1、海洋结构设计海洋立管设计与分析中国海洋大学2017 年 6 月海洋立管设计与分析摘 要：海洋立管是现代海洋工程结构系统中的重要组成部分之一，同时也是薄弱易损的构件之一。作为海面与海底的主要联系通道，海洋立管下端一般与万向节相连，上端与平台的滑移节或钻探船舶等相连。海洋立管内部有高温高压的石油、天然气通过，外部承受波浪、海流荷载的作用。立管在内部流体及外部环境荷载的作用下会发生弯曲和振动，当结构的固有频率和外荷载的频率相近时,极有可能引起结构的共振，从而造成立管结构的破坏。而立管一旦遭到破坏，不仅致使工程本身遭受破坏，而且可能造成油气的泄漏、爆炸等严重的次生灾害。因此掌握海洋立管设计知识及规范、
2、研究复杂的风、浪、流深水环境条件下海洋立管的静力响应、动力响应、疲劳分析及损伤检测研究具有十分现实的意义。正 文：近些年来，海洋深水开发领域中的油气勘探及开发活动频率大幅增加，勘探及开发水深与前些年相比增加了近一倍。海洋工业正在研究试图在更深的海域中建造更加便捷的生产系统，这当然需要更多的采用新技术、新方法及新设备。同时这也符合世界海洋石油天然气工业发展的总趋势。随着水深的不断增加，深水开发的技术装备将不断面临新的挑战，海洋平台及立管系统在这一次次的挑战中得到了巨大发展，从张力腿平台、平台、半潜式平台发展到今天的浮式生产系统和浮式生产储运系统。海洋立管是连接水面浮式装置和海底设备如井口、总管的
3、导管，是海洋油气田资源开发的重要结构，一般来说要满足以下功能：（1）外输、输入或循环流体；（2）钻井或修井机工具到井口的导向；（3）支撑辅助线；作为生产构件的立管系统（钻井和采油阶段）的功能包括：（4）生产和回注；（5）输出/输入或循环流体；（6）钻井；（7）完井、修井；海洋立管的分类比较复杂，类型多种多样，如下表 1 所示。表 1 海洋立管分类立管的外形 整体式+非整体式立管的结构 筒内+筒外立管的本质 刚性+柔性（混合立管）油田开发不同阶段的功能 钻井+生产立管的特点和适用性 钢悬链线式+顶端张紧式 柔性+自由站立式新型的结构形式 顺应式垂直通路+ 多孔混合+一、 海洋立管分类简介1.1
4、钢悬链线式立管（Steel Catenary Riser）1.1.1 钢悬链线式立管的结构特点随着海洋油气资源开发活动不断向深水海域发展，立管系统在油气开发生产成本中所占的比重越来越大，传统的立管系统在技术上和经济上已经不适应深水发展的需要。柔性立管成本高、且不适应深水油气田高温高压的生产条件，大直径的柔性立管的制造受到技术的限制，发展较为缓慢。顶端张紧式立管不能顺应浮体较大的漂移运动，而且随着水深的增加，顶张力和浮体垂荡运动的步长也变得越来越困难，钢悬链线立管的出现有效的解决了上述问题。钢悬链线式立管集海底管线与立管于一身，一段连接着井口，另一端连接着浮式结构，无需海底应力结构或柔性结构的连
5、接，大大降低了水下施工量和难度。立管通过柔性接头自由悬挂在平台外侧，无需液压气动张紧器装置和跨接软管，大大节约了平台空间，如图 1 所示。图 1 深水钢悬链线式立管示意图因此，与柔性立管和顶端张紧式立管相比，钢悬链线式立管的成本低，无需顶张力补偿，对浮体漂移和升沉运动的容度大，适用于高温高压介质环境。这些特点使得钢悬链线式立管取代柔性立管和顶端张紧式立管而成为深海油气资源开发的首选立管系统。1.1.2 钢悬链线立管的基本型式自墨西哥湾的第一条钢悬链线立管问世以来，已经有数十条钢悬链线立管在墨西哥湾、巴西坎普斯湾、北海、挪威海、印度海和西非等海域投入使用，开创了深水立管系统的新纪元，为了适应不同
6、水深的需要，钢悬链线立管的概念被不断的发展和延伸。已经出现了 4 种基本型式：（1）钢悬链线式立管-简单悬链线式立管（Simple Catenary Riser ） ；（2）浮力波或缓波悬链线式立管(Buoyant Wave/ Lazy Wave Riser)；（3）陡波悬链线式立管（Steep Wave Riser ） ；（4）L 型立管（Bottom Weighted Riser） ；其中，缓波及陡波悬链式立管是为了减少立管的顶部张力而设计的，其隆起部分是由浮力来实现，因此，他们的作业水深比简单悬链线立管更大。1.1.3 钢悬链线立管面临技术挑战钢悬链线式立管的独特结构形式也为其设计、制造
