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(xué))

深水鋼懸鏈線立管三維動(dòng)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(xué))

基于鋼懸鏈線立管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,建立了深水鋼懸鏈線立管三維有限元分析模型,對(duì)深水鋼懸鏈線立管系統(tǒng)在波浪、海流和浮體運(yùn)動(dòng)等載荷單獨(dú)作用和共同作用下的響應(yīng)特征進(jìn)行了分析。在多項(xiàng)載荷作用下,鋼懸鏈線立管表現(xiàn)出明顯的平面外響應(yīng),并且響應(yīng)具有非線性特征,立管上部懸掛點(diǎn)和底部著地點(diǎn)附近Mises應(yīng)力較高,是立管的危險(xiǎn)段。

深水 鋼懸鏈線立管 三維模型 動(dòng)力分析

立管系統(tǒng)是連接海面浮式裝置 (以下簡(jiǎn)稱浮體)和海底設(shè)備的重要設(shè)施[1]。依據(jù)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(jié)合體)。作為剛性立管的一種,鋼懸鏈線立管在技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì),已成為連接深水濕式采油樹的首選[2](圖 1),但隨著作業(yè)水深的增加和環(huán)境載荷的惡化,鋼懸鏈線立管系統(tǒng)逐漸成為深水油氣田開發(fā)系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。因此,研究深水條件下鋼懸鏈線立管系統(tǒng)分析技術(shù)以及在環(huán)境載荷和浮體運(yùn)動(dòng)共同作用下鋼懸鏈線立管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征,可以為我國(guó)南海深水油氣田開發(fā)中鋼懸鏈線立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝提供技術(shù)支持。

圖 1 深水浮式裝置鋼懸鏈線立管系統(tǒng)示意圖

從 20世紀(jì) 50年代開始,國(guó)外就展開了對(duì)深水立管系統(tǒng)的研究,已在深水立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝,以及分析軟件和新材料開發(fā)等方面取得了一系列成果,并形成了相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。例如, 1993年 Shell公司就在位于墨西哥灣的 Auger張力腿平臺(tái)上安裝了世界上第一套鋼懸鏈線立管系統(tǒng),用于 870m水深下油氣的輸出[3]。國(guó)內(nèi)海洋油氣田的開發(fā)主要集中在 300m水深以內(nèi)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、設(shè)計(jì)施工、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景[4],暢元江等使用 ABAQUS軟件對(duì)深水管中管鋼懸鏈線立管系統(tǒng)進(jìn)行了二維非線性動(dòng)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(shí)際中鋼懸鏈線立管系統(tǒng)處于復(fù)雜的環(huán)境載荷中,其不僅受到來自鋼懸鏈線立管平面內(nèi)的環(huán)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(fù)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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng),因此分析結(jié)果有一定的局限性。筆者基于鋼懸鏈線立管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程[6],考慮鋼懸鏈線立管系統(tǒng)出平面的三維受力工況,利用通用有限元計(jì)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(shí)地反映實(shí)際鋼懸鏈線立管的載荷狀況和系統(tǒng)響應(yīng)。

1 動(dòng)力學(xué)方程

鋼懸鏈線立管系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程[6]可表示為在海洋環(huán)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(jié)構(gòu),因此可以用Morison方程計(jì)算拖曳力 Fd和慣性力 Fi。Morison方程理論認(rèn)為,波浪力是海水流經(jīng)物體時(shí)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(shí)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(zhì)點(diǎn)原有軌跡運(yùn)動(dòng)的加速度及被物體排開水體的質(zhì)量成正比,可按下式進(jìn)行計(jì)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(shù);CM為慣性力系數(shù);u為波浪質(zhì)點(diǎn)速度;u·為波浪質(zhì)點(diǎn)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?jiǎng)澐志W(wǎng)格,海床假設(shè)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(guó)外常用深水鋼懸鏈線立管系統(tǒng)基本參數(shù),設(shè)定本文中鋼懸鏈線立管尺寸和ABAQUS/Aqua模塊中相關(guān)的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)(表 1)。海洋環(huán)境條件設(shè)定以我國(guó)南海海況為依據(jù),具體環(huán)境載荷參數(shù)見表2,并作如下假設(shè):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(shí)的波浪幅值剖面圖;②海流速度在同一水平面內(nèi)保持為常量,且不隨時(shí)間變化,僅是水深的函數(shù),圖 4為海流速度剖面圖。由于缺少海底地貌和土壤有關(guān)數(shù)據(jù),同時(shí)也為簡(jiǎn)化模型考慮,本文假設(shè)海床為剛性平面,并選取摩擦系數(shù)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(diǎn)和底部錨固點(diǎn)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(yīng)力接頭連接到浮體之上。為了研究浮體運(yùn)動(dòng)對(duì)鋼懸鏈線立管的影響,在鋼懸鏈線立管上部懸掛點(diǎn)處施加與波浪同周期的正弦運(yùn)動(dòng)邊界條件 (圖 5),其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)表達(dá)式如下:

表 1 鋼懸鏈線立管尺寸和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表 2 環(huán)境載荷及介質(zhì)參數(shù)

圖5 浮體運(yùn)動(dòng)曲線

分析過程包括 2個(gè)分析步:第一個(gè)分析步為靜態(tài)分析步,主要用來調(diào)整鋼懸鏈線立管在重力和浮力作用下的姿態(tài),以確保其懸掛角處在一個(gè)合理的范圍之內(nèi) (本文中鋼懸鏈線立管懸掛角度約為14.50°);第二個(gè)分析步為動(dòng)態(tài)分析步,用來計(jì)算鋼懸鏈線立管系統(tǒng)在波浪、海流和浮體運(yùn)動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng),分析時(shí)間為 100個(gè)波浪周期,即 650s。

