柔性立管移位工程方案研究

鄭 羽

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

0 引 言

柔性立管因具有較小彎曲半徑的技術特性已廣泛用于從水下生產設施向浮式生產儲卸油裝置(floating liquefied natural gas system, FPSO)輸送原油。為了減小FPSO的劇烈運動給柔性立管及水下生產設施帶來的不利影響，目前較多地采用Lazy-wave型立管系統。在該類立管系統中，柔性立管的下部分放置在中水浮筒(middle water arch, MWA)之上，或者在柔性管線的中部位置安裝一些浮球，而中水浮筒或者浮球的規格大小、浮艙的數量與體積等設計指標是Lazy-wave型結構的關鍵，其設計須達到標準規范和甲方的相關要求，柔性立管的下端與管道終端(pipe line end termination, PLET)連接。相比單懸鏈線結構，Lazy-wave型立管結構能夠在立管著陸區域有效地提高強度和抗疲勞性能。當管道終端發生腐蝕而不能正常工作時，需設計新的管道終端，此時柔性立管需要從現有的管道終端上拆卸下來并重新規劃路由，連接到新的管道終端上，而期間新管道終端的位置直接由柔性立管的校核結果來確定，也就是對柔性立管進行在現有條件下的限定性設計，本文從上述角度介紹了一個柔性立管移位技術的實際工程案例。

1 Lazy-wave型立管系統

油田經過多年的生產后，水下管線存在較為嚴重的腐蝕。經水下檢測，管道終端管線壁厚最薄處僅為5 mm，因此需要在原管道終端附近的位置重新更換一個新的管道終端，將柔性立管從著泥點后偏轉角度與新管道終端對接，并將海纜從原管道終端拆卸后移位至新管道終端上。

該立管系統包括兩條12 in內徑柔性立管以及一條供電電纜，柔性立管與電纜均懸吊在浮式生產儲卸油裝置的內轉塔上，立管末端與管道終端相連接，著陸區域水深105 m。柔性立管頂端安裝有彎曲的加強件，立管中部用卡子固定在中水浮筒上，整個立管系統呈Lazy-wave型結構。

柔性立管與管道終端之間的水下立管接口法蘭設置在距離塔臺中心水平約160 m的位置，中水浮筒纜繩的重心鉛垂線距離塔臺中心水平約129 m，立管纜鎖同樣距離塔臺中心水平約134 m。柔性立管系統的整體布局如圖1所示，該系統平面如圖2所示。

圖1 柔性立管系統整體布局Fig.1 General layout of flexible risers system

圖2 立管系統的平面展布Fig.2 Plan layout of riser system

柔性立管的主要規格指標如表1所示，柔性立管的主要性能參數如表2所示。現有立管系統模型如圖3所示。圖3中的黃線代表柔性立管，藍線代表電纜。柔性立管由NKT公司提供，此管為無粘接結構，由金屬型材螺旋纏繞以及擠出的聚合物組成，各層需滿足特定的功能要求。該工作主要是依據計算模型對移位后立管系統的干涉情況進行校核以及采用業界常用的，廣泛用于立管、臍帶纜、錨繩的動態分析的ORCAFLEX軟件校核柔性立管對管道終端的最大作用荷載。

表1 柔性立管的主要規格指標

表2 柔性立管的主要性能參數

圖3 現有立管系統模型Fig.3 Model of existing riser system

2 新建立管系統

現有管道終端已經使用多年，由于嚴重腐蝕已不能進行正常使用，因此需新建一個管道終端。對新的管道終端進行詳細設計時要考慮諸多影響因素，尤其應注意與管道終端相連接的立管系統的調整。新設計與原設計相同之處是不改變現有的重力基礎，因此中水浮筒的位置不會有太大的變化。

在初始階段，需要對不同的柔性立管總體布置的方案進行評估。由于受到柔性立管彎曲半徑和剛度的限制，新建管道終端應充分考慮柔性立管再次回接后的朝向，保證柔性立管靜態構型的合理性以及運行過程中動力響應的可接受性。同時，對于管道終端位置的選擇還需要考慮其安裝的可行性、在位穩定性、長期沉降等因素。

