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1、深海工程中的立管系统研究康庄April，26，2012,一、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,什么是深海？,适合于不同水深的平台形式,适合于深水的平台,FPSO,什么是立管？深海立管与浅水立管的区别？,作为深海油气田开发系统结构的重要组成部分，海洋立管以其全新的形式、动态的特性、以及高技术含量变得格外引人注目。,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
2、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, 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；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
3、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),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）,下图是美国墨西哥湾的一个深海
4、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。,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。,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,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
5、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挪威船级社OS F201 (2001): “Dynamic Risers”,这两个
6、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。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。,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,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
7、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。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
8、软件：Riflex : Norwegian Marine Technology Center (Marintek)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
9、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”。,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。,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
10、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。,4.4 设计过程中的关键组成部分,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：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。,最大极限状态（ULS）：如果超越就会
11、危及管道和立管完整性的状态。包括爆裂、局部弯曲、整体弯曲、不稳定破裂和塑性破坏。,疲劳极限状态（FLS）：计算由环境载荷、运行条件、VIV、浮式装置运动等引起的累积循环载荷。意外极限状态（ALS）：由意外载荷引起，如渔船拖网板撞击、坠落物体等。,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,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,最常用的海上安装方法包括：J 型铺设
12、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。,管道在浮式装置上使用单或双接头进行装配。需要一个可达100 米长的托管架，它可以具有单一的部件是刚性的，或者具有2 个或3 个铰接的部件。必须处理非常高的张力。有水深限制，因为： 更大水深更长的托管架稳定性丧失 更大水深更高的张力更大的风险典型铺设速度约3.5 千米/天。,S 型铺设,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
13、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。,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）。,拖曳,安装设备概述,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,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。,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,
