综 述 国外深水钢悬链线立管研究发展现状 Ξ 黄维平,白兴兰,李华军 (中国海洋大学海洋工程系,山东青岛266100) 摘 要: 介绍国外在新型深水立管系统———钢悬链线立管关键技术方面的研究发展现状,论述浮体一、二阶运动对钢悬链线立管疲劳寿命的影响、浮体升沉运动对钢悬链线立管触地点疲劳寿命的影响;钢悬链线立管与海底相互作用机制的实验研究及结果;钢悬链线立管涡致振动与疲劳的研究现状。并简要论述钢悬链线立管触地点问题的研究结论。关键词: 钢悬链线立管;深水立管;海洋油气开发;深水开发 中图法分类号: TU312 文献标识码: A 文章编号: 167225174(2009)022290205 随着海洋油气资源开发活动不断向深水发展,立管系统在油气开发生产成本中所占的比重越来越大,传统的立管系统在技术上和经济上已经不适应深水发展的需要。柔性立管不仅成本高,而且不适应深水油气田高温高压的生产条件,同时大直径柔性立管的制造受到技术的限制,其发展空间微乎其微[122]。顶张力立管不能顺应浮体较大的漂移运动,而且随着水深的增加,顶张力和浮体垂荡运动的补偿也变得越来越困难,同时气动液压张紧装置占用较大的平台空间,对于比较紧凑的平台空间来说是不经济的[324]。为此,人们一直在寻求1种深水开发的有效解决方案。 钢悬链线立管(Steel Caternary Riser ,SCR )是国外近年来研究发展起来的一种新型深水立管系统,它不仅成本低、对浮体运动有较大的适应性,而且适用高温高压工作环境。因此,取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水开发的首选立管形式,被誉为深水开发的成本有效解决方案。自1994年shell 公司在墨西哥湾的张力腿平台Auger 上安装了世界第一条钢悬链线立管以来,在墨西哥湾(G olf of Mexico )、坎普斯盆地(Campos Basin )、北海(North Sea )和西非(West Africa )等几大海上油气田,已经有数十条钢悬链线立管投入使用[5] 。由于钢悬链线立管是1个全新的深水立管概念,为了保证它的安全经济运行,美国、英国、挪威和巴西等国发起了联合工业计划(STRIDE J IP 和CARISIMA J IP 等),工业界与大学合作开展了大量的研究工作[627]。本文介绍其中几项钢悬链线立管关键技术的研究发展现状。 1 浮体运动及其影响 深水油气田的生产装备是浮式结构系统,如张力 腿平台(TL P )、单柱式平台(Spar )、半潜式平台和浮式生产系统(FPSO )。浮式结构系统在风浪流的作用下将产生较大的漂移运动,其运动幅度的大小取决于它们的锚固形式。TL P 和Spar 平台的运动幅度较小,其最大漂移量为水深的6%～10%,垂荡运动很小[5,8]。FPSO 的运动幅度远远大于TL P ,其最大漂移量可达 水深的20%～30%[9],如此大的浮体运动对钢悬链线立管的影响是不容忽视的。除了较大的漂移运动之外,浮体运动的动力特征是影响钢悬链线立管疲劳寿命的主要因素。 浮体对波浪的动力响应主要表现为一阶波浪响应和二阶非线性响应[5,10],它们构成了浮体水平运动(Surge ,Sway )的主要部分。一阶波浪响应是关于平衡位置的小幅(相对于二阶非线性响应而言)振荡,其频率与波浪频率相同[1]。它引起钢悬链线立管顶部的低应力疲劳循环,构成立管顶部高周疲劳损伤的主体[11]。由于它与波浪引起的钢悬链线立管振动响应同频率同相位,从而增大了钢悬链线立管顶部疲劳应力循环。因此,浮体的一阶运动影响钢悬链线立管顶部的疲劳寿命。Spar 平台的一阶运动较小,而半潜式平台和FPSO 的一阶运动幅度较大。与半潜式平台对简单悬链线立管(Simple Catenary Riser )顶部造成的疲劳损伤相比,FPSO 对浮力波/缓波立管(Buoyant Wave /Lazy Wave Riser )顶部造成的疲劳损伤更严重[12]。 浮体的二阶非线性响应由静态分量和动态分量组成,其准静态分量是由定常风荷载引起的,而动态分量是由波浪和频或差频成分和脉动风荷载引起的。前者引起钢悬链线立管触地点(Touch Down Point )变化,有 Ξ基金项目:博士点基金项目(20050423002);国家自然科学基金重点项目(50639030);国家自然科学基金重点项目(50739004)资助 收稿日期:2007211208;修订日期:2008210211 作者简介:黄维平(19542),男,教授,博导,主要从事海洋工程结构动力分析与疲劳研究。E 2mail :w phuang @https://www.doczj.com/doc/a25627431.html, 第39卷 第2期 2009年3月 中国海洋大学学报 PERIODICAL OF OCEAN UNIV ERSITY OF CHINA 39(2):290～294Mar.,2009
