陳嚴(yán)飛，曹 靜，沙 勇，周巍偉

(1.中海石油(中國(guó))有限公司北京研究中心 北京100027;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)博士后流動(dòng)站 北京102249)

目前常見的深水立管形式有柔性立管、頂張式立管、鋼懸鏈立管和復(fù)合立管。其中鋼懸鏈立管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝建造造價(jià)較低并且有較強(qiáng)的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外深水油氣田開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外在深水鋼懸鏈立管安裝技術(shù)方面已經(jīng)積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)［1-2］，國(guó)內(nèi)鋼懸鏈立管安裝技術(shù)尚處于起步階段，可供參考的工程技術(shù)資料和實(shí)例較少［3-4］。

鋼懸鏈立管安裝通常在平臺(tái)就位前完成鋪管，通過棄管將SCR臨時(shí)放置在海床上，當(dāng)平臺(tái)安裝就位之后，安裝船將SCR從海床上回收，繼而實(shí)施其它安裝步驟。鋼懸鏈立管運(yùn)行中疲勞問題突出，相比海底管道，安裝中需要對(duì)彎曲應(yīng)變進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止由安裝引起過大的殘余應(yīng)變。因此，制定合理的SCR棄管回收方案，使得整個(gè)棄管回收過程中SCR彎曲應(yīng)變滿足規(guī)范要求至關(guān)重要。本文基于經(jīng)典懸鏈線理論，編制了鋼懸鏈立管棄管回收分析軟件SCRCOV，針對(duì)1 500 m水深和10 in SCR制定了棄管回收方案。

1 鋼懸鏈立管棄管回收工藝

1.1 移船與收纜分離的棄管回收工藝

1)移動(dòng)安裝船至SCR拖拉頭觸地點(diǎn)位置，逐漸下放A＆R纜至海床上，通過ROV連接SCR拖拉頭和A＆R纜。

2)安裝船朝棄管回收起始位置移動(dòng)，并逐漸下放A＆R纜。

3)當(dāng)安裝船達(dá)到棄管回收起始位置，收緊A＆R纜。

4)安裝船位置固定不變，A＆R纜逐漸收纜至指定長(zhǎng)度;保持A＆R纜長(zhǎng)度不變，移動(dòng)安裝船至下一個(gè)位置。

5)反復(fù)交替進(jìn)行移船和收纜操作，當(dāng)安裝船到達(dá)收纜終止位置時(shí)，安裝船停止移動(dòng)，繼續(xù)回收A＆R纜，直至SCR拖拉頭達(dá)到指定水深，完成棄管回收操作。

本工藝將移船操作與收纜操作分開，在實(shí)際工程中，可以方便控制各步驟，但棄管回收的速度相對(duì)較慢，該棄管回收工藝見圖1。

圖1 移船與收纜分開的SCR棄管回收工藝示意

1.2 移船和收纜同步的棄管回收工藝

1)移動(dòng)安裝船至SCR拖拉頭觸地點(diǎn)位置，逐漸下放A＆R纜至海床上，通過ROV連接SCR拖拉頭和A＆R纜。

2)安裝船朝棄管回收起始位置移動(dòng)，并逐步下放A＆R纜。

3)當(dāng)安裝船到達(dá)棄管回收起位置，收緊A＆R纜。

4)按照既定的棄管回收方案進(jìn)行棄管回收操作，移動(dòng)安裝船的同時(shí)A＆R纜逐漸收纜。

5)當(dāng)安裝船到達(dá)收纜終止位置時(shí)，此時(shí)安裝船停止移動(dòng)，繼續(xù)收起A＆R纜，直至SCR拖拉頭達(dá)到指定水深，完成棄管回收操作。

該棄管回收工藝移船與收纜操作是同步進(jìn)行的，棄管回收速度較快，但對(duì)移船速度和收纜速度的控制要求較高，本棄管回收工藝見圖2。

圖2 移船與收纜同步的SCR棄管回收工藝示意

2 回收理論分析和方案制定

2.1 鋼懸鏈立管棄管回收分析理論基礎(chǔ)

鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐軛壒芑厥帐莿?dòng)態(tài)的過程，其邊界條件在不斷發(fā)生變化，分析時(shí)需要將整個(gè)棄管回收過程分解為若干個(gè)步驟，分別針對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行建模分析，并針對(duì)棄管回收方案進(jìn)行驗(yàn)證。制定SCR棄管回收方案有兩個(gè)參數(shù)至關(guān)重要，分別是安裝船位置和拉入纜長(zhǎng)度，這兩個(gè)參數(shù)決定棄管回收過程中SCR的構(gòu)型，也決定著SCR的力學(xué)特性。

基于經(jīng)典懸鏈線理論，SCR懸鏈線方程可以表示為

假設(shè)海床水平而且SCR的軸向變形可以忽略，可以得到

代入如下方程:

可以得到笛卡爾坐標(biāo)系下的自由懸鏈線方程

式中:x——到觸地點(diǎn)的水平距離;

y——到海床的高度。

沿著鋼懸鏈立管的曲率可以表示為

可以看出最大曲率發(fā)生的觸地點(diǎn)為

而曲率和應(yīng)變的關(guān)系可以表示為

軸向張力在任意點(diǎn)s可以表示為

從而SCR懸鏈線長(zhǎng)度可以表示為

可以看出SCR拖拉頭垂直方向的張力為

基于上述懸鏈線理論，編制SCR棄管回收分析軟件SCRCOV，輸入安裝船的起始位置、終點(diǎn)位置、A＆R纜收纜總長(zhǎng)度和總步驟，SCRCOV可以初步制定SCR棄管回收方案，計(jì)算得出每步SCR拖拉頭坐標(biāo)位置和SCR最大彎曲應(yīng)變，并進(jìn)行規(guī)范準(zhǔn)則校核。

2.2 鋼懸鏈立管棄管回收分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

南海某深水氣田，水深1 500 m，SCR為10 in外輸氣管，安裝船采用海洋石油201深水鋪管起重船，鋼懸鏈立管、安裝船和相關(guān)機(jī)具主要參數(shù)見表1和表2。

表1 鋼懸鏈立管參數(shù)

表2 安裝船和機(jī)具參數(shù)

2.3 鋼懸鏈立管棄管回收方案的制定

基于以上給定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用自編軟件SCRCOV制定SCR棄管回收方案，將1 500 m水深10 in SCR的整個(gè)棄管回收過程分解為32個(gè)步驟，共分為兩個(gè)階段。第一階段(1～28步)移動(dòng)安裝船的同時(shí)回收A＆R纜，由第二階段(29～32步)，安裝船位置固定不變，回收A＆R纜，直至SCR拖拉頭到達(dá)指定水深。表3為空管工況1 500 m水深10 in SCR棄管回收方案。

表3 10 in鋼懸鏈立管棄管回收方案(空管)m

3 鋼懸鏈立管棄管回收數(shù)值分析

3.1 鋼懸鏈立管棄管回收數(shù)值分析模型的建立

針對(duì)自編軟件SCRCOV制定的SCR棄管回收方案，采用Orcaflex建立該方案32個(gè)棄管回收步驟數(shù)值分析模型，進(jìn)行數(shù)值分析和規(guī)范準(zhǔn)則校核，SCR整個(gè)棄管回收過程的數(shù)值分析模型見圖3。

圖3 SCR棄管回收數(shù)值分析模型

3.2 鋼懸鏈立管棄管回收數(shù)值分析結(jié)果

采用商業(yè)軟件ORCAFLEX和自編軟件SCRCOV計(jì)算SCR拖拉頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，見圖4、5。

可以看出空管和注水工況下，SCRCOV計(jì)算結(jié)果與ORCAFLEX計(jì)算結(jié)果均吻合較好。對(duì)比空管和注水工況，可以看出整個(gè)棄管回收過程中SCR拖拉頭的運(yùn)動(dòng)軌跡差別較小。

采用SCRCOV和ORCAFLEX分別計(jì)算SCR棄管回收各步驟的最大彎曲應(yīng)變?？梢钥闯?，在第一階段(1～28步)，隨著棄管回收步驟的增加，SCR最大彎曲應(yīng)變逐漸增加，第28步達(dá)到最大值;第二階段(29～32步)，隨著棄管回收步驟的增加，SCR最大彎曲逐漸減小。對(duì)比SCRCOV和ORCAFLEX計(jì)算結(jié)果，可以看出兩種計(jì)算結(jié)果吻合較好，SCRCOV計(jì)算結(jié)果偏于保守，對(duì)工程設(shè)計(jì)有利。SCR最大彎曲應(yīng)變見(空管)圖6。

