钢悬链线立管整体干涉分析研究

钢悬链线立管整体干涉分析研究
王孟义1,2，白兴兰1,2，谢永和1,2
（1．浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；
2．浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）
摘要：深水海洋立管具有柔性，特别是极端海况条件下，相邻立管之间可能发生互相干涉而增大立管的应力，从而影响其疲劳寿命。

钢悬链线立管相比顶张力立管，有效张力较小，对环境载荷作用更加敏感，更容易发生碰撞。

基于动力学分析软件OrcaFlex建立有限元模型，从允许碰撞的角度出发，对串列布置于张力腿平台上的两根钢悬链线立管进行整体碰撞分析，研究立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速和柔性接头刚度对立管碰撞的影响，阐述对碰撞范围、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量的影响规律，为实际工程中立管的空间布置和结构优化设计提供参考。

关键词：钢悬链线立管；整体碰撞；数值模拟；立管间距；尾流场
中图分类号：P754 文献标识码：A
Analysis of Global Interference between
Steel Catenary Risers
WANG Mengyi1,2, BAI Xinglan1,2, XIE Yong-he1,2
（1.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 316022, China; 2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province, Zhoushan 316022, China）Abstract: Mutual interference may be occurred between adjacent marine risers because of their flexibility, especially in extreme conditions. As a result, the stress of the risers and their fatigue life will be influenced by interference. The effective tension of steel catenary riser is smaller compared with top tension riser. This kind of riser is more sensitive to environmental loading and more likely to collide. The finite element model is established in the dynamic analysis software OrcaFlex, and the global interference of adjacent steel catenary risers is analyzed in the case of permission collision. The effect on risers interference of these parameters, such as the riser spacing, wake model, drag coefficient, current velocity and flexible joint stiffness, is studied. The rules of the global collision include interference region between two adjacent SCRs, relative velocity, maximum impact velocity and collision energy are obtained, which can provide reference for the spatial arrangement and structure optimization in practical engineering.
Key words: Steel Catenary Riser; global collision; numerical simulation; riser spacing; wake model
1基金项目：浙江省自然科学基金项目(LZ15E090001, LY15D060005).
0 引言
钢悬链线立管集海底管线和立管于一身，一端连接井口，另一端连接浮式平台，与顶张力立管相比，其无需顶张力的补偿[1]，由于其柔性远远大于顶张力立管，因此在浮体运动和海洋环境载荷的作用下，钢悬链线立管的运动幅度相比顶张力立管更大，在极端海况条件下更容易发生相邻立管的碰撞。

早在1989年，Rajabi[2]就首次提出立管间存在相互碰撞的问题，二十多年来，各国学者对于该问题的研究从未停止，这些研究分别基于避免碰撞和允许碰撞两种思想展开。

Duggal、Huse等[3]以立管在任何情况下都不允许发生碰撞为出发点，研究了立管避碰的设计准侧。

何杨[4]等根据DNV-RP-F203规范阐述了立管干涉的分析方法，设计了立管干涉的分析流程，并探讨了立管干涉的可接受标准。

马强等[5]用自由圆管模型模拟深水立管，运用有限元程序MSC/DYTRAN对不同碰撞角度和考虑水耦合作用的垂直碰撞进行了研究，结论表明碰撞力和碰撞变形区域会随着碰撞角度的减小而增大，水的耦合作用将延长碰撞时间，增大碰撞变形区域。

杨尊儒[6]等以两串列立管为研究对象，同样在考虑水耦合作用的的情况下分析两立管的碰撞行为，结果表明在一定海况下，两立管会发生多次碰撞，碰撞速度越大，碰撞应力越大，且相比不考虑水耦合作用的情况，碰撞应力有所减小。

