周巍偉，沙 勇，曹 靜

(中海油研究總院， 北京 100027)

非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管干涉研究

周巍偉，沙 勇，曹 靜

(中海油研究總院， 北京 100027)

非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管是深水海洋石油開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備，具備安裝簡(jiǎn)便、可靠性高、抗疲勞性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管由多層非粘結(jié)結(jié)構(gòu)形式纏繞而成，其截面剛度較低，在波浪和海流作用下運(yùn)動(dòng)幅值較大，因此柔性立管的構(gòu)型和布置需要特殊研究，以免在極端情況下發(fā)生立管之間、立管與錨鏈之間的碰撞干涉。針對(duì)應(yīng)用于中國(guó)南海海域的柔性立管，基于有限元法，采用Huse尾渦模型開(kāi)展了干涉研究，并就柔性立管彎曲剛度、內(nèi)部介質(zhì)和拖曳力系數(shù)對(duì)干涉間距的敏感性做了分析，得到了對(duì)海洋立管工程有參考意義的結(jié)論。

柔性立管； 干涉分析； 拖曳力系數(shù)； Huse尾渦模型

0 引 言

海洋工程非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管具備安裝簡(jiǎn)便、可靠性高、抗疲勞性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于環(huán)境條件較為惡劣的海域。非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管結(jié)構(gòu)由多層聚合物層和金屬層纏繞而成，使得結(jié)構(gòu)總體既具備足夠的強(qiáng)度和密封能力，又能保持“柔性”，提高立管結(jié)構(gòu)總體抗疲勞性能。柔性立管各層結(jié)構(gòu)可以按照目標(biāo)海域的環(huán)境條件定制，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既能滿(mǎn)足要求，又可以避免設(shè)計(jì)過(guò)度保守，是經(jīng)濟(jì)的立管結(jié)構(gòu)形式。

由于柔性立管具備較高的“柔性”，在海流引起的拖曳力作用下容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的偏移，如果依托的浮體布置的立管結(jié)構(gòu)、錨鏈密集，那么柔性立管有與其他結(jié)構(gòu)物發(fā)生干涉碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]明確規(guī)定：立管結(jié)構(gòu)在安裝、在位和其他操作時(shí)不容許發(fā)生任何碰撞干涉。針對(duì)立管結(jié)構(gòu)的干涉分析，國(guó)外已經(jīng)有了較為深入的研究。Huse[2]針對(duì)墨西哥灣海域環(huán)境條件對(duì)依托于張力腿平臺(tái)(TLP)的頂張緊立管(TTR)之間的干涉距離開(kāi)展了分析，提供了Huse尾渦模型，針對(duì)結(jié)果和參數(shù)均開(kāi)展了試驗(yàn)對(duì)比，顯示出較好的一致性。Blevins[3]針對(duì)尾渦提供了一種理論分析尾渦模型，可模擬流速的折減和拖曳力折減。

雖然國(guó)際海洋石油工業(yè)界多位學(xué)者針對(duì)立管干涉開(kāi)展了深入的研究，但是研究的對(duì)象均為鋼質(zhì)立管，并且均針對(duì)國(guó)外油氣田，而在對(duì)干涉更為敏感的柔性立管方面則研究較少。本文采用Huse尾渦模型并結(jié)合有限元法，針對(duì)中國(guó)南海水深為300 m的目標(biāo)油田開(kāi)展非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管干涉研究，得到了立管結(jié)構(gòu)在尾渦作用下的間距，并就Huse尾渦模型參數(shù)、輸送介質(zhì)和柔性立管彎曲剛度等開(kāi)展了敏感性研究，得到了對(duì)海洋立管工程有參考意義的結(jié)論。

1 理論基礎(chǔ)

典型的非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型非粘接動(dòng)態(tài)柔性立管結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure layout of typical dynamic unbonded flexible riser

柔性立管在海流的作用下受到的拖曳力為

(1)

