，有為，

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

深海鋼懸鏈立管(steel catenary riser，SCR)按其構(gòu)型可分為簡(jiǎn)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(shí)際工程中應(yīng)用最多研究最深入的鋼懸鏈立管為簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管，安裝強(qiáng)度分析也是針對(duì)簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管。

圖1 鋼懸鏈立管不同結(jié)構(gòu)形式

與其它立管相比，鋼懸鏈立管結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，由若干標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管通過鋼制或鈦制柔性節(jié)(flexible joint)自由懸掛在浮式設(shè)施外側(cè)，這些應(yīng)力節(jié)能夠吸收潛在的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。其底端自由垂放在海底，無需海底應(yīng)力節(jié)或柔性節(jié)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(bǔ)償,對(duì)浮體漂移和升沉運(yùn)動(dòng)的容度大,適用于高溫高壓介質(zhì)環(huán)境。這些特點(diǎn)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(fā)的首選立管系統(tǒng)。

1 SCR立管安裝方案設(shè)計(jì)

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(fèi)用，安裝海域的環(huán)境條件以及安裝周期等，對(duì)于SCR立管系統(tǒng)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(qiáng)度和安裝船安裝設(shè)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(diǎn)，選取J形鋪管的鋪管方式[3-4]。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，將深水SCR的安裝流程分為兩個(gè)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(xù)管的卷筒式鋪管船。多數(shù)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(yīng)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(shè)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(shè)過程中借助于調(diào)節(jié)托管架的傾角和管道承受的張力來改善管道的受力狀態(tài)，達(dá)到安全作業(yè)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(tái)的過程。根據(jù)移管過程中不同階段主吊繩和輔吊繩的受力特點(diǎn)，將其分為5個(gè)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(jié)束以后，整個(gè)SCR的重量全部由安裝船承擔(dān)。此時(shí)通過主吊繩與半潛式平臺(tái)相連，并設(shè)定主吊繩至一定長(zhǎng)度，而且沒有預(yù)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(shí)主吊繩還沒有承擔(dān)SCR重量，沒有產(chǎn)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(shí)拉緊SCR。當(dāng)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(tái)指定位置，此時(shí)，主吊繩和輔吊繩同時(shí)承擔(dān)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(tái)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(jié)束，安裝船與SCR斷開，已經(jīng)不承受SCR重量，輔吊繩沒有張力。SCR懸掛于半潛式平臺(tái)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(gè)安裝過程中，如果安裝方式不一樣，那么安裝船在整個(gè)安裝過程中可能需要不斷的航行，已達(dá)到合適的安裝距離。

2 SCR立管安裝方案實(shí)例分析

2.1 實(shí)例介紹

為進(jìn)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(guān)參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)介紹

2.2 計(jì)算模型

在三維非線性時(shí)域有限元程序OrcaFlex中建模分析。

整個(gè)濕式SCR立管由3個(gè)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(jì)算模型

圖8 移管階段計(jì)算模型(整體)

2.3 計(jì)算結(jié)果

在整個(gè)安裝過程中主要校核立管的等效應(yīng)力，張緊器提供張力和吊繩的張力。在鋪管過程中主要進(jìn)行SCR最大等效應(yīng)力的校核。因?yàn)樵阡佋O(shè)過程中，立管極有可能會(huì)發(fā)生較大的變形從而導(dǎo)致立管所受應(yīng)力超過許用應(yīng)力范圍，對(duì)立管的后續(xù)安裝和以后的生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生影響。而在移管過程中，立管基本會(huì)保持“J”形形態(tài)不變，因此立管不會(huì)發(fā)生較大變形而導(dǎo)致應(yīng)力破壞。所以在移管過程中，除了校核立管的最大等效應(yīng)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(qiáng)度符合要求。

2.3.1 鋪管過程

在選定計(jì)算工況下，SCR最大等效應(yīng)力以及張緊器提供張力，見圖9、10。

圖9 SCR最大等效應(yīng)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(jì)算工況下，SCR在移管過程沿立管長(zhǎng)度方向上的最大等效應(yīng)力及主吊繩和輔吊繩的張力見圖11～12。

圖11 SCR最大等效應(yīng)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(jié)果分析

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

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

3 結(jié)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(fā)的新型立管系統(tǒng)—鋼懸鏈線立管(SCR)[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2006,36(5):775-780.

[2] 宋儒鑫.深水開發(fā)中的海底管道和海洋立管[J].船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，2003(6)：31-42.

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