Wilmshurst[7]运用通用有限元软件ABAQUS建立二维和三维的立管碰撞模型进行数值模拟，所得的结果与试验结果基本吻合。

陈云水等[8]以Spar平台中钢悬链线立管间的碰撞为研究对象，运用ABAQUS有限元软件，分析內压、碰撞夹角、速度夹角和摩擦这四个因素对碰撞的影响。

吴天龙[9]首先运用CFD软件模拟了不同参数情况下相邻立管周围的流场，然后通过有限元软件ABAQUS 模拟了立管的局部碰撞，分析了立管间有摩擦和无摩擦两种情况下速度、夹角、內压对碰撞的影响，并比较了裸管和带有氯丁二烯橡胶保护层立管的碰撞结果。

石云[10]等以顶张力立管为研究对象，研究井槽间距和立管干涉，并对影响立管干涉的主要因素做了敏感性分析。

相比于上述学者所做的局部碰撞研究，对于钢悬链线立管整体碰撞的研究资料并不多见。

Fontaine等[11]通过实验和数值模拟的方法研究了尾流作用对钢悬链线立管碰撞的影响，为之后的研究提供了有利的参考价值。

阎岩[12]利用OrcaFlex软件，以两根工作水深为1500m的钢悬链线立管为研究对象，分析了立管间距、波浪入射角度、柔性接头刚度等因素对立管整体碰撞的影响，但其所取的拖曳力系数沿立管长度方向一致，这与实际情况并不相符。

本文以允许碰撞为设计思想，运用OrcaFlex软件，建立钢悬链线立管三维非线性模型，以张力腿平台的运动作为上部边界条件，将立管沿长度方向分段，依据每一段所处的环境不同，设置不同的拖曳力系数，在百年一遇的海况条件下，分析立管间距、尾流场模型、拖曳力系数、海流流速及柔性接头刚度对钢悬链线立管整体碰撞的影响。

1 模型参数
选取两根材料为API 5L X65钢的钢悬链线立管，串列布置于一座工作水深为1000m的张力腿平台上进行数值模拟，立管模型具体参数见表1。

表1立管模型参数
Tab.1 The parameters of riser model
立管参数数值及单位立管参数数值及单位
总长/L 2500m 立管密度7850kg/m3
外径/D 0.3556m 管内流体密度988kg/m3
壁厚/t 0.017m 悬挂角12°
弹性模量/E 2.07e11 法向拖曳力系数随雷诺数发生改变
泊松比/λ0.3 法向附加质量系数 1.0
选取百年一遇海况条件作为SCR整体碰撞的环境载荷，其中风速43m/s，波高15m，周期15.2s，海流流速为v h（海面流速v0=1.95m/s，海底流速v1000=0.1m/s），风、浪、流入射角均为90°，以8个波浪周期为模拟时间，其中值得一提的是，模拟分两个阶段完成，即海况形成阶段（-16~0s）和正式模拟阶段（0~121.6s）。

2 数值模拟结果及分析
2.1立管间距对碰撞的影响
立管间距是立管碰撞发生的决定性因素，立管间距过小，则容易发生碰撞，间距过大则不经济。

选取立管间距为1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m和4m六种情况，施加Huse尾流场模型[13]进行研究。

假设两立管之间沿水深平行布置，则在这六种间距情况下两立管碰撞结果见表2。

由结果可知：在这六种间距情况下，两立管之间均发生碰撞，当立管间距为1.5m、2.0m、2.5m时，首次碰撞发生在海况形成阶段，同时随着立管间距增大，首次碰撞发生的时刻依次延后，说明立管间距越小，越容易发生碰撞。

表2立管首次碰撞时刻
Tab.2 First collision time of riser
立管间距（m）首次碰撞发生时刻（s）
1.5 -3.5420
2.0 -2.1442
2.5 -0.7347
3.0 0.8256
3.5 2.7286
4.0
5.7900
在不同间距情况下，上下游立管之间的最小间距沿立管长度方向的变化，如图1所示。

