海洋立管概述

涡激运动（VIM）
➢ 对于立管的VIV， 纵向和垂向上都会 有涡激振动现象出 现。
➢ 立管的振动轨迹表 现为“8字形”
➢ 现在以三维模型进行计算，以得到漩涡发放的 涡管形式。
➢ 剪切流条件下的涡放图
➢ 深海立管的涡放图
➢ SCR涡放 计算结果
立管涡激振动抑制装置示意图
➢ 这两个立管的规范从原理上是不 仅相同,
➢ 美国石油协会的RP 2RD 是基于 许用应力方法,
➢ 而挪威船级社的OS F201 是基 于可靠性分析的荷载抗力系数法 (LRFD)。
➢ 一般说来, API 的立管规范要 比挪威船级社的立管规范相对 保守一些。
➢ 由于美国石油协会的规范出台 比较早, 因而应用的也比较广 泛。
➢ Flexcom 3D : MCS International (Ireland) ➢ Orcaflex : Orcina Ltd. (UK) ➢ SHEAR7 : MIT (USA)
一、概述 二、立管设计规范及标准 三、立管设计分析工具 四、立管的工程设计 五、立管的海上安装 六、涡激振动
4.1设计的目标
➢ 以往浅水立管形式根本 不能应用到深水中，这 使得立管技术更加的具 有挑战性。

➢ 和浅水油气开发相比, 海洋立管 作为连接水上浮式及水下生产系 统的唯一关键结构,其在深水中 的应用更加具有独特的挑战性, 要求更强烈的创新。
➢ 这一点从比较海洋立管在浅水与深水中的概念上 的不同就可以看出来。
➢ 浅水的立管都是钢管固定在 平台的桩腿上的,
➢ 满足政府、规范要求，满足 功能和运行要求
➢ 选择最简单、成本最低的类 型
➢ 避免立管之间的碰撞
➢ 安装方便
➢ 4.2 设计阶段
➢ 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。这经常称作 “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；确定生产管线和 立管的尺寸；执行设计标准检查； 准备MTO 和授权应用。基本方案 需要在这个阶段定稿，也称作 “定义阶段”。
➢ 深水立管的动态特性使其成为深水开发中最具有 挑战性；
➢ 深水立管的实际工程经验及现场反馈很少；
➢ 水深，高温，高压使深水立管工程更加艰难；
➢ 深水立管的特性及其响应无法在实验室的环境下 模拟。
目前深水立管并没有统一的分类，但根据其结构 形式及用途，可以大致主要分类如下： ➢ 顶部预张力立管(Top Tension Riser) ➢ 钢悬链立管 (Steel Catenary Riser) ➢ 柔性立管 (Flexible Riser) ➢ 塔式立管 (Hybrid Tower Riser) ➢ 钻井立管(Drilling Riser)
进行极限状态设计检查时应考虑不同阶段和考 虑事项，包括： ➢ 暂时安装阶段； ➢ 压力测试（充水和水压测试）； ➢ 管道运行（产品输送、设计压力和温度）；
设计中的关键问题
➢ 接触面（Interface）设计 ➢ 总体布置设计 ➢ 疲劳分析 ➢ 耦合分析
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➢ 下图是美国墨西哥湾的一个深海油田布置图, 该油田采用了顶部预张力 立管(TTR)和钢悬链立管(SCR)作为海洋立管。
➢ 下图是西非的一个深海油田布置图, 其平台采用了立拄式和浮式生产储 油轮相结合的形式。该油田采用了顶部预张力立管(TTR),钢悬链立管 (SCR)和塔式立管的组合作为海洋立管系统。
➢ 另外一个原因就是墨西哥湾是 深海开发的先锋, API 的规范 也就自然采用的比较广泛。
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➢ 立管的分析可以分为静力和动力分析。
➢ 静力分析：使用ABAQUS 等软件进行的管道模型静 力分析利用大位移效应、材料非线性、边界非线性来 处理非线性问题，如连接、滑动和摩擦（管道/海床相 互作用）。
➢ 对于立管系统，静力分 析确定了整体结构如顶 端悬挂角度、总悬挂长 度、着陆点（TDP）。 这些可以通过使用 ABAQUS 或前面所述的 专用立管软件来完成。
➢ 对于立管系统，由于浮式装置的运动、动力环境条件 （风、浪、流）动力影响始终存在。
➢ 动力分析：动力分析通常研究管道或立管系统的非线 性动力响应。
拖曳
➢ 管道或立管束在岸上制造（垂直和平行）。 ➢ 在车间里可以获得很好的焊接质量。 ➢ 灵活的制造进度表与海上进度表没有冲突。 ➢ 可使用非常廉价的拖船。 ➢ 可使用各种各样的拖曳方法（水面、水面下、CDTM、底
部拖曳）。 ➢ 可安装长度有限制。 ➢ 需要三艘拖船用于安装（但是廉价）。 ➢ 由于它非常大的重力所以在海床上非常稳定（不需挖沟）
