水下打樁法下入深水表層導管吊裝強度分析

龐 達，李舒展，吳 怡

(1. 中國石油大學(北京) 北京102294；2. 中海油研究總院有限責任公司 北京102294)

0 引 言

隨著陸地及淺水海域油氣資源勘探開發逐漸達到頂峰，深水海域油氣勢必引領全球油氣勘探開發的未來。據《世界深水市場報告》，未來超過44%的油氣儲量將來自深水，深水海域作為重要的能源接替區必將受到更多關注。隨著我國海洋深水油氣田開發的深入，采用水下基盤井口進行開發作業會越來越常見。與水下基盤井口開發相配套的“一開”表層導管下入施工方法主要有鉆入法、噴射法和水下打樁法，水下打樁法相對于其他兩種方法有明顯技術優勢和成本優勢。

水下打樁法需要將表層導管沉入海底，再安裝液壓打樁錘并連接至船體。由于水位較深，一般直接采用一根長樁插入后進行水下打樁。以往淺水起吊的樁多為小直徑長樁或大直徑短樁，而深水水下打樁需要起吊的樁長度一般超過70 m，直徑多為0.762 m 和0.914 4 m。深水水下打樁所用圓管樁直徑粗且長度較大，重量大，吊裝也是水下打樁施工的關鍵環節，直接關系到深水鉆井的成敗。國內外少有關于水下打樁法下入表層導管起吊方法及強度的研究，亟需開展相關研究，確保表層導管吊裝作業安全，為深水油氣田安全高效開發提供保障。

1 表層導管吊裝工藝

在深水表層導管水下打樁施工過程中，組裝后的表層導管經過駁船運輸到指定位置，借助工作船的吊裝設備將其吊離船面，在輔助工具的作用下，豎直的表層導管穿過水下基盤，在自重作用下沉入海底表層土壤中。水下打樁錘安裝在表層導管頂端，將其錘入設計貫入深度。

在深水表層導管吊裝施工工藝中，扁嘴鉤法因其安全性、操作性、工效性俱佳，成為目前主流的長樁吊裝方法，其主要原理是在樁底部安裝一個扁嘴鉤，利用線性絞車提供拉力，控制鋼管樁在翻轉過程中的移動和下滑，最終使其處于豎直狀態[1]。扁嘴勾法主要施工流程為：

①表層導管底部安裝扁嘴鉤；

②將線性絞車鋼絲繩松出與扁嘴鉤連接；

③表層導管頂部安裝液壓吊樁器；

④安裝與吊樁器相匹配的卸扣；

⑤翻轉主樁到特定角度，將其下滑至海中；

⑥繼續翻轉主樁，使主樁處于豎直狀態，并回收扁嘴鉤；

⑦在ROV 的監測下，將主樁插入套筒，使樁在自重作用下下沉，回收吊樁器液壓裝置。

2 應力強度分析

采用扁嘴鉤法吊裝過程中，表層導管主要受到拉應力和彎曲應力的作用[1]。在正式施工之前，應對吊裝作業進行相應的力學分析，判斷表層導管力學性能是否滿足規范要求，為長樁吊裝施工控制提供理論支撐，確保作業安全。

API 規范對于海洋石油工程中鋼制管件強度要求做出了規定[2]。

①軸向許用拉應力：

式中：Ft為軸向許用拉應力；Fy為鋼材屈服強度。

②許用彎曲應力：

式中：D為表層導管直徑；T為表層導管壁厚；Fb為表層導管許用彎曲應力；E為鋼材楊氏彈性模量。

③軸向抗拉與彎曲組合應力：

在某些工況條件下，管件會受到軸向拉力和彎曲2 種應力共同作用。承受拉力和彎曲聯合作用的管件，各點上均應滿足下面的要求：

式中：ft為軸向拉應力；fbx、fby分別為x、y 方向彎曲應力。

3 有限元理論

表層導管長度大，且各段長度壁厚不完全一致；直徑粗，一個截面上應力組合及大小也會不同。一般情況下需要準確計算其各點應力狀況，并開展強度校核，其過程相當繁瑣。采用有限元的方法進行分析計算，可以得到表層導管各點等效應力，結果方便可視便于強度校核。

有限元法是一種求偏微分方程邊值問題近似解的數值技術，該方法在工程技術領域應用廣泛。有限元法的基本過程簡述如下。

3.1 物體離散化

工程問題中的對象被簡化為模型，將求解模型離散為有限個單元，各單元通過邊界上的結點聯結為一個整體[3]，根據基本長變量與坐標的關系確定采用一維、二維、三維單元。通過有限單元法劃分的物體或結構物，其計算結果只是近似的，單元劃分越密，計算精度越高，但計算工作量也越大。