3 模擬結(jié)果分析

為了研究比較鋼懸鏈線立管在不同載荷下的響應(yīng),對(duì)鋼懸鏈線立管在波浪、海流和浮體運(yùn)動(dòng)單獨(dú)作用時(shí)和聯(lián)合作用時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)分別做了模擬。

3.1 著地點(diǎn)位置

鋼懸鏈線立管著地點(diǎn)是指鋼懸鏈線立管與海床接觸段的起始點(diǎn),是鋼懸鏈線立管設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域之一。表 3列出了不同載荷作用下鋼懸鏈線立管著地點(diǎn)距其上部懸掛點(diǎn)的水平距離 |xTDP-xHOP|和鋼懸鏈線立管懸掛段的長(zhǎng)度 lhang-off。從表 3數(shù)據(jù)可以看出,就鋼懸鏈線立管著地點(diǎn)位置和懸掛段長(zhǎng)度而言,波浪單獨(dú)作用的結(jié)果和海流單獨(dú)作用的結(jié)果完全一致,浮體運(yùn)動(dòng)單獨(dú)作用的結(jié)果和所有載荷聯(lián)合作用的結(jié)果完全一致。這說明,在本文所設(shè)定載荷的聯(lián)合作用下,鋼懸鏈線立管的著地點(diǎn)位置和懸掛段長(zhǎng)度主要由浮體運(yùn)動(dòng)載荷決定,波浪載荷和海流載荷對(duì)其影響很小。

表 3 不同載荷作用下鋼懸鏈線立管著地點(diǎn)位置和懸掛段長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)載荷,所以鋼懸鏈線立管在 zx平面外的系統(tǒng)響應(yīng)是研究的重點(diǎn)。為考察鋼懸鏈線立管上不同位置節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)特性,在鋼懸鏈線立管上選取了 a、b節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移模擬;節(jié)點(diǎn) a位于立管懸掛段中部,距懸掛點(diǎn) 995m,節(jié)點(diǎn) b位于立管的著地段,距懸掛點(diǎn) 2 995m,模擬結(jié)果如圖 6～13所示。

圖 6～9給出了動(dòng)態(tài)分析步進(jìn)行中鋼懸鏈線立管節(jié)點(diǎn) a、b在波浪、海流和浮體運(yùn)動(dòng)載荷作用下沿y方向的位移響應(yīng)。圖 10～13給出了動(dòng)態(tài)分析步結(jié)束時(shí)鋼懸鏈線立管在波浪、海流和浮體運(yùn)動(dòng)載荷作用下沿 y方向的位移響應(yīng)。

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

在整體位移響應(yīng)方面,鋼懸鏈線立管對(duì)于海流的響應(yīng)表現(xiàn)為懸掛段的整體偏移,且最大位移值發(fā)生在懸掛段中部(圖 11)。鋼懸鏈線立管對(duì)波浪和浮體運(yùn)動(dòng)載荷的響應(yīng)形態(tài)有所不同,表現(xiàn)在鋼懸鏈線立管懸掛段對(duì)波浪載荷的響應(yīng)幅值較為均衡 (圖 10),而對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)載荷的響應(yīng)幅值衰減較快(圖 12)。

圖 13給出了各種載荷聯(lián)合作用 650s時(shí)鋼懸鏈線立管在 y方向上的位移響應(yīng),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(yīng)值約為 4.41m,出現(xiàn)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(yùn)動(dòng)載荷聯(lián)合作用時(shí)的位移值并不是它在各個(gè)載荷單獨(dú)作用時(shí)位移值的簡(jiǎn)單疊加,而是表現(xiàn)出很強(qiáng)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(yīng)的存在,當(dāng)浮體安裝有多根鋼懸鏈線立管時(shí),應(yīng)該進(jìn)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(xiǎn)[7]。

3.3 M ises應(yīng)力

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

4 結(jié)論

(1)鋼懸鏈線立管在出平面波浪、海流和浮體運(yùn)動(dòng)載荷共同作用時(shí)的位移響應(yīng)并不等于其在各載荷單獨(dú)作用時(shí)響應(yīng)值的簡(jiǎn)單疊加,而是具有明顯的非線性特征。

(2)在出平面環(huán)境載荷和浮體運(yùn)動(dòng)的共同作用下,鋼懸鏈線立管系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的出平面位移;當(dāng)上部浮體連接有多根鋼懸鏈線立管時(shí),應(yīng)該進(jìn)行立管間的相互干涉分析,以確保立管系統(tǒng)的整體安全性。

(3)鋼懸鏈線立管上部懸掛點(diǎn)和底部著地點(diǎn)附近的Mises應(yīng)力均為局部極大值,是鋼懸鏈線立管的危險(xiǎn)部位,同時(shí)在動(dòng)力情況下,立管Mises應(yīng)力變化幅值較大,立管疲勞效應(yīng)更加明顯,這在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以足夠重視。

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(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(yè)于哈爾濱工程大學(xué)海岸與海洋工程專業(yè),主要從事海洋工程技術(shù)研究工作。地址:天津市塘沽區(qū)丹江路 1078號(hào) 616信箱 (郵編:300451)。電話:022-66908152。