由图1可知：两立管碰撞范围集中在立管中上部，这是由于在立管的碰撞过程中，上部边界条件即平台的
运动将直接影响立管顶端的运动，其对于立管的碰撞会产生非常大的影响。

随着间距的增加，两立管碰撞范围逐渐减小，其碰撞发生几率相应减小。

图1 不同间距对上下游立管最小间隙的影响
Fig.1 The influence of different spacing on the minimum clearance of
the upstream and downstream risers
2.2尾流对碰撞的影响
考虑经济性和工程实际，立管布置常以串列布置为主，随之出现的问题即为海流在流经上游立管之后发生速度折减和运动轨迹的改变，并在后方区域形成一个尾流场，此尾流场会对下游立管产生遮蔽效应，使其所受拖曳力显著减小，从而影响下游立管的运动。

以间距为3.5m 的两根SCR 为研究对象，分别选取Huse 尾流模型和Blevins 尾流模型[14]进行研究，所得上下游立管的最小间距变化如图2所示。

在两种不同尾流模型下，立管碰撞的范围皆集中在立管中上部，但相比Huse 尾流模型，采用Blevins 尾流模型的立管系统碰撞范围更大，相对而言发生碰撞的几率更大。

图2不同尾流模型下上下游立管最小间隙的影响 图3不同尾流模型对最大碰撞速度和能量的影响 Fig.2The influence of different wake models on the minimum clearance of the upstream and downstream
risers
Fig.3 The influence of different wake models on the
maximum impact speed and energy
不同尾流场模型，两立管间最大的碰撞速度和碰撞能量是不同的，其结果如图3所示，其中最
大碰撞速度参考左侧坐标系，最大碰撞能量参考右侧坐标系。

采用Blevins 尾流模型和采用Huse 尾
上下游立管最小间隙（m ）
SCR 轴向长度（m ）
上下游立管最小间隙（m ）
SCR 轴向长度（m ）
最大碰撞能量（k J ）
最大碰撞速度（m /s ）
尾流模型
Huse 尾流模型
Blevins 尾流模型
流模型的立管系统相比，最大碰撞速度从0.3554m/s 增大到0.7022m/s ，提高了约1倍，而碰撞能量则从0.0338kJ 增大到0.1589kJ ，提高了近3.7倍，这是因为Huse 尾流模型仅考虑顺流向的力，而Blevins 尾流模型在考虑顺流向力的同时，还考虑了下游立管上由于横向速度梯度而产生一个横向力，这一横向力促使立管向尾流中心线靠近，而在尾流中心线处，海流流速达到最大程度的折减，因此，不管上下游立管是同向运动还是相向运动，下游立管的运动都将受到最大程度的影响。

从设计角度考虑，采用Blevins 尾流模型计算，设计更为保守。

2.3拖曳力系数对碰撞的影响
立管动力响应分析时，选取不同的拖曳力系数对于评估立管在流体中受力和运动具有直接影响。

选取立管间距为3.5m ，施加Huse 尾流模型的立管系统为研究对象，在不考虑涡激振动对拖曳力系数放大作用的条件下，针对两种情况进行对比分析：（A ）将立管进行分段，每段立管根据所处环境不同赋予相应的拖曳力系数；（B ）整根立管取拖曳力系数为1.2，所得结果如图4~6所示，其中最大碰撞速度参考左侧坐标系，最大碰撞能量参考右侧坐标系。

图4C d 对上下游立管最小间隙的影响 图5C d 对上下游立管相对运动速度的影响 Fig.4 The influence of C d on the minimum clearance of
the upstream and downstream risers
Fig.5 The influence of C d on the relative velocity of the
upstream and downstream risers
图6C d 对最大碰撞速度和能量的影响
Fig.6 The influence of C d on the maximum impact speed and energy
SCR 轴向长度（m ）
上下游立管最小间隙（m ）
上下游立管相对运动速度（m /s ）
SCR轴向长度（m
）
最大碰撞能量（k J ）
最大碰撞速度（m /s ）
拖曳力系数
由图4可知，相较于立管分段取不同拖曳力系数的情况，在拖曳力系数统一取1.2的情况下立管碰撞发生区域上移，且碰撞范围更大。