7、、安装和安全服役提出了新的挑战。其中控制钢悬链线式立管设计和安全服役的因素为顶部和处地点疲劳寿命以及流线段与海底的相互作用。触底点是钢悬链线式立管的特征点，特别是简单悬链线式立管，它是悬垂段与流线段的连接点。当浮体结构在风、浪和流的作用下发生运动时，悬垂段和流线段会同时随浮体结构运动，从而引起触底点沿轴线的变化，同时也引起流线段与海底的相互作用，触底点的疲劳损伤主要是有浮体运动和涡激振动引起的，海底刚度对触底点的疲劳损伤有较大的影响，海底刚度越大，立管与海底相互作用引起的疲劳损伤越严重。钢悬链线式立管的关键技术主要，如表 2 所示：表 2 钢悬链式立管关键技术（1）浮体运动的影响（a）一阶运动
8、幅值小，频率高，引起立管顶部低应力疲劳循环；（b）二阶慢漂运动将引起立管触底点的变化，引发立管的低周疲劳损伤；（c）浮体的升沉运动引起触底点的疲劳损伤；（2）与海床相互作用（a）立管随浮体结构运动流线段于海床发生相互作用；（b）管线往复作用，海底形成沟槽，对立管的出平面运动有较大的影响；（c）大幅漂移时，流线段的拔出和出平面将受到沟槽的阻力作用，引起立管局部应力增大；（d）悬链线处于绷紧状态时、立管张力较大，沟槽的影响尤为严重；（3）疲劳损伤与寿命预测（a）浪致疲劳主要造成立管顶部的疲劳损伤，损伤的性质是低应力循环的高周疲劳损伤；（b）涡激振动引起的疲劳损伤主要集中在静态触底点，属高应力循环的
9、低周疲劳损伤；1.2 顶端张紧式立管（Top Tensioned Riser）顶部张紧式立管（TTR）主要用于生产、注水、完井、钻井以及气举等作业，是海洋开发中必不可少的立管类型之一。在干树采油平台中，TTR 连接水下井口和水上生产设备，从海底井口穿过平台的龙骨位置延伸到平台的生产甲板附近。利用外部套管和内部生产管道传输油气到干树生产平台上面，外部套管为整个立管提供有效的机械防护，内部生产管作为油气等流体的通道。1.3 柔性立管（Flexible Riser）1.3.1 柔性立管的结构形式1972 年，海洋柔性立管就开始在石油工业领域得到使用。柔性立管在海洋工程中具有动态立管、静态立管、静态输
10、送管、水下跨接管及膨胀接头等多种用途。柔性管是由不同材料构成的复合结构。根据各层材料结合方式的不同，大致可以分为粘结和无粘结两种结构。其中，粘结柔性管主要是合成橡胶和金属材料粘合在一起，结构简单但工艺复杂；而无粘合柔性管主要是聚合物和金属材料组成，层间允许滑动，其中外层和内管为聚合物材料，保证流体完整性。由于柔性管具有抵抗大变形、抗腐蚀、安装方便、可回收等优点，在海洋油气开发中的应用越来越广。海洋深水柔性管常用无粘合柔性管，如图 2 所示。图 2 海洋工程中常用的柔性管1.3.2 柔性立管的附属构件柔性管终端构件是柔性管与其他结构连接的重要组成结构，主要功能是将柔性管铠装层的荷载传递到其他支撑
11、结构上，同时能保证聚合层的密封性。为了形成柔性立管懒波形状，需要再起底部安装浮力块。浮力块主要由两部分组成：内置卡子与复合泡沫体。另外，为防止柔性立管在于浮式结构顶部连接位置发生过度弯曲，常会用到弯曲加强构件，它可以加大柔性立管的刚度，防止立管承受过大弯曲而超过最小许用弯曲半径而导致结构破坏。1.3.3 柔性立管面临的主要技术挑战柔性立管在海洋工程中应用广泛，但仍存在着诸多技术挑战，如表 3 所示。表 3 柔性立管面临的主要技术挑战（1）柔性管的成本（a）原材料相当的昂贵；（b）加工工艺较为复杂；（c）接头和其他附属设备需专门定制；（2）柔性管的管径（a）多层结构；（b）结构铠装层和骨架层等限
12、制；（c）柔性管的管径一直较小；（3）柔性管不耐高温高压 （a）多层结构性质；1.4 自由站立式立管（Free Standing Riser ）顶部张紧式立管没有能力顺应较大的浮体漂移，随着水深的增加,顶部预张力的补偿也变得越来越困难,更难以容纳浮体的升沉运动。柔性立管虽然可以顺应浮体的漂移和升沉运动，但大直径柔性立管许多技术问题目前还无法解决，且柔性立管的成木高，不适用于高温高压条件。这迫使人们不得不寻求一种深水立管的成木有效的解决方案。自由站立式立管是一种新概念的立管类型，其主体部分是与海底垂直的刚性立管，顶部由浮力筒提供浮力，连接于转塔结构，浮力筒底部的跨接软管将刚性立管与船体连接起来。