式中：CD為拖曳力系數(shù)；ρ為海水密度；ν為實(shí)際作用在立管結(jié)構(gòu)上的等效流速；D為立管結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力作用半徑。

立管在海流的作用下會(huì)發(fā)生“漩渦泄放”，在海流流過(guò)立管結(jié)構(gòu)的后方形成“卡門(mén)渦街”。尾渦的作用會(huì)對(duì)立管的拖曳力產(chǎn)生一定影響，主要體現(xiàn)為直接作用在立管上的實(shí)際流速會(huì)變小。因此，為了準(zhǔn)確地分析立管在海流作用下的干涉間距，需要采用尾渦模型來(lái)折減拖曳力。

由于Huse尾渦模型理論簡(jiǎn)潔，與試驗(yàn)對(duì)比一致性好，得到工業(yè)界的認(rèn)可，因此本文采用Huse尾渦模型開(kāi)展研究。Huse模型從理論上模擬了由于尾渦造成的海流速度折減，同時(shí)考慮了由此引起的拖曳力的折減。Huse模型中，在立管結(jié)構(gòu)位置(x,y)處的尾渦速度vd(x,y)為

(2)

(3)

(4)

式中：k1、k2、k3為模型中的無(wú)量綱參數(shù)；vd0(x,y)為在立管位置(x,y)處未受擾動(dòng)的流速;vu0、Du、Cdu為立管結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中心、拖曳力半徑、未擾動(dòng)拖曳力系數(shù)。

2 分析流程

柔性立管的干涉分析首先需要根據(jù)環(huán)境條件和立管截面結(jié)構(gòu)形式確定立管構(gòu)型，然后在立管結(jié)構(gòu)上施加基于Huse模型折減的拖曳力，通過(guò)有限元計(jì)算得到立管結(jié)構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在折減拖曳力作用下的變形，由此得到立管結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的臨界間距，用于校核已有的立管和錨鏈的布置。分析流程如圖2所示。

圖2 柔性立管干涉分析流程Fig. 2 Steps of flexible riser interaction analysis

3 工程實(shí)例分析

3.1 柔性立管結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)

選取應(yīng)用于300 m水深的8英寸(1英寸=2.54 cm)柔性立管為例進(jìn)行分析。柔性立管參數(shù)如表1所示。柔性立管工況為在位作業(yè)工況，內(nèi)部輸送的介質(zhì)為原油。柔性立管海生物附著影響立管的水動(dòng)力半徑，使得立管結(jié)構(gòu)拖曳力受到影響。根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況可知，不同水深的海生物附著厚度不同。

表1柔性立管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

Table1Flexibleriserstructuredesignparameters

參 數(shù)數(shù) 值水深/m300立管長(zhǎng)度/m839觸底段長(zhǎng)度/m205外徑/m0.4182內(nèi)徑/m0.2032彎曲剛度/(kN·m2)472軸向剛度/MN660扭轉(zhuǎn)剛度/(kN·m2)7391許用彎曲曲率/m-10.25單位長(zhǎng)度質(zhì)量/(kg·m-1)218拖曳力系數(shù)1.05海生物附著(0～20m水深)/mm50海生物附著(20～300m水深)/mm20輸送介質(zhì)密度/(kg·m-3)920k10.25k21.0k30.693

如圖3所示，柔性立管構(gòu)型為“緩波形”立管形式，這種立管構(gòu)型使立管結(jié)構(gòu)受力更加均衡，抗疲勞性能也更加優(yōu)異，是中等水深柔性立管常用的形式。選取與柔性立管距離最近的錨鏈作為干涉分析對(duì)象。錨鏈為分段結(jié)構(gòu)，為了提高錨泊性能，中間部分采用了浮筒托起錨鏈的形式。柔性立管依托的浮體為具有內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)，柔性立管中間部分加裝浮力塊，使得中間部分立管具有足夠的向上浮力，保證立管的構(gòu)型。