而由图5、图6可知，对于这两种情况，拖曳力系数大者，上下游立管相对运动速度峰值相对靠上，且其峰值越大。

从最大碰撞速度和最大碰撞能量角度分析，在拖曳力系数取1.2的情况下，最大碰撞速度和最大碰撞能量分别提高了44.8%和162.4%。

这些结果说明，拖曳力系数越大，立管发生碰撞的可能性越大，且碰撞对立管产生的损伤越大，对于设计而言，拖曳力系数取值越大，设计更为保守。

而对于工程应用而言，降低立管拖曳力系数，即减小立管所受拖曳力能降低立管碰撞风险，减小碰撞损伤。

2.4海流流速对碰撞的影响
海洋环境作为立管运动的主导因素，对于立管的碰撞有着非常大的影响，相比风、波浪，海流作为直接影响因素，其流速大小对于立管碰撞的影响更是不言而喻。

选取3.5m 立管间距，施加Huse 尾流模型的立管系统，分别施加0.6倍、0.8倍、1.0倍和1.2倍的设定海流流速，从上下游立管最小间隙角度进行分析，其结果如图7所示。

图7 海流流速对上下游立管最小间隙的影响
Fig.7 The influence of current velocity on the minimum clearance of
the upstream and downstream risers
由图7结果可知，随着流速的增大，立管的碰撞范围逐渐增大，且流速越大，立管碰撞发生位置越靠上，但值得注意的是碰撞发生位置仍处于立管中上部，因此，应特别注意立管中上部的碰撞保护。

2.5柔性接头刚度对碰撞的影响
钢悬链线立管通过柔性接头与上部平台相连，柔性接头刚度会对立管运动产生一定影响。

为研究柔性接头刚度对SCR 碰撞的影响，本文分别选取柔性接头刚度为13kN·m/deg 、14kN·m/deg 、15kN·m/deg 、16kN·m/deg 、17kN·m/deg 进行分析，计算结果如图8所示，从图中可知，随着柔性接头刚度的增大，立管的最大碰撞速度相应增大，但增幅并不明显，说明柔性接头刚度对于立管碰撞的影响并不大。

上下游立管最小间隙（m ）
SCR 轴向长度（m ）
图8 柔性接头刚度对最大碰撞速度的影响
Fig.8 The influence of stiffness of flexible joint on the maximum impact speed
3 结 论
相比顶张力立管的碰撞，钢悬链线立管的碰撞是一个更为复杂的过程，本文基于OrcaFlex 软件，以串列布置在张力腿平台上的两根钢悬链线立管为研究对象，采用数值模拟的方法进行整体碰撞分析，从上下游立管间距、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量这四个角度出发，简单分析了立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速、柔性接头刚度对碰撞的影响，结论如下：
（1）立管碰撞范围随着立管间距和海流流速的变化而变化，立管间距越小，立管碰撞范围越大；海流流速越大，立管碰撞范围越大且立管碰撞发生区域越靠近立管上部。

总体而言，立管碰撞发生在立管中上部，工程实际中应特别注意立管中上部的碰撞保护。

（2）从设计角度出发，采用Blevins 尾流模型得到的计算结果相比采用Huse 尾流模型得到的结果更为保守。

（3）拖曳力系数对于立管碰撞的影响较大，降低立管拖曳力系数能降低立管碰撞的风险，并有效减小最大碰撞速度，降低碰撞对立管所造成的损伤。

（4）柔性接头刚度对立管碰撞的影响较小，在立管实际布置中可不予以重点考虑。

参 考 文 献
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最大碰撞速度（m /s ）
柔性接头刚度（kN·m/deg ）
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