苑健康，李旭，楊琥，趙黨，王林

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

剛性跨接管主要用于深水油氣田中水下井口、采油樹及管線的連接。根據(jù)剛性跨接管連接器與水下設(shè)施連接形式的不同，可分為水平式剛性跨接管和豎立式剛性跨接管。對于處于地震區(qū)域的跨接管需針對地震載荷進行專門的強度設(shè)計。本文以RVMJ型及RVIUJ型剛性跨接管為例，進行地震載荷下豎立式剛性跨接管強度設(shè)計方法研究并對主要的敏感性因素進行分析，對類似形式的跨接管設(shè)計具有一定指導意義。

1 剛性跨接管類型

豎立式剛性跨接管的常用結(jié)構(gòu)形式如表1所示[3][4]：

表1 主要剛性豎立式跨接管類型

其包括豎立式的剛性跨接管主要是為RVMJ和RVIUJ形式，豎立式跨接管的一些優(yōu)勢主要包括：無需復雜的著陸支撐，連接對接時可減小管道的偏移與所需的拉伸，允許多相流量計在跨接管上的豎向整體布置，對于后安裝的保溫材料填料口安裝較為簡單，只需直接對結(jié)構(gòu)hub進行測量，較為簡易。同時豎立式跨接管的使用也有一定的限制條件：不太適宜淺水環(huán)境，可能會受到漁網(wǎng)/拖網(wǎng)板與（或）流冰的影響；通常在主結(jié)構(gòu)回收時不能在水下擱置；易于受到渦激振動與疲勞的影響。

2 地震載荷強度設(shè)計方法

2.1 地震載荷

位于地震活動區(qū)的跨接管，在地震發(fā)生時其主要破壞來源為地震引起的海床波動及由于土壤失效引起的永久性地質(zhì)地貌變化，主要的永久性地質(zhì)地貌的變化包括：斷層、滑坡、不均勻沉降、海床裂縫[4]。

針對跨接管主要破壞的主要來源，地震載荷強度分析中主要對跨接管進行兩類分析，一類是根據(jù)跨接管所在兩端由于地貌變化引起的垂向（斷層）及橫向（裂縫）位移；另一類是根據(jù)地震引起的海床波動，對跨接管進行準靜態(tài)和動態(tài)時域分析。

2.2 設(shè)計原則

對于位于地震活動區(qū)的跨接管，應進行極端工況校核（E x t r e m e）和生存工況校核（Survival）。極端地震工況一般指200年一遇地震加速度，地質(zhì)地貌未發(fā)生永久性變形的地震工況，在此極端工況下對跨接管進行強度設(shè)計校核。生存工況是指發(fā)生了1000年一遇的地震載荷，同時海床發(fā)生永久性的變形，在生存工況下，需校核跨接管具有結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞但保持自身完整性的能力。

對于極端工況校核一般采取靜態(tài)分析方法，使用200年重現(xiàn)期地震工況，校核結(jié)果保證跨接管強度在彈性范圍內(nèi)，并滿足相應工作應力校核方法下的強度標準。生存工況校核采用動態(tài)或擬靜態(tài)分析方法，使用1000年重現(xiàn)期地震工況，校核結(jié)果考慮材料彈塑性，滿足跨接管相應的應變校核標準[5][6]，校核準則如下：

2.3 剛性跨接管FEA模型

使用Abaqus通用有限元軟件建立模型[7]，跨接管管體采用PIPE32梁單元，跨接管兩端連接器同樣適用管體單元PIPE32進行模擬，考慮連接器的外徑輪廓和等效重量壁厚。

2.4 地震分析載荷處理

豎立式剛性跨接管地震強度分析中加載的載荷主要如下[8]：

功能載荷：根據(jù)主要包括自重、溫度載荷、內(nèi)外壓力。其中自重通過等效重力加速模擬跨接管的水下重。

地震載荷：跨接管地震載荷主要包括地震加速度模擬靜態(tài)載荷、沉降裂縫引起的跨接管基礎(chǔ)位移、海床地震時程運動。地震加速度模擬靜態(tài)載荷主要用于Extreme工況下的校核，由下式計算：

其中m為跨接管的單位質(zhì)量，as為200年重現(xiàn)期的地震加速度。垂向地震加速度取水平向的2/3。

地震時程數(shù)據(jù)主要用于動態(tài)時域分析，使用Survival工況下的校核。一般通過相關(guān)單位提供地震過程中大地在3個方向上的位移譜，如圖1所示。

圖1 地震海床運動時程

3 典型設(shè)計算例

根據(jù)本文第2節(jié)給出的方法，以南中國海海域某項目采油樹與中心管匯之間的深水跨接管為例，對兩種不同形式的豎立式剛性跨接管進行地震分析設(shè)計。使用設(shè)計數(shù)據(jù)見表2：

表2 算例設(shè)計參數(shù)