圖3 柔性立管模型圖Fig. 3 Flexible riser analysis model

柔性立管中間部分受限制最小，位移一般較大，是重點(diǎn)關(guān)注的部分，因此單元在中間部分劃分較多，單元長(zhǎng)度為0.5 m。其他部分單元單元長(zhǎng)度為1.0 m。

如圖4所示，柔性立管上部通過(guò)端部結(jié)構(gòu)與FPSO的內(nèi)轉(zhuǎn)塔相連，這樣柔性立管與內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)保持一致，柔性立管僅受FPSO的海平面平動(dòng)作用，而不受FPSO轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。脫離點(diǎn)附近安裝錐形彎曲限制器，防止內(nèi)轉(zhuǎn)塔下部柔性立管局部受力過(guò)大。

3.2 環(huán)境參數(shù)

方向?yàn)楸逼珫|15°的海流與柔性立管面內(nèi)垂直，對(duì)立管的影響最大，因此選取此方向海流進(jìn)行分析。海流方向示意圖見(jiàn)圖5。海流數(shù)據(jù)選取100年一遇，表面最大流速為2.0 m/s，流速分布如圖6所示。

圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Riser arrangement in the FPSO turret

圖5 選用分析的海流作用方向Fig. 5 Current direction in the analysis

圖6 100年一遇流速分布Fig. 6 Current speed profile for 100-year return period

4 結(jié)果分析

4.1 柔性管和錨鏈干涉分析

柔性管的干涉分析關(guān)注柔性管在受尾渦影響折減后的實(shí)際海流作用下立管結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍。由圖3可知，柔性立管和錨鏈?zhǔn)且粋€(gè)“干涉對(duì)”，因此海流垂直作用在柔性立管平面時(shí)立管與錨鏈發(fā)生干涉的可能性最大。根據(jù)API RP 2RD標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，判斷是否發(fā)生干涉的依據(jù)是結(jié)構(gòu)之間的間距是否較管中心距離大。雖然干涉分析后得到結(jié)構(gòu)間距大于管中心距離，即滿(mǎn)足干涉分析的要求，但是一般基于工程的保守原則，要求結(jié)構(gòu)之間的間距為管中心距離的2～3倍。

圖7是尾渦作用下柔性立管和錨鏈之間的最小間距沿柔性立管長(zhǎng)度的分布，零值處為立管上部懸掛點(diǎn)。由圖7可知，柔性立管頂部與錨鏈的間距最小，為4.75 m，而立管(包含浮力塊)與錨鏈之間的管中心的最小距離為0.780 m，干涉間距之比為6.08，滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。再由圖7可知，對(duì)于“緩波形”柔性立管來(lái)說(shuō)，最小的干涉間距發(fā)生在脫離浮體的點(diǎn)附近，干涉間距整體隨著水深的增加有增大的趨勢(shì)，但是柔性立管中段附近受到兩端邊界的支撐作用最小，導(dǎo)致柔性立管中段附近結(jié)構(gòu)受力變形較大，干涉間距會(huì)變小。

圖7 尾渦作用下柔性立管和錨鏈之間的最小間距Fig. 7 Clearance between the flexible riser and the anchor chain in the action of wake vortex

圖8、圖9是尾渦作用下柔性立管和錨鏈干涉俯視圖和側(cè)視圖。由圖可知，柔性立管在尾渦作用下的變形顯著，柔性立管整體向錨鏈方向偏移，在立管終端附近與錨鏈的間距較小，體現(xiàn)在圖7中為立管375 m附近干涉間距的變小趨勢(shì)。

4.2 柔性管干涉敏感因素分析

為了討論設(shè)計(jì)因素對(duì)柔性管干涉分析結(jié)果的影響，應(yīng)開(kāi)展設(shè)計(jì)因素敏感性分析。柔性管的主要力學(xué)性能體現(xiàn)在等效的截面剛度上，包括彎曲剛度、軸向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度。對(duì)于干涉分析來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為柔性管彎曲剛度對(duì)立管的響應(yīng)影響較大，因此應(yīng)該對(duì)其開(kāi)展敏感性分析，得到影響的程度。柔性管輸送介質(zhì)密度直接影響柔性管的構(gòu)型，也是非常重要的敏感性因素。對(duì)于干涉分析來(lái)說(shuō)，立管主要受拖曳力作用，由式(1)可知，拖曳力系數(shù)是重要的水動(dòng)力參數(shù)。因此，針對(duì)柔性立管截面剛度、輸送介質(zhì)、拖曳力系數(shù)等開(kāi)展了敏感因素分析。