➢ 而深水中的立管却有着各式 各样的变化, 以适用于不同 的开发需要。
所以，深水海洋立管是深水工程技术 的核心，
还因为：
➢ 深水的挑战需要新颖的海洋立管概念； ➢ 浅水立管技术完全不适应于深水； ➢ 全新的浮式结构概念需要全新的立管系统；
➢ 深水立管是整个深水油气田开发的最主要 的界面；
➢ 深水立管概念的选取直接影响浮式结构及水下系 统的确定；
➢ 动力分析应该在动力影响存在的情形下进行，如渔船 拖网板与管道相撞、管道热膨胀、地震对管道影响。
立管的FEA 模型中应该特别注意下列非线性特性：
➢ 材料非线性 ➢ 几何非线性 ➢ 边界非线性（摩擦、
滑动、管道土壤相 互作用等）
下面列出的是用于立管分析的已高度商业化和 知名的工业软件：
➢ Riflex : Norwegian Marine Technology Center (Marintek)
。
安装设备概述
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什么是涡激振动（VIV）？
立管涡激振动是导致立管疲劳破坏的主 要原因
➢ 不同雷诺数条 件下的涡放图
➢ 非洲西北部佛得角群岛附近天空出现的冯·卡门涡街。 ➢ 这种云漩涡在风穿过佛得角群岛时形成。
最常用的海上安装方法包括： ➢ J 型铺设 ➢ S 型铺设 ➢ 卷筒铺设 ➢ 拖曳
J 型铺设
➢ 焊接在浮式装置上进行，但由于 在一个场所进行，速度慢。
➢ 管道脱离角度非常接近于垂直， 所以张力较小。
➢ 主要用于深水。
➢ 不需船尾托管架。
➢ 所有操作都在垂直方向完成，稳 定性是一个难题。
➢ 典型铺设速度是1-1.5 千米/天。
➢ 顶部预张力立管 ➢ (Top Tension Riser)
TTR立管适用的平台
➢ 钢悬链立管 ➢ (Steel Catenary
Riser)
➢ 柔性立管 ➢ (Flexible Riser)
➢ 塔式立管 ➢ (Hybrid Tower Riser)
➢ 钻井立管 ➢ （Drilling Riser）
卷筒铺设
➢ 管道在岸上的受控环境中焊接， 然后连续地缠绕在浮式装置上直 到全部
➢ 完成或达到最大容量。
➢ 张力减少很多，因此与S 型铺设 相比可以更好地控制。
➢ 对可处理的覆层类型有限制。
➢ 存在局限性，通常是由关系到装 载能力的容积引起。
➢ 需要岸上基地的支持。
➢ 典型铺设速度可高达1 千米/小 时，平均约600 米/小时。
4.4 设计过程中的关键组成部分
1、 设计基础文件
设计基础文件（DBD）提供了 管理管道、立管系统设计的手 段，重点控制设计的改变。设 计原理的目的是提供基本原理、 一系列一致的数据、用于指定 工程开发的合理要求和设计。
2、材料选择 立管最常用的材料是从碳钢（如美国石油协会 －5L 规格，等级X52-X70 和更高）到特种钢 （也就是合金钢，如13%铬）的钢材。下列因 素决定了材料的选择：
➢ 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、 准备MTO、测试、勘测和 制图需要全面开展。这个阶 段也称作工程“执行阶段”。
➢ 4.3 设计流程
➢ 设计流程的主要目的是以运行数 据（如设计压力和温度、油田数 据和处理数据）为基础确定最优 化的管道和立管设计参数。
➢ 成本
➢ 抗侵蚀能力
➢ 重力要求
➢ 焊接性能
3、强度分析
所有依据极限状态用公式表达的相关失效公式 都应在管道和立管设计中考虑。极限状态的分 类如下： ➢ 工作极限状态（SLS） ➢ 最大极限状态（ULS） ➢ 疲劳极限状态（FLS） ➢ 意外极限状态（ALS）
➢ 工作极限状态（SLS）：如果超越就会导致 管道不能正常运行的状态。
➢ 下图是西非的AKPO 深海油田立体图, 其平台为浮式生产储油轮的形 式。该油田全部采用了钢悬链立管(SCR)组合作为海洋立管系统。
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➢ 尽管立管已经存在很多年了，但它 只是在近些年来随着深水技术的发 展而产生了巨大的进步。
➢ 早期立管的主要结构是钢铁生产管 线的简单延伸，通常在导管架腿柱 上夹紧。
➢ 早期的立管设计以使用不同安全系 数的独立的管道标准为基础。
➢ 深水开发需要新方案和新技术 来处理在浅水开发中遇不到的 挑战。为了解决深水立管技术 也需要一个新型的工业立管设 计标准。
➢ 第一个立管设计标准是美国石 油协会RP 2RD，然后是挪威船 级社OS F201。
➢ 美国石油协会RP 2RD (1998): “Design of Risers for Floating Production Systems and Tension Leg Platforms”, First Edition