3.2 確定差值函數

在有限元法中，單元內任一一點(x，y，z)的場變量通過選定的插值形式由單元節點值求得[4]，即：

式中：m為單元節點自由度總數；Ψ為單元的形函數矩陣，它與單元節點坐標點數目及插值形式有關；是單元自由度列陣，即

3.3 建立單元力平衡方程

根據所選擇結點的基本未知量不同(如位移、結點力、位移和力)，分析模式可分為位移法、力法和混合法[5]。位移法在有限單元法中應用最為廣泛，單元位移函數如下式所示：

式中：u為單元位移；n為單元節點總數；i為節點編號；Ni為形函數(與坐標有關的函數)；ui為單元節點位移。

將單元結點的邊界條件統一描述，單元力平衡方程如下式所示：

3.4 單元組集

首先在單元方程將局部自由度編號系統擴展到總體自由度編號系統中，將單元矩陣元素和列陣元素按照局部和總體自由度的關系“對號入座”，然后將這種擴展了的單元方程相加得到總體有限元平衡方程組[4]，即：

式中：[ K ]為整體結構的總剛度矩陣；{u } 為所有節點位移列陣；{F}為所有節點載荷列陣。

3.5 有限元分析結果

組集后的總體特征矩陣是奇異的，必須計入邊界條件才能求得其唯一解。經過邊界條件修正過的總體線性代數方程組可采用成熟的解線性代數方程組的程序求解，通過有限元求解計算結束后，可求得節點的應變、應力、溫度和密度等基本場變量。

3.6 8 節點有限元單元

如圖1 所示，采用三維連續單元C3D8R，每個單元有8 個節點，減弱了沙漏狀積分控制。Abaqus 中的C3D8R 可用于線性分析和涉及接觸、可塑性和大變形的復雜非線性分析，因此采用此種單元來離散鋼管樁。此單元需要輸入的常數包括彈性模量、泊松比以及各結點的厚度等。

圖1 8節點單眼Fig.1 8-node element

4 表層導管吊裝應力強度分析

南海東部X 井表層導管設計入泥深度為87 m，外徑為0.914 4 m(3 ft)。表層導管為12 m 1 根，前2 根使用壁厚為 0.038 1 m(1.5 in)，其余壁厚為0.025 4 m(1 in)。按照X 井表層導管設計進行有限元分析。

表層導管在采用扁嘴鉤法翻轉吊裝過程中，當導管懸掛長度確定，即導管與船的接觸點一定時，分析導管在旋轉過程中傾斜不同角度時受力情況。樁身材料選用X52 鋼進行建模，建模參數如表1 所示，樁身使用六面體網格(C3D8R)進行劃分。

表1 材料屬性表Tab.1 Material property sheet

在樁的翻轉過程中，扁嘴勾端固定，只有轉角移動，無位移移動，吊裝器一端逐漸吊起，將樁進行翻轉起吊。在制作模型的過程中，將樁體的一段位移進行限定，另一端抬起至一定角度，進行計算。如圖2所示，建立表層導管有限元模型，分別模擬導管傾斜角度為10°、20°、30°、40°、50°條件下的受力狀況，如圖3—圖7 所示。

圖2 模型圖Fig.2 Model diagram

圖3 10°情況下樁身受力情況Fig.3 Force of pile at 10 °

圖4 20°情況下樁身受力情況Fig.4 Force of pile at 20 °

圖5 30°情況下樁身受力情況Fig.5 Force of pile at 30 °

圖6 40°情況下樁身受力情況Fig.6 Force of pile at 40 °

圖7 50°情況下樁身受力情況Fig.7 Force of pile at 50 °

從以上結果可見，表層導管以10°的傾斜角度吊裝時，最大受力為108.5 MPa。X52 鋼許用應力：

式中：[σ]為許用應力；σs為屈服強度；n 為安全系數。

海洋石油用鋼X52 屈服強度為358.6 MPa，根據一般海洋工程規范要求，n 取值1.5，故X52 鋼許用應力為[σ]＝239.1 MPa。

圖8 為樁身應力隨翻轉角度的關系曲線，表層導管吊裝角度從10～50°變化時，應力均小于X52 鋼的許用應力，滿足施工需求。樁身最大Mises 應力隨著樁身翻轉角度的增加而減小，由此可知樁身翻轉過程中，樁體是逐漸趨于安全的。

圖8 樁身翻轉角度與最大應力計算結果圖Fig.8 Calculation result of pile body overturning angle and maximum stress

5 結 論

本文建立了水下打樁法下入表層導管海上吊裝理論分析方法與分析模型，結合有限元方法分析了表層導管翻轉起吊時應力大小的影響因素。以87 m 長的表層導管為例，對表層導管起吊過程進行了理論分析及有限元模擬，計算其吊裝過程受力狀況，并對其進行強度校核。計算結果表明，X52 鋼 0.914 4 m(3 ft)直徑的表層導管滿足海上吊裝強度，可確保表層起吊安全，對于深水表層導管水下打樁施工安全具有重要意義。