13、这种立管结构能够将刚性立管与船体的运动相分离，大大的减小了立管的偏移。自由站立式立管是在深水和超深水应用中非常具有竞争力的一项技术，它可以应用于多种生产船，并且在多种环境条件下使用。在安装过程中使用全焊接设计以及拖曳方法，可以减少材料和安装费用，并且能够提高动态响应。二、 海洋立管设计简介2.1 海洋立管的工程设计2.1.1 设计阶段的划分海洋立管的设计通常按以下的步骤进行：（1）概念设计，该阶段设计的主要目的是确定技术可行性，确定下一设计阶段所需的信息,进行资本和进度估计，经常被称为“方案选择” 。（2）初步设计，该阶段的主要任务是进行材料选择和确定壁厚确定立管的尺寸执行设计规范校核准备授权
14、应用。基本方案需要在这个阶段定稿，也称作“确定阶段”。（3）详细设计，该阶段的所有设计工作需要足够详细以进行采购和制造。而且,工程过程、说明书、测试、勘测和制图等工作需要全面开展。这个阶段也称作“工程执行阶段” 。2.1.2 设计流程的确定设计流程的主要目的是以设计基本数据（设计压力和温度、油田数据和产品处理数据）为基础确定最优化的立管设计参数。下列参数是最重要的：（1）基于流动保障性分析的立管尺寸内径；（2）基于管道存在性、成本和焊接的管道材料等级（管、表面镀层管） ；（3）基于设计标准的管壁厚度确定压力负荷计算、强度校核管道路径选择、立管顶部和海底布置（管道排列图、立管悬挂系统） ；（4）
15、管道路径选择、立管顶部和海底布置（管道排列图、立管悬挂系统）;（5）立管长度；（6）管道覆层的类型和厚度（抗侵蚀覆层、重力覆层、绝热覆层） 、管道阴极保护系统（阳极类型、数量、与管道连接装置） ；2.1.3 设计基础资料的选择与确定设计基础资料文件提供了管理立管系统设计的手段，重点控制设计的改变。设计基础资料文件编制的目的是提供基本原理、一系列的设计数据、用于指定工程开发的合理要求和设计方案。设计基础资料文件是立管设计的基础，它将在整个工程过程中随着设计数据的增加而不断地被检查和更新。典型的立管设计基础资料应该至少包括如下内容：（1）立管整体系统和功能需求的描述描述：立管系统的布置和关键部件的
16、数据，详细说明工程设计的总体要求；（2）设计和分析要求：定义立管的载荷条件和评定立管各种响应的规范和标准；（3）设计数据提供立管系统的相关数据：包括油田布置和位置数据、系统设计寿命和油井生产数据、立管各种参数、平台结构的尺寸数据和各种海况下的运动数据、海洋、地质和土壤的数据、压力和温度数据、环境载荷数据风、浪、流的数据等；2.1.4 立管材料的确定海洋立管最常用的材料是碳钢（美国石油协会规格，等级一）或更高级特种钢（合金钢，如铬的钢材） 。成本、抗侵蚀能力、重量要求、可焊接性等因素决定了材料的选择。钢材的等级越高，单位体积重量的价格越高。然而，随着高等级钢材生产成本的降低，海洋工业的总体趋势是
17、使用高等级的钢材。材料选择可能是海洋立管设计中最初的步骤之一，它是立管系统设计中的关键要素。此外，材料选择还与制造、安装、运行成本有关系。2.1.5 立管的在位分析有限元方法是进行立管在位分析的强大工具。所谓在位分析指模拟立管的工作状态而进行的力学分析，在位分析贯穿了立管的整个设计寿命，它可以包括一些连续的负荷情况，如安装阶段压力测试阶段充水和水压测试运行阶段产品输送、设计压力和温度关闭、冷却循环阶段侧向屈曲阶段承受动态环境载荷阶段承受冲击载荷阶段如捕鱼设备、坠落物体等浮式装置的运动对立管动力性能的影响等。在位分析可以分为静力和动力分析：（1）静力分析：对于立管系统，静力分析可以确定立管的整体
