在整個安裝過程中，如果安裝方式不一樣，那么安裝船在整個安裝過程中可能需要不斷的航行，已達到合適的安裝距離。

2 SCR立管安裝方案實例分析

2.1 實例介紹

為進行安裝分析，比較保守地選取一年一遇的極限流速海況作為分析的條件。相關參數見表1。

表1 參數介紹

2.2 計算模型

在三維非線性時域有限元程序OrcaFlex中建模分析。

整個濕式SCR立管由3個截面不同的分段組成，A截面分段位于立管的最上面部分，這段立管安裝有渦激振抑制裝置，在下面的模型示意圖中由深灰色部分表示；B截面分段為中間黑色部分；具有抗摩擦效果的C截面分段為淺灰色部分，見圖7、8。

圖7 鋪管階段計算模型

圖8 移管階段計算模型(整體)

2.3 計算結果

在整個安裝過程中主要校核立管的等效應力，張緊器提供張力和吊繩的張力。在鋪管過程中主要進行SCR最大等效應力的校核。因為在鋪設過程中，立管極有可能會發生較大的變形從而導致立管所受應力超過許用應力范圍，對立管的后續安裝和以后的生產活動產生影響。而在移管過程中，立管基本會保持“J”形形態不變，因此立管不會發生較大變形而導致應力破壞。所以在移管過程中，除了校核立管的最大等效應力外，最重要的就是校核主吊繩和輔吊繩所受的張力，確保吊繩的強度符合要求。

2.3.1 鋪管過程

在選定計算工況下，SCR最大等效應力以及張緊器提供張力，見圖9、10。

圖9 SCR最大等效應力曲線

圖10 張緊器提供張力變化曲線

2.3.2 移管過程

在所選計算工況下，SCR在移管過程沿立管長度方向上的最大等效應力及主吊繩和輔吊繩的張力見圖11～12。

圖11 SCR最大等效應力曲線

圖12 輔吊繩(transfer)張力曲線

圖13 主吊繩(pull-in)張力曲線

2.3.3 結果分析

1) 在鋪管階段，立管的最大等效應力峰值出現在立管頂部和觸地點附近的位置；在立管觸地點位置之前和立管觸地點之后的位置，立管的最大等效應力都比這一點應力小，在觸地點之后和在觸地點之前，立管的最大等效應力都急劇減小。所以在立管觸地點附近的一段管道應注意應力校核或采取一定的防護措施，以避免應力過大對立管造成損壞。

2) 在移管階段，立管的最大等效應力峰值仍然出現在立管觸地點附近的位置；此外，根據主吊繩和輔吊繩的張力曲線可以看出兩者的受力規律：輔吊繩在移管的前半階段承擔主要張力，而主吊繩在在移管的后半階段承擔主要張力。并且應根據所受張力大小選擇合適的吊繩。

3 結論

本文所提出的“丁”形鋪管-移管的立管安裝方案是可行和有效的。

[1] 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,2006,36(5):775-780.

[2] 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.

[3] 梁 政.海洋管道“J”型鋪設研究[J].中國海上油氣(工程版)，1993，5(2):22-28.

[4] 王 懿，段夢蘭.深水立管安裝技術進展[J].石油礦場機械，2009,38(6):4.

[5] 劉嵬輝,曾 寶,程景彬,等.國內外鋪管船概況[J].油氣儲運,2007,26(6):11-151.

[6] 周 俊.深水海底管道S型鋪管形態及施工工藝研究[D].杭州：浙江大學，2008.