张力腿平台顶张紧式立管强度分析

海洋工程
表 4 TLP 平台在不同条件及海况下平均位置
出 TTR 初步设计参数如表 5 所示。
位移 船体状态，海况重现期
纵荡/m 横荡/m 垂荡/m
表 5 TTR 初步设计参数 功能 类型 名义直径/mm 壁厚/mm 材料
完整，1000 年 完整，100 年
38.40 29.50
-0.15 -0.12
收稿日期：2014-03-18；修回日期：2014-05-14 基金项目：国家科技重大专项课题“深水海底管道和立管工程技术”（2011ZX05026-005） 作者简介：石云（1984-），男，工程师，工学硕士。主要从海底管道、立管设计及研究。
— 114 —
石云等，张力腿平台顶张紧式立管强度分析
定的环境条件，尤其是考虑南海内孤立波作用下，对 TTR 强度进行系统分析。本文针对中国南海特定的环 境条件，结合目标油田（水深 340m）TLP 运动响应 数据，对 TLP 平台 TTR 总体强度分析进行了研究。
σ e2
=
⎡T
⎢ ⎣
A
+
M
( DO
2I
− t ) ⎤2
⎥ ⎦
+
⎡(
3× ⎢ ⎢⎣
pi
−
po ) DO 4t ( DO
( DO −t)
−
2t ) ⎤2
⎥ ⎥⎦
≤
⎡2 ⎢⎣ 3
cfσ y
⎤2 ⎥⎦
（3）
式中，M、T 分别为弯矩及有效张力；I 为惯性矩；
A 截面积；DO 为外径；t 为壁厚；pi 为内压；po 为外 压；σy 为材料屈服强度；cf 为设计工况因子。
底部 59
79 100.9
1000 251.0 215.1 138.2
水深/m 25 80 100 140
表 3 内孤立波剖面表
流速/m·s-1
水深ห้องสมุดไป่ตู้m
1.606
200
0.683 0.329 -0.100
270 1（海床上方）
海床
流速/m·s-1 -0.415 -0.516 -0.50 0
— 115 —
400 图2
0 0 100 200 300 400 长度/m
(b) 极端工况-P-E2
主要设计工况 TTR 套筒和油管的应力
0 0 100 200 300 400 长度/m
(c) 自存工况-P-S4
表 6 生产 TTR 油管及套筒 UC 值
工况
分类
P-T
水压试验
平台/立管状态 充水
海况条件 1 年一遇
在不同工况条件下的强度进行分析，TLP 的一阶运动
通过其响应幅值算子（Response Amplitude Operators,
RAOs）来进行描述。
1.2 等效模型
TTR 由套筒（Casing）以及油管（Tubing）组成，
立管套筒及油管之间的相互影响忽略不计。由于
OrcaFlex 采用单层管的数学模型来模拟多层管的
表 1 波浪主极值
要素
重现期/年
1
10 100 1000
Hs/m 7.2 10.5 13.5 15.8
波浪
Tz/s
8.6 10.0 11.3 12.2
Tp/s 11.7 13.5 15.2 16.5
表 2 流主极值
要素
重现期/年
1
10 100
表面 119.3 163.3 207.9
海流/cm·s-1 中部 101.3 140.7 175.2
关键词：张力腿平台；顶张紧式立管；内孤立波；总体强度 中图分类号：P751 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2014) 05-0114-04
DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2014.0230
Strength Analysis of Top Tensioned Riser
-2.37 -1.39
生产油管 生产
套筒
114.3 273.1
7.7 3Cr-S 12.7 X-80
完整，10 年 完整，1 年 张力腿损坏，10 年
20.15 11.55 19.81
-0.08 -0.04 -0.10
-0.65 -0.21 -0.59
2.2 主要设计工况及分析结果 根据 API RP2RD 规范，本文进行 TTR 强度分析
SHIP ENGINEERING Vol.36 No.5 2014
船舶工程 总第 36 卷，2014 年第 5 期
张力腿平台顶张紧式立管强度分析
石 云 1，曹 静 1，沙 勇 1，周晓东 1，周 磊 2
（1．中海油研究总院，北京 100027；2．海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）
摘 要：张力腿平台在近年来深水油气田开发中得到广泛应用。顶张紧式立管是张力腿平台的关键 部分之一，它连接水下井口与平台，十分重要。根据 API RP 2RD 规范，对张力腿平台的顶张紧式立管 总体强度分析进行了探讨，并以中国南海 340m（1116ft）水深某油田环境条件作为设计基础，采用单层 管等效模型模拟多层管顶张紧式立管，利用 Orcaflex 软件对顶张紧式立管总体强度进行了分析，同时探 讨了采用规则波或不规则波以及内孤立波对立管应力分析结果的影响，对今后顶张紧式立管的研究和设 计具有一定的参考作用。
M Casing
=
ICasing ICasing + ITubing
M
M Tubing
=
ITubing ICasing + Itubing
M
（1）
TCasing
=
ACa sin g ACasing + ATubing
T
TTubing
=
ATubing ACasing + ATubing
T
（2）
式中，M、T 分别为等效管的弯矩及有效张力；
张力腿平台（Tension Leg Platform, TLP）作为一 种典型的浮式平台在深水油气田开发中起到了重要作 用。目前 TLP 在世界范围内应用已经超过 20 座，墨 西哥湾、北海、西非等海域都有应用，但在中国南海 尚无应用先例。我国在 TLP 研究及设计方面缺乏经 验，和国外相比存在一定的差距，有必要针对中国南 海特定环境条件，开展 TLP 相关技术的研究及设计， 这对促进我国深水油气田的规模开发和逐步形成深水 工程技术产业链具有深远的意义。
