海洋平臺海管立管懸空方案設計研究

趙銘文，陳 希

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300451)

海洋平臺周邊受導管架樁腿、立管的影響，洋流紊亂，容易對海床造成大面積沖刷現象。由于海管立管安裝通常采用在樁腿上吊掛的方式，因此，對于立管底部受在洋流沖刷作用下極易出現懸空。在以往的項目設計中，一旦出現懸空現象，就要求采用沙袋和混凝土灌漿袋等進行回填，工程難度大、費用高。并且沙袋和混凝土灌漿袋在水流沖刷下，短時間內就會出現破裂，流失現象，導致回填效果不理想[1-7]。

如果通過分析計算，能夠證明立管底部懸空不影響平臺設施安全穩定運行，或明確需要進行回填作業的最大懸空量，就能夠有效降低平臺的生產維護費用。

1 計算過程

本文通過計算軟件模擬海管懸空情況下，其主要構件：立管和立管卡子的受力情況，進而與相關標準、規范進行符合性分析對照，力求得出海管懸空許可量的限制條件。

1.1 模擬計算環境條件

模擬按照設計壽命25年，設計水深18.1 m。按照正常運行工況及水壓試驗工況，2種工況進行校核計算，輸入條件如下：①海生物平均厚度5 cm,最大厚度10 cm，海生物平均密度1 120 kg/m3；②冰況(百年重現期)：厚度35 cm，壓縮強度2.04 MPa；③其他參數見表1。

表1 風、浪、流表

1.2 模擬計算模型

1.2.1 立管計算方法

立管計算遵循DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems要求。

對于立管的長度、跨度根據Vortex軟件計算，符合DNV-RP-C205要求，主要計算公式如下。

(1)

式中：VR為速度衰減；u為垂直于管軸的流速；fn為管段固有頻率；D為管直徑。

穩性參數Ks定義如下：

(2)

式中：me為有效質量；δ為結構阻尼對數衰減率；ρw為環境水密度。

管段固有頻率fn計算：

(3)

式中：L為管段長度；E為楊氏模量；I為轉動慣量；a為邊界系數。

1.2.2 邊界條件設置

管段邊界條件設置為：“錨固”數值常數a取決于端部約束條件,對于“錨固”的末端條件是16.1。KC為Kulegan-Carpenter 常數，定義如下：

(4)

式中：um為洋流導致最大線性速度；T為洋流周期。

有效單位質量me計算如下：

(5)

式中：m(x) 為x方向上質量分解,含附件及卡子質量；y(x) 為y方向上質量分解。

1.2.3 管線模型

建模的物理性質和材料依照立管物理特性定義，計算模型具體如圖1所示。

圖1 立管模型圖

2 負載校核

2.1 立管負載校核

立管的根據DNV-OS-F101按第505和506進行負荷控制的局部屈曲進行校核。所有截面上立管彎矩、有效軸向力和內部壓力設計應滿足的公式(7)校核結果：

(7)

式中：Md為設計彎矩；Sd為設計有效軸向力；Pd為設計壓力差分；Mp為fy(D-t2)2t2；Sp為fyπ(D-t2)t2；Pb(t2)為爆破壓力；ac為(1-β)+βfu/fy,即應變淬火的流動應力參數(不大于1.20)；β為(0.4+qh)(60-D/t2)/45即徑厚比15≤D/t2≤60時計算公式。其中，qh為2(Pid-Pe)/ 3Pb(t2),即壓力比；fu為設計拉伸強度；fy為設計屈服強度；γsc為安全等級抗力系數；γm為材料抗阻系數;t2為壁厚；Pi為內壓；Pe為額外壓力；Pld為局部設計壓力。

所有受到彎矩、有效軸向力和外部超壓影響的管線應為滿足8式校核結果要求。

(8)

式中：Pc為膨脹壓力。

設計負載通過下述公式計算：

Md=MF·γF·γC+ME·γE+MA·γA·γC

Sd=SF·γF·γC+SE·γE+SA·γA·γC,

ΔPd=γp(pld-pe)

(9)

式中：MF為 正常工況彎矩；ME為 環境工況彎矩；MA為突發工況彎矩；SF為正常工況軸向力；SE為環境工況軸向力；SA為突發工況軸向力；γA為偶然荷載效應系數；γC為條件荷載效應系數；γE為環境荷載效應系數；γF為功能荷載效應系數；γp為壓力荷載效應系數。

3 計算結果分析

3.1 立管跨距分析

基于波浪及洋流計算的立管卡子跨距及校核分析結果如表3所示，軟件計算結果如表4、表5所示。

表3 立管卡子計算結果

表4 立管分析結果(水壓試驗)

表5 立管分析結果(運行工況)

3.2 立管壓力分析

模擬計算中彎矩從AUTOPIPE軟件輸出中提取，其值與DNV-OS F101負荷控制局部屈曲對照結果如表6所示，根據DNV-OS-F101要求，最大UC值在全部工況下應小于1.0。

表6 立管UC值

4 結果分析

通過軟件計算結果可見：在正常運行工況和水壓試驗工況下，海管立管受力、位移量、抱卡負載均在許用范圍以內。

因此可以得到結論：在渤海海域范圍內海管底部立管懸空量不大于立管卡子間距時(即懸跨允許范圍內)，不會對海管的安全運行造成絕對性影響。立管處懸空設計滿足使用要求,無需進行后期回填工作。該模擬結果與海上實際情況一致。

5 結束語

本文通過模擬計算，從理論上證明在渤海海域范圍內海管立管懸空在懸跨允許范圍內對海管安全運行沒有絕對性影響。并且通過與渤海現有油田實際情況對比，也直接證明該模擬計算的正確性。

對于渤海海域常規平臺海管設計過程中所要求的：“海管必須100%接觸海床面，并要求運營單位長期進行監控及回填”的做法可以進行優化。

建議在后續平臺立管設計過程中，可以考慮采用取消立管底部填沙袋等設計。