圖6 SCR最大彎曲應(yīng)變(空管)

圖7為注水工況SCR最大彎曲應(yīng)變SCRCOV和ORCAFLEX計(jì)算結(jié)果。

圖7 SCR最大彎曲應(yīng)變變化示意(注水)

可以看出，SCR應(yīng)變第一階段(1～28步)表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在第2步;第二階段(29～32步)，隨著棄管回收步驟的增加，SCR的應(yīng)變逐漸減小。在注水工況下，棄管回收初始階段彎曲應(yīng)較大，而且會(huì)有一定的增幅，而后會(huì)逐漸減小。對(duì)比空管工況和注水工況計(jì)算結(jié)果，注水工況SCR最大彎曲應(yīng)變比空管工況下有較大幅度的增加，而且初始階段會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變激增現(xiàn)象，在實(shí)際安裝操作中，需要特別關(guān)注，防止其超過規(guī)范允許值，導(dǎo)致過大的殘余應(yīng)變。

在SCR棄管回收分析中還需要對(duì)A＆R纜的頂端張力和底端張力進(jìn)行分析，防止頂端張力超過安裝船絞車的承載能力和底端張力超過拖拉頭的承載能力。圖8為A＆R纜頂端張力變化圖，空管和注水工況，A＆R纜頂端張力隨棄管回收步驟的增加均逐漸增加，空管工況A＆R纜頂端張力增加較為緩慢，而注水工況A＆R纜頂端張力增加速度較快?？展芄r和注水工況，A＆R頂端張力均出現(xiàn)在第32步驟，分別是265 kN和1 237 kN，均在海洋石油201絞車和A＆R纜的承載范圍之內(nèi)。

圖8 A＆R纜頂端張力變化

圖9 為A＆R纜底端張力隨棄管回收步驟的變化圖。注水工況，A＆R纜底端張力隨著棄管回收步驟的增加而逐漸增加。空管情況，A＆R纜底端張力隨著棄管回收步驟的增加而表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)，主要原因是SCR在海水中單位長(zhǎng)度重量要明顯小于A＆R纜單位長(zhǎng)度重量，因此隨著A＆R纜不斷回收，SCR懸鏈線長(zhǎng)度增加，A＆R纜長(zhǎng)度減小，因此，A＆R纜底端張力變?yōu)橹饾u減小的趨勢(shì)。在實(shí)際安裝操作中，特別是小尺寸SCR棄管回收，監(jiān)測(cè)設(shè)備上顯示A＆R纜底端張力逐漸減小，此時(shí)收管步驟卻仍在繼續(xù)，安裝操作人員需要特別關(guān)注。

圖9 A＆R纜底端張力變化

4 結(jié)論

1)基于懸鏈線理論編制的軟件SCRCOV計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析軟件ORCAFLEX計(jì)算結(jié)果吻合較好，因此，SCRCOV可以用于深水鋼懸立管棄管回收分析和方案制定。

2)由于單位長(zhǎng)度鋼懸鏈立管重量注水工況要明顯大于空管工況，因此，注水工況鋼懸鏈立管棄管回收彎曲應(yīng)變要大于空管工況。

3)注水工況鋼懸鏈立管棄管回收初始階段，鋼懸鏈立管的彎曲應(yīng)較大，而且隨著回收步驟的增加，彎曲應(yīng)變會(huì)逐漸增加，需重點(diǎn)關(guān)注。

4)由于單位長(zhǎng)度小管徑鋼懸鏈立管重量小于A＆R纜的重量，因此小管徑鋼懸鏈立管棄管回收，空管工況A＆R纜的底端張力會(huì)逐漸減小，注水工況A＆R纜的底端張力逐漸增加。A＆R纜頂端張力空管工況和注水工況均逐漸增加。

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［2］CHAUDHURY G，KENNEFICK J.Design，testing，and installation of steel catenary riser［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，1999.

［3］WANG X，ZHOU X，GINNARD A J，et al.Installation method evaluation of export SCRs［C］∥Proceedings of Offshore Technology Conference，2001.

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