圖8 尾渦作用下柔性立管和錨鏈干涉俯視圖Fig. 8 Plan view between the flexible riser and the anchor chain in the action of wake vortex

圖9 尾渦作用下柔性立管和錨鏈干涉?zhèn)纫晥DFig. 9 Side view between the flexible riser and the anchor chain in the action of wake vortex

4.2.1 柔性立管彎曲剛度

柔性立管在橫向海流作用下，變形主要是彎曲變形，因此彎曲剛度是重要的設(shè)計(jì)因素。柔性立管的截面設(shè)計(jì)一旦完成，其截面剛度就確定下來(lái)。柔性立管彎曲剛度取決于抗拉鋼絲層和聚合物層的彎曲剛度，可以采用理論分析計(jì)算得到，也可以通過(guò)彎曲試驗(yàn)得到。選取三種典型柔性立管截面結(jié)構(gòu)分析，其彎曲剛度值分別為181、472、690 kN·m2，其他設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖10所示，立管長(zhǎng)度零值處為立管頂部懸掛點(diǎn)。

圖10 不同彎曲剛度下柔性立管和錨鏈之間的最小間距Fig. 10 Clearance between the flexible riser and the anchor chain under different bending stiffness

由圖10分析結(jié)果可知，典型柔性立管截面彎曲剛度對(duì)柔性立管和錨鏈之間的最小間距影響顯著。柔性立管懸掛點(diǎn)處彎曲剛度值分別為181、472、690 kN·m2的柔性立管與錨鏈的最小間距分別為4.726 3、4.731、4.732 m，可見(jiàn)彎曲剛度的影響不大。但是，在柔性立管中段，彎曲剛度越小，立管在海流和尾渦的作用下變形越大。因此，在柔性立管構(gòu)型設(shè)計(jì)中，需要盡量避免中段結(jié)構(gòu)附近有干涉結(jié)構(gòu)存在。

4.2.2 內(nèi)部介質(zhì)

柔性立管在服役期間存在多種工況，不同工況下立管內(nèi)部的介質(zhì)可能是空氣、原油或水。因此，有必要針對(duì)這三種內(nèi)部介質(zhì)對(duì)立管干涉間距的影響開(kāi)展分析。選取空氣、原油和水的密度分別為1.29、920、1 025 kg/m3，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同內(nèi)部介質(zhì)下柔性立管和錨鏈之間的最小間距Fig. 11 Clearance between the flexible riser and the anchor chain under different internal media

由圖11分析結(jié)果可知，柔性立管內(nèi)含有不同內(nèi)部介質(zhì)時(shí)干涉間距變化趨勢(shì)一致，且內(nèi)部介質(zhì)密度越小，柔性立管在海流和尾渦的作用下變形越大，尤其是在立管中段附近區(qū)域，這一特征體現(xiàn)得最為明顯。

4.2.3 拖曳力系數(shù)

拖曳力系數(shù)是立管干涉分析重要的水動(dòng)力參數(shù)，Huse模型本身就是針對(duì)拖曳力系數(shù)進(jìn)行的折減。理論上來(lái)說(shuō)，拖曳力系數(shù)與雷諾數(shù)相關(guān)， FPS 2000報(bào)告[7]認(rèn)為柔性立管的拖曳力系數(shù)在0.7～1.2之間，因此選取三種拖曳力系數(shù)分別為0.7、1.05和1.20開(kāi)展拖曳力系數(shù)敏感性分析，得到了敏感趨勢(shì)曲線(xiàn)如圖12所示。

