国外深水钢悬链线立管研究发展现状

综　述

国外深水钢悬链线立管研究发展现状

Ξ

黄维平,白兴兰,李华军

(中国海洋大学海洋工程系,山东青岛266100)

摘　要:　介绍国外在新型深水立管系统———钢悬链线立管关键技术方面的研究发展现状,论述浮体一、二阶运动对钢悬链线立管疲劳寿命的影响、浮体升沉运动对钢悬链线立管触地点疲劳寿命的影响;钢悬链线立管与海底相互作用机制的实验研究及结果;钢悬链线立管涡致振动与疲劳的研究现状。并简要论述钢悬链线立管触地点问题的研究结论。关键词:　钢悬链线立管;深水立管;海洋油气开发;深水开发

中图法分类号:　TU312 文献标识码:　A 文章编号:　167225174(2009)022290205

随着海洋油气资源开发活动不断向深水发展,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。柔性立管不仅成本高,而且不适应深水油气田高温高压的生产条件,同时大直径柔性立管的制造受到技术的限制,其发展空间微乎其微[122]。顶张力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补偿也变得越来越困难,同时气动液压张紧装置占用较大的平台空间,对于比较紧凑的平台空间来说是不经济的[324]。为此,人们一直在寻求1种深水开发的有效解决方案。

钢悬链线立管(Steel Caternary Riser ,SCR )是国外近年来研究发展起来的一种新型深水立管系统,它不仅成本低、对浮体运动有较大的适应性,而且适用高温高压工作环境。因此,取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水开发的首选立管形式,被誉为深水开发的成本有效解决方案。自1994年shell 公司在墨西哥湾的张力腿平台Auger 上安装了世界第一条钢悬链线立管以来,在墨西哥湾(G olf of Mexico )、坎普斯盆地(Campos Basin )、北海(North Sea )和西非(West Africa )等几大海上油气田,已经有数十条钢悬链线立管投入使用[5]

。由于钢悬链线立管是1个全新的深水立管概念,为了保证它的安全经济运行,美国、英国、挪威和巴西等国发起了联合工业计划(STRIDE J IP 和CARISIMA J IP 等),工业界与大学合作开展了大量的研究工作[627]。本文介绍其中几项钢悬链线立管关键技术的研究发展现状。

1　浮体运动及其影响

深水油气田的生产装备是浮式结构系统,如张力

腿平台(TL P )、单柱式平台(Spar )、半潜式平台和浮式生产系统(FPSO )。浮式结构系统在风浪流的作用下将产生较大的漂移运动,其运动幅度的大小取决于它们的锚固形式。TL P 和Spar 平台的运动幅度较小,其最大漂移量为水深的6%～10%,垂荡运动很小[5,8]。FPSO 的运动幅度远远大于TL P ,其最大漂移量可达

水深的20%～30%[9],如此大的浮体运动对钢悬链线立管的影响是不容忽视的。除了较大的漂移运动之外,浮体运动的动力特征是影响钢悬链线立管疲劳寿命的主要因素。

浮体对波浪的动力响应主要表现为一阶波浪响应和二阶非线性响应[5,10],它们构成了浮体水平运动(Surge ,Sway )的主要部分。一阶波浪响应是关于平衡位置的小幅(相对于二阶非线性响应而言)振荡,其频率与波浪频率相同[1]。它引起钢悬链线立管顶部的低应力疲劳循环,构成立管顶部高周疲劳损伤的主体[11]。由于它与波浪引起的钢悬链线立管振动响应同频率同相位,从而增大了钢悬链线立管顶部疲劳应力循环。因此,浮体的一阶运动影响钢悬链线立管顶部的疲劳寿命。Spar 平台的一阶运动较小,而半潜式平台和FPSO 的一阶运动幅度较大。与半潜式平台对简单悬链线立管(Simple Catenary Riser )顶部造成的疲劳损伤相比,FPSO 对浮力波/缓波立管(Buoyant Wave /Lazy Wave Riser )顶部造成的疲劳损伤更严重[12]。

