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柔性立管线型分析与铺设要点研究.doc

柔性立管线型分析与铺设要点研究   摘 要:柔性立管是连接浮式设备和水下设施的桥梁,用于输送液体和气体,具有非常关键的作用。随着深水油气开发的进行,越来越多的柔性立管被应用。本文对柔性立管线型进行系统分析,并研究线型参数对其影响,另外针对陡波型柔性立管铺设要点进行相关论述。本文既能为柔性立管选型与设计提供参考,也能为其铺设提供借鉴。   关键词:柔性立管;线型设计;参数;铺设   中图分类号:TE53 文献标识码:A   柔性立管是海洋油气开发的重要装备,常用于浮式生产平台生产系统,连接平台设备与海底设备,传输液体、气体。柔性立管的应用可以追溯到20世纪70年代,随着柔性管技术的迅猛发展,柔性立管在气候恶劣的海域如北海等地区和深海领域获得广泛应用,目前应用的最大水深是3000m左右,全球约85%的动态立管采用的是柔性立管。   柔性立管由多层非粘结结构缠绕而成,其截面刚度较低,在波浪和海流作用下运动幅值较大,为避免在极端情况下发生立管与其它设施之间的碰撞干涉,需对柔性立管的线型进行研究。柔性立管线型随水深等环境条件变化而变化,至今基本的柔性立管线型有悬链线、缓波型、陡波型、缓S型和陡S型(如图1所示)。五种基本线型具有各自特点,能够适应不同海洋环境。此外为了增强柔性立管的适用性,在基本线型的基础上出现了改进形式,如柔顺波形、WAW型等。   柔性立管的生产和设计技术被掌握在国外少数公司手中。其中著名的有Wellstream,Technip以及NKT。我国柔性管道相关技术研究起步较晚,立管制造技术和安装技术都相对落后,商业化也远不如国外成熟。但随着深海油气的开发,尤其是南海油气开发不断深入,柔性立管的研究、制造和安装已经引起了越来越多的专家学者的注意和重视,也取得了很多重要的成果。   1 柔性立管线型分析   影响柔性立管线型的因素主要有6个,分别为:水深、浮体运动特性、所在海域的海况、油田布局、管缆物理力学性能和成本。   1.1 自由悬链线型   自由悬链线是指柔性立管一端固定悬挂在浮式设施上,管线在重力作用下形成悬链线的形式。   1.1.1 线型特点   悬链线适应于中等环境下中等水深以浅区域,具有结构简单、无需张力补偿、施工方便、成本较低、以及对浮体运动有较大的适应性等优点。工作水深由上部浮体提供的张力及立管自身重量决定。水深较大,管线长度增加,会提高顶部悬挂点处张紧器的张力要求;水深较浅、工作环境恶劣或者浮式设施运动剧烈时,管线长度减小会减小设施和波浪动态干扰沿管线传播的阻尼,从而触地点处的疲劳损伤增大,出现屈曲。   1.1.2 参数影响分析   当悬挂位置和水深确定,自由悬链线的设计参数是脱离角度(如图2所示)。随脱离角的增大,管线悬空段长度增加,最大总张力增加,易造成顶部疲劳破坏。同时水平张力增大,既要求管抗拉能力提高,也要求海底静态段长度增加以满足纵向稳定性,从而经济性降低。同时,脱离角越大,触泥点区域受到的影响越小,能够避免出现过度弯曲、压屈和疲劳等问题。   1.2 缓波型和陡波型   在悬链线的基础上,通过安装一定数量浮子,使管线一段隆起,形成类似于波浪形状的线型,称为波型。波型线型可以分为缓波型和陡波型两种。   1.2.1 线型特点   隆起段分离了立管的顶端与触泥点,减弱浮式设施运动和波浪载荷对触泥点的动态干扰。同时浮力和重量都附加在立管上,减少了顶部悬挂张力对浮式设施的影响,可以适应更大位移。缓波和陡波型都适应浅水和深水,两者的结构都相对简单,造价和安装成本较低。   两者相比较而言,缓波型海底基础设施少,动态响应大,浮体的运动和立管流体密度改变会使线型倾向于改变;陡波型由于在海床增设海底基座和限弯器,线型更加容易保持,运动敏感,响应良好,适宜拥挤海床。   1.2.2 参数影响分析   波型线型的设计参数有:顶端脱离角a、下悬链线段L1、分布式浮子段L2、上悬链线段L3及分布式浮子间距Sf,直径Df,长度Lf,如图5所示。   L3 段越短(浅波型),L2越靠近海面,受波浪和表层流的影响大,易与浮式设施底部发生碰撞,稳定性差,并要求管有较小的弯曲半径;L3越长(深波型),浮子越靠近海底,管在浮体升沉运动的牵动下,浮子有可能和海床发生碰撞,连续持久撞击使浮子受损。另外,深波型也会增大顶部悬挂张力要求。浮子的位置和尺寸是波型线型的高敏感参数,在满足最小弯曲半径的前提下,宜选用浅波型。增加Df可以减少对动态立管顶部悬挂张力的要求,但可能过度弯曲和浮力过剩导致管底端拔离终端。   1.3 缓S型和陡S型   在悬链线的基础上,通过安装浮力模块和固定在海床的结构物,使立管形如S,称为S型。S型线型可以分为缓S型和陡S型。   1.3.1 线型特

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