圖12 不同拖曳力系數(shù)下柔性立管和錨鏈之間的最小間距Fig. 12 Clearance between the flexible riser and the anchor chain under different drag coefficients

由圖12結(jié)果可知，拖曳力系數(shù)對(duì)柔性立管干涉間距有一定影響，拖曳力系數(shù)越大柔性立管變形越大，即與錨鏈的最小間距越小。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該選取合適的拖曳力系數(shù)，以保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

采用Huse尾渦模型和有限元程序結(jié)合的方式，針對(duì)應(yīng)用于300 m水深的非粘結(jié)動(dòng)態(tài)柔性管開(kāi)展了干涉研究，得到了在海流和尾渦作用下柔性立管和相鄰錨鏈之間的最小間距，并開(kāi)展了柔性立管彎曲剛度、內(nèi)部介質(zhì)和拖曳力系數(shù)對(duì)干涉間距的敏感性分析，得到如下結(jié)論:

(1) 300 m水深非粘結(jié)動(dòng)態(tài)柔性管在尾渦作用下的變形顯著，柔性立管整體與錨鏈同方向偏移，最小干涉間距為4.75 m，發(fā)生的位置在立管頂部懸掛點(diǎn)附近，與立管和錨鏈中心點(diǎn)最小距離之比為6.08，滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。

(2) 柔性立管彎曲剛度對(duì)柔性管與錨鏈的最小間距的影響不大。但是，在柔性立管中段，彎曲剛度越小，立管在海流和尾渦的作用下變形越大。

(3) 柔性管內(nèi)含有不同內(nèi)部介質(zhì)時(shí)干涉間距變化趨勢(shì)一致，且內(nèi)部介質(zhì)密度越小，柔性管在海流和尾渦的作用下變形越大，尤其是在立管中段附近區(qū)域。

(4) 拖曳力系數(shù)對(duì)柔性立管干涉間距有一定影響，拖曳力系數(shù)越大柔性立管變形越大，即與錨鏈的最小間距越小。

[1] American Petroleum Institute. API RP 2RD. Design of risers for floating production[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2009.

[2] Huse E. Interaction in deep-sea riser arrays [C]. OTC, 1993: 7237.

[3] Blevins R D. Forces on and stability of a cylinder in a wake[J]. J Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2005, 127(1): 39.

[4] Det Norske Veritas. DNV RP F203. Riser interference[S]. Oslo: Det Norske Veritas, 2009.

[5] American Petroleum Institute. API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2008.

[6] Orcina Ltd. OrcaFlex manual 9.7[M]. Daltongate: Orcina Ltd., 2013.

[7] Engseth A, Leira B J, Larsen C M, et al. Handbook on design and operation of flexible pipes. NTNF Research Programme. FPS 2000/flexible risers and pipes[M]. Trondheim: SINTEF, 1992.

StudyonInterferenceoftheDynamicUnbondedFlexibleRiser

ZHOU Wei-wei, SHA Yong, CAO Jing

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

The dynamic unbonded flexible riser which is the key equipment in the offshore petroleum industry owns some advantages such as easy installation, high reliability and high anti-fatigue property. The dynamic unbonded flexible riser is manufactured by twining with polymer layers and steel tape layers. The section stiffness of flexible riser is in the relative low level compared with soild steel pipe, and it is easy to move when facing to the current, so the flexible riser configuration must be specially designed to avoid the interaction between the risers and mooring lines. We use the Huse wake model and finite element method (FEM) to analyze the flexible riser and mooring line in the South China Sea environment, meanwhile perform the sensitivity analyses of riser section stiffness, pipe flow density and drag coefficient. Finally, some engneering meaningful conclusions are given.

flexible riser; interaction analysis; drag coefficient; Huse wake model

TE973.92

A

2095-7297(2014)01-0035-07

2014-02-21

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05026-005)

周巍偉(1985—)，男，碩士，主要從事深水海底管道與立管工程技術(shù)方面的研究。