Abstract: Tension Leg Platform (TLP) has been widely used in deepwater oil field development in recent years. Top Tensioned Riser (TTR) is one of the most important parts for TLP design, which connects subsea well and surface tree. TTR strength analysis method is discussed in this paper. An oil field in South China Sea with water depth 340m (1116ft) is taken as the design basis, TLP TTR global strength was analyzed by considering the influence of soliton for different load cases. The analyses carried out indicate that TTR have resultant stresses well below the allowable. This paper may have a certain reference value for future TTR research and design. Key words: tension leg platform (TLP); top tensioned riser (TTR); internal soliton wave; overall strength
接管、张紧器、标准立管节点、立管连接器、应力节 点、水下回接连接器以及水下井口等主要构件组成， 示意图参见图 1 所示。
国外 TLP 以及 TTR 相关设计技术较为成熟，研 究也比较多。R.Jordan[2]、F.Botros[3]、T.Smith[4]等对国 外 TLP、Spar TTR 设计进行了介绍；S.G.Shu[5]开展了 双套筒 TTR 在超深水的可行性研究；Shaddy Y[6]、 David L[7]提出新型顶张紧立管型式以适应不同浮体 或者满足不同功能要求。
采用梁单元进行模拟。详细单元划分可以参考 API RP
2RD，TTR 张紧器采用非线性弹簧进行模拟。
1.3 单根套管校核
通过立管整体分析得到等效立管的弯矩以及有效
张力后。根据套筒和油管的弯曲刚度和轴向刚度来分
配弯矩及有效张力，从而对套筒和油管的应力进行校
核。套筒和油管的弯矩及有效张力见式（1）及式（2）。
时考虑了水压试验工况、操作工况、极端以及自存工
本文中生产 TTR 采用单套筒结构（Single casing TTR），操作压力为 7.0MPa，关断压力（极端压力） 为 12.5MPa，设计温度为 63℃，经过初步壁厚设计得
况。图 2 列出了几个主要设计工况 TTR 套筒的应力图 (篇幅所限，没有全部列出)。
cf
套筒 UC 值
1.2
0.45
油管 UC 值 —
P-N
操作工况
正常操作
10 年一遇
1.0
0.49
国内还处于起步阶段，对 TTR 的研究还比较少。 “典型深水平台概念设计研究”课题组对典型深水顶 部张紧立管的设计方法进行了总述[8]，孙传栋[9]、 ZHANG Qi[10]、GUO Hai-yan[11]等人对 TTR 动力响应 进行了一定的研究，黄维平[12]等人对 TTR 疲劳分析进 行了研究。但国内外相应研究很少有针对中国南海特
TTR[13]，本文将采用等效模型将 TTR 简化为单层管结
构。为了使等效管所受外力以及弯曲、拉伸特性不发
生变化，等效管的外径与套筒的外径相同，等效管的
截面积是套筒和油管截面积之和，等效截面惯性矩是
套筒和油管惯性矩之和，等效管的重量是套筒和油管
重量之和。
采用 Orcaflex 对 TTR 进行建模分析时，等效立管
MCasing、MTubing 为套筒和油管的弯矩；TCasing、TTubing 为 套筒和油管的有效张力；ICasing、ITubing 为套筒和油管的 惯性矩；ACasing、ATubing 套筒和油管的截面积。
根据 API RP-2RD [14]，套筒和油管的组合应力可
以用式（3）进行校核。
主甲板
采油树 生产甲板
跨接
标准立管节点
软管
P & B 连接器
张紧器 张力节点
(TENSION JOINT)
标准立管 节点
套筒 油管
锥形应力节点 外部回接连接器 高压进口头
环空注氮
图 1 TLP 平台 TTR 示意图
1 分析方法
1.1 分析工具
本文主要采用商用 Orcaflex 软件对 TLP 平台 TTR
顶张紧式立管（Top Tensioned Riser, TTR）是 TLP 的关键部分，它连接水下井口与平台，十分重要。TTR 通常是由一系列的钢管在顶部通过张紧设施与浮式装 置（通常是 TLP 及 SPAR）连接，底部与固定于井口 上的应力节点（Stress Joint）等连接的立管结构型式[1]。 TLP 平台典型的 TTR 系统主要由表面采油树、柔性跨
主要设计工况下套筒和油管的最大UC值见表6所 示，各设计工况下的UC值均小于1，满足规范要求。
250
350
600
等效应力/MPa 等效应力/MPa 等效应力/MPa
200
300
500
150
250
400
200
100
300
150
50
100
200
0
50
100
-50 0 100 200 300 长度/m
(a) 操作工况-P-N
2 算例分析 2.1 基本设计参数
本文以中国南海某油田环境条件作为设计基础， 油田范围平均水深为 340m，波浪及海流数据见表 1、 表 2。由于目标油田海域内孤立波频繁发生，在立管 设计过程中应该充分考虑[15,16]，内孤立波数据见表 3 所示，表 4 为 TLP 平台不同条件及海况下的平衡位置。
SHI Yun1, CAO Jing1, SHA Yong1, ZHOU Xiao-dong1, ZHOU Lei2
(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)