浮体的二阶非线性响应由静态分量和动态分量组成,其准静态分量是由定常风荷载引起的,而动态分量是由波浪和频或差频成分和脉动风荷载引起的。前者引起钢悬链线立管触地点(Touch Down Point )变化,有

Ξ基金项目:博士点基金项目(20050423002);国家自然科学基金重点项目(50639030);国家自然科学基金重点项目(50739004)资助

收稿日期:2007211208;修订日期:2008210211

作者简介:黄维平(19542),男,教授,博导,主要从事海洋工程结构动力分析与疲劳研究。E 2mail :w phuang @

第39卷　第2期　2009年3月　

中国海洋大学学报

PERIODICAL OF OCEAN UNIV ERSITY OF CHINA

39(2):290～294Mar.,2009

效地改善了静态触地点的疲劳循环状态;而后者则增加了钢悬链线立管的低周疲劳损伤[13]。二阶非线性响应有长周期的慢漂响应和短周期的高频(相对于浮体固有频率而言)响应,其中对钢悬链线立管影响较大的是慢漂运动,其周期为200～600s [9210]。TL P 和Spar 平台的慢漂运动对钢悬链线立管的影响较小[5],而FPSO 的二阶非线性响应是影响钢悬链线立管疲劳寿命的关键因素[14]。

图1和2分别给出了1a 内浮式结构一阶和二阶运动引起的疲劳损伤,比较两图可知,浮体二阶运动引起的疲劳损伤远远大于一阶运动[1]。浮体的垂荡运动引起钢悬链线立管触地点周围(Touch Down Z one )的疲劳损伤。但是,随着水深的增加,垂荡运动引起的疲劳损伤程度逐渐降低[5]

。

图1　浮体一阶运动引起的疲劳损伤

Fig.1　Fatigue damage induced by first order motion of

vessels

图2　浮体二阶运动引起的疲劳损伤

Fig.2　Fatigue damage induced by second order m otion of vessels

2　SCR 与海床相互作用

与海床相互作用是钢悬链线立管的特有性质,是

传统立管系统发展过程中不曾遇到的问题。世界主要海洋油气田开发国家投入了大量人力物力从事该项研究工作,目的是掌握钢悬链线立管与海床相互作用机制,建立起钢悬链线立管与海床相互作用模型。1999年6月MARIN TREK 、Statoil 和N GI (Norwegian G eotechnical Institute )在众多投资商的资助下,发起了“立管整体分析的立管—海床相互作用模型”工业联合开发计划(Catenary Riser/Soil Interaction Model for

G lobal Riser Analysis ,CARISIMA J IP )[7],展开了为期3年半的理论与实验研究,其目标是发展钢悬链线立管

与海床相互作用模型,以修改现有的立管分析程序。该计划在英国西部的1个废弃码头做了足尺模型试验(见图3),研究钢悬链线立管与海底相互作用过程中,海底沟槽的形成机制及其对钢悬链线立管的影响。试验结果显示,钢悬链线立管与海床相互作用将在海床上形成2～3倍管径宽、0.5～1倍管径深的沟槽,如图4所示[7]。沟槽的最深最宽处是设计触地点处。海底

沟槽的形成对钢悬链线立管的出平面运动有较大影响,当暴风和流迫使浮体发生大幅度漂移时,流线段的拔出和出平面运动将受到沟槽的阻力作用,引起立管局部应力增大,当悬链线处于绷紧状态、立管张力较大时,沟槽的影响尤为严重[7,15217]

。

图3　大比例模型试验现场

Fig.3　A full scale model test on 2

site

图4　大比例模型试验结果

Fig.4　A trench formed by interaction between SCR and

seabed

图5　CARISMA J IP 的土吸力模型

Fig.5　Model of suction forced by CARISMA J IP

1

922期黄维平,等:国外深水钢悬链线立管研究发展现状