18、结构（顶端悬挂角度、立管总长度、着陆点等设计参数） 。我们可以通过使用 abaqus 或专用立管软件来完成；（2）动力分析：研究立管系统的非线性动力响应。对于立管系统，由于浮式装置的运动、动力环境条件风、浪、流的作用，动力影响始终存在。立管系统的响应可由非线性动力分析来确定。在立管的有限元分析中应该特别注意材料非线性、几何非线性和边界非线性等因素的存在和影响；2.2 海洋立管的安装海洋立管的安装是通过专用安装浮式装置进行的。最常用的立管安装方法包括 J 型铺设、卷筒铺设、L 型铺设、拖曳铺设，如图 3 所示。由于安装方法的不同，海洋立管将承受安装浮式装置不同的安装载荷，包括压力、张力、弯曲和疲
19、劳等。安装工程设计用于估算载荷对立管的影响以保证载荷的作用符合强度设计标准。立管安装过程中的疲劳计算同时也是立管整体疲劳寿命计算的重要组成部分。图 3 卷筒铺管船三、 海洋立管分析简介海洋立管承受风、浪、流、冰和地震等海洋环境所带来的荷载，其中波浪和海流起主要作用；立管与其他海洋结构有发生碰撞的可能性，如立管与工程船、浮体结构及立管与海洋当中的其他管线间的碰撞。下面以导管架平台为例，分析海洋立管的碰撞变形分析。3.1 损伤概况文昌油田 13-2 平台的原油外输管的立管在水线附近被船舶撞击弯曲变形，严重影响到平台的正常生产。立管位于平台 B2 桩腿外侧，沿 B2 桩腿一直下到海底，立管通过 10
20、 个立管卡支撑固定在 B2 桩腿上，其中水上 1 个立管卡可见，其余个立管卡位于水下不同标高处。3.2 水下检测概况B2 桩腿附近立管被撞击处，位于水深-3-4m 。经目视检查，没有发现立管有破损及凹陷现象；立管被撞击后，油管整体变形，向 B2 桩腿一侧弯曲靠拢。经测量，立管最大弯曲处距离 B2 桩腿约 20cm；正常情况下立管距离 B2 桩腿约 60cm；立管弯曲处边缘距离 B2 桩腿约 30cm，距离其下面最近管卡距离约230cm。立管与 B2 桩腿靠管卡连接、固定。经检查，管卡整体连接牢固，没有松动，除有一根螺栓松动外，其他螺拴连接良好，没有发现异常。图 4 桩腿附近油管被撞击处示意图3
21、.3 损伤数据分析经过调取的相关数据，对于内外管与船舶碰撞的凹陷及变形量进行计算与实际的变形量进行校核，便判断该立管内管及外管受创伤的程度，是否已经破裂漏油或能维持输油多久。模拟船舶碰撞双层立管的过程。3.3.1 常用的计算方法（1） API 推荐方法；（2） 能量计算法；3.3.2 数值建模利用 Solid works 软件建立数值模型，利用 Abaqus 软件进行分析，过程如下：（1） 模型的基本参数；（2） 模型的假定；（3） 碰撞过程模拟；（4） 计算结果展示；图 5 时间里程表通过模拟工作状态结果，得到了不同的立管凹陷数据，从分析的数据看为近似正弦曲线，曲线的上升部分代表立管结构被压
22、缩的一瞬间，而曲线的下降部分代表着立管的结构处于弹性恢复阶段。而且伴随着拖轮的撞击速度的成倍增大，钢结构所达到最大撞击力的时间越短，载荷持续时间随着速度的增大略为减小，但相差不大。撞击力的峰值与撞击速度成正比，速度越高，撞击越危险。四、 总结海洋立管是现代海洋装备结构系统中的重要组成部分，同时也是薄弱易损的构件之一。海洋立管内部有高温高压的石油、天然气通过，外部承受波浪、海流荷载的作用。立管在内部流体及外部环境荷载的作用下会发生弯曲和振动，极易造成立管结构的破坏。而立管一旦遭到破坏，不仅致使工程本身遭受破坏，而且可能造成油气的泄漏、爆炸等严重的次生灾害。掌握海洋立管设计知识及规范、研究复杂的风
23、、浪、流深水环境条件下海洋立管的静力响应、动力响应、疲劳分析及损伤检测研究具有十分现实的意义。我国应从国外深水立管系统的特点、现状和发展趋势中，认真总结经验、吸取教训，结合我国深水海域特有环境条件、现有的技术能力和发展潜力，凝练深水开发海洋立管等装备关键技术，制定符合我国国情的深水油气开发装备发展道路，从而提高我国海洋资源，特别是深水资源的开发能力，提升我国深水油气开发装备制造的国际竞争力，提高我国在国际海洋工程技术中的地位。参考文献：【1】：深海钢悬链线立管的分析与设计；【2】：顶端张紧式立管强度设计分析；【3】：深海柔性立管结构力学特性分析；【4】：自由站立式管浮力筒结构设计与分析；【5】：隔水舱修复法在 WC13_2 平台损伤立管中的研究与应用；