算例中兩種類型的跨接管形狀尺寸見圖2、圖3：

圖2 算例RVMJ型跨接管尺寸

圖3 算例RVIUJ型跨接管尺寸

3.1 極端工況校核結(jié)果

如圖2、圖3所示，建立有限元模型，跨接管重力載荷考慮水下重等效加速度，豎直方向除等效重力加速度外，與重力方向相同施加垂向的地震慣性力。水平方向除施加水平向地震慣性力外，再加載海流靜態(tài)的拖曳力。分析后提取跨接管各個單元的等效應用，使用Extreme工況下應力校核標準進行校核，結(jié)果如表3：

表3 極端工況校核

如表3所示，算例跨接管在發(fā)生200年一遇0.035g地震加速度的情況下，滿足強度標準要求。

3.2 生存工況校核結(jié)果

3.2.1 斷層工況

在跨接管有限元模型一端加載垂向位移載荷，模擬斷層高度，進行靜態(tài)分析，計算跨接管應變，應用公式（1）、（2）進行應變標準校核，對于兩種類型跨接管校核結(jié)果如表4：

表4 RVMJ及RVIUJ型跨接管斷層校核

如表4所示，地震發(fā)生海床斷層，斷層高差小于6m的情況下，算例兩種類型的跨接管可滿足完整性要求。

3.2.2 裂縫工況

在跨接管有限元模型一端加載水平位移載荷，模擬裂縫寬度，進行靜態(tài)分析，計算跨接管應變，應用式（1）、式（2）進行應變標準校核，對于兩種類型跨接管校核結(jié)果如表5：

表5 RVMJ及RVIUJ型跨接管裂縫校核

如表5所示，地震發(fā)生海床裂縫，對于RVMJ型跨接管，裂縫寬度在1.4m時可滿足完整性要求；對于RVIUJ型跨接管，裂縫寬度在1.2m以下時可滿足結(jié)構(gòu)完整性要求。

3.2.3 地震波載荷工況

根據(jù)本文2.4節(jié)中地震時程數(shù)據(jù)，在跨接管有限元模型一端加載時程位移載荷，進行25s的動態(tài)時域分析。根據(jù)分析結(jié)果，此過程中最大的瞬時真實應變發(fā)生在跨接管與連接器連接的袖管位置，且RVMJ型跨接管較RVIUJ型跨接管承受地震波載荷能力更強，校核結(jié)果見表6：

表6 RVMJ及RVIUJ型跨接管地震時程振動校核

圖4 袖管位置應變變化曲線

4 結(jié)論

本文主要介紹了豎立式跨接管在地震載荷作用下的強度校核方法，并以1500m水深實際在建項目的中采油樹與中心管匯的跨接管為例，使用有限元方法，對RVMJ和RVIUJ兩種典型的豎立式剛性跨接管在海底斷層、海床裂縫、地震波載荷等進行分析，得到如下結(jié)論：

（1）豎立式剛性跨接管管體，地震載荷下的破壞一般發(fā)生在與連接器連接的袖管位置（未考慮連接器自身的破壞），由于彎頭具有較好的柔性，在彎頭位置不易破壞。

（2）豎立式剛性跨接管承受斷層載荷能力較強，主要原因為豎立式剛性跨接管在在豎直方向上的結(jié)構(gòu)剛度較小，可承受更大的豎向變形；此外RVIUJ型跨接管具有更好的承受斷層載荷的能力。

（3）豎立式剛性跨接管承受海床裂縫載荷的能力相對較弱，RVMJ型跨接管相對于RVIUJ型跨接管，具有更強的承受裂縫載荷能力，主要原因為RVMJ型跨接管的彎頭數(shù)量更多，在水平方向的柔性更好，可承受更大的水平位移載荷。

（4）RVMJ型跨接管相對于RVIUJ型跨接管，具有更好的地震波動力響應性能，主要原因為RVMJ型跨接管的彎頭數(shù)量及布置位置可承受更大的動力響應載荷。

（5）通過對兩種型式的豎立式跨接管在地震載荷作用下的強度分析，對于有抗地震設(shè)計要求的跨接管，建議在選型設(shè)計中優(yōu)先考慮RVMJ型跨接管。

◆參考文獻

[1] 楊琥，李旭，何寧，等. M型跨接管設(shè)計中敏感性分析的參數(shù)化研究[J].艦船科學技術(shù)，2014，36(3)：125-130.

[2] 何同，李婷婷，段夢蘭，等. 深水剛性跨接管設(shè)計的主要影響因素分析[J].中國海洋平臺，2012，27(4)：50-56.

[3] 王林，李旭，楊琥. M型剛性跨接管地震分析方法研究[J].海洋工程裝備與技術(shù)，2016，3(6)：356-360.

[4] American Petroleum Institute.API RP 17R.Recommended Practice for Flowline Connectors and Jumpers[S].2013.

[5] American Petroleum Institute.API RP 1111. Design,Construction,Operation, and Maintenance of Oあshore Hydrocarbon Pipelines (Limit State Design)[S].2015.

[6] American Petroleum Institute.API STD 2RD.Dynamic Risers for Floating Production Systems [S].2013.

[7] 曹金鳳，石亦平. ABAQUS有限元軟件常見問題解答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[8] Yong Bai.Subsea Pipelines and Risers[M].Elsevier Science Ltd，2005:219-228.