隨著工程項目的深入，在對柔性立管移位后的運動進行計算分析后，綜合考慮管道終端和柔性立管的需要，通過靜態和動態計算結果顯示該方案滿足設計要求，最終確定管道終端的新建位置以及方位朝向。

新的管道終端安裝于原有終端的東邊，相比原有管道終端逆時針旋轉了12°。立管系統的重新安裝布置須滿足規范要求，如果安裝超出了誤差要求，會對立管接口法蘭產生很大的不利影響。設計中要求的安裝誤差：往北方向為0，往東方向為0.25 m，往南與往西方向均為0.3 m。

新的管道終端安裝后及立管連接就位后，中水浮筒不會在原設計的位置運動，可能會有更多的轉動。因此新管道終端的位置要考慮其可安裝性、立管的完整性、中水浮筒的運動響應等影響因素。為此新系統設計通過使用一個接近原有管道終端的剛性結構以控制新的管道終端的安裝誤差，最終完成了新管道終端的安裝任務。

新建立管系統平面展布如圖4所示。新建立管系統的模型如圖5所示。

圖4 新建立管系統平面展布Fig.4 New plan layout of riser system

圖5 新建立管系統的模型Fig.5 Model of new riser system

3 討 論

在柔性立管的重新布置設計中，接口法蘭在滿足規范要求的同時還要適應立管廠家的要求，因此在新管道終端上設計供電電纜的卡子位置是一個極大的挑戰。因為電纜動態長度會影響柔性立管與供電電纜彼此間的干擾結果，柔性立管與供電電纜之間的相互干擾如圖6所示。

圖6 柔性立管與供電電纜之間的相互干擾Fig.6 The interference between flexible riser and power cable

從圖6可以看出，柔性立管(黃線)與供電電纜(藍線)之間的間距非常小，彼此間幾乎相互接觸，在實際安裝布置時，它們之間有0.1 m的間隙，確保可以抵御百年一遇的臺風。

整個校核過程使用動態分析，保守考慮使用Dean Stream來模擬波浪條件(采用最大波高和譜峰周期的組合)，并假設波浪流同向作用于船首。由于柔性立管和海纜部分附著有20 mm海生物，因此對于柔性立管不同部分應考慮不同彎曲剛度，最終得到柔性立管在新水下基盤接頭處的最大彎矩、立管最小彎曲半徑、柔性立管在水下基盤卡箍處的最大張力。整個計算過程須考慮極端環境條件，針對FPSO近向，遠向等多種工況進行分析。計算結果顯示： 軸力遠小于破斷力，服役期的彎曲半徑大于許用彎曲半徑，能夠滿足設計要求。

依據分析結果，明確柔性立管移位后的路由，并要求管道終端安裝時有較高的精度，對立管接頭處荷載進行校核，并確定動態海纜移位后的動靜過渡點位置。

柔性立管與供電電纜的重新布置分析表明，原有設計的安裝誤差可能會大于設計師所預計及模擬的誤差。通過新系統安裝布置工作的實際完成過程，可知在設計過程中可以更大膽一些，后期按照設計進行具體工作實施時可能會更加高效。對于今后項目的類似復產移位設計，需充分考慮管線間的相互干涉風險，對于管道終端的位置設計，要在位置規劃中重點考慮，整體上評估項目的可實施性。

4 結 語

(1) Lazy-wave型立管系統由柔性立管、供電電纜、中水浮筒等組成，其中中水浮筒是該型立管系統設計中的關鍵組成。

(2) 通過對柔性立管和動態海纜的水動力學分析，得到移位后柔性立管與海纜不發生干涉的結論，并在實際工程應用中得到驗證。

(3) 通過文中所舉Lazy-wave型柔性立管移位實例及效果分析，指示在未來油氣田開發過程中的立管維護、保養時，使用柔性管材比剛性管材有更大的優勢。