前言 经济的高速发展必然带来能源的大量消耗，寻求廉价而供应充足的能源已经成为各国经济发展的重大问题。科学技术的发展的现状表明：太阳能、地热能利用和开发还处于初级阶段，在能源消耗总额中占的比重也很少；核能正在发展，所占的比重正在逐渐提高，但也受到技术水平、铀矿资源的限制；在核聚变能量被工业大量实际应用以前，石油天然气等燃料仍然是社会使用的主要资源；而石油由于比较容易开采、运输和利用，就必然成为现代国民经济的重要支柱。世界上大量的政治、军事、经济的运动都是围绕石油问题进行的。勘探表明，在大陆架的39%地区含有油气构造，其储量占全世界石油的30%~40%。而美国的墨西哥湾、欧洲的北海、西亚的波斯湾、北非海域以及南中国海域、渤海海域都已成世界各国开发海洋石油资源的重要场所。目前在各大洲大陆架的不同工作水域有各种类型的近海工程结构物，主要应用于海底油气资源的勘探和开发。 海洋立管是浮式海洋平台与海底井口间的主要连接。作为海面与海底的一种连接通道，它也可用于固定式平台及勘探船。下端通过万向节与海底井口连接，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合，这样，平台或船舶在波浪作用下发生任何可能的运动时，立管有足够的运动自由度随之运动，并在平台或船舶发生垂直震荡是改变其长度。立管本质上有两种，即刚性立管和柔性立管。海洋立管具有多种可能的结构，如顶张力立管（TTP）、自由悬挂的钢悬链线立管（SCR），惰性S立管，陡峭型S立管，惰性波浪立管、陡峭型波浪立管等。 立管的设计应该满足实际的海洋环境载荷，小直径的立管通常被固定在隔水套管中，海洋环境在核对其影响较小。较大直径立管科直接由平台支持置于海洋环境载荷中，此时，立管将同时承受内流体流动的作用和管外海洋环境载荷作用。立管所承受的海洋环境载荷主要有风、浪、流、冰和地震载荷等，其中波浪和海流是最重要的海洋荷载。并且受水流作用的工程结构都有可能发生涡激振动。 目前海中立管的动力设计计算并不考虑内流体的流动作用，这样设计是不合理的，也是不安全的。但由于知识与数据的缺乏，本设计将不对内流体的流动作用进行设计。
深水开发的新型立管系统 钢悬链线立管(SCR) 黄维平,李华军 (中国海洋大学海岸与海洋工程研究所,山东青岛266071) 摘 要: 1种全新的深水立管系统 钢悬链线立管(Steel Catenar y Riser,SCR )在墨西哥湾(Golf of M ex ico )、坎普斯湾(Campos Basin)、北海(N orth Sea)和西非(West Africa)得到了成功应用。它的适用水深为300~3000m,且适用现有任何浮式结构,从浅水的固定式平台到极深水的浮式生产储运系统(FP SO)。因此,它取代了传统的柔性立管和顶张力立管,成为深水油气开发的首选立管,被认为是深水立管系统的成本有效的解决方案。关键词: 钢悬链线立管;深水立管;海底管线;深水开发 中图法分类号: T E851 文献标识码: A 文章编号: 1672-5174(2006)05-775-07 近年来,深水开发中的油气勘探和开发活动大大增加,与前几年相比水深增加了1倍。海洋工业正在更深的海域中建造生产系统,更多地采用新技术并较大程度地发展现有技术。这是世界上海洋石油天然气工业发展的总趋势,如墨西哥湾、坎普斯湾、北海和西非。随着水深的不断增加,深水开发的技术装备也不断面临新的挑战,海洋平台和立管系统在这一次次的挑战中得到了发展,从张力腿平台、单柱平台(Spar )、半潜式平台发展到今天的浮式生产系统和浮式生产储运系统(FPSO)(见图1)。由于这些平台在海洋环境(风、浪、流)的作用下具有不同的运动特征,因此,对连 接海底管线和平台的立管系统也提出了不同的要求。 如浮式结构的二阶慢漂运动在极端海况时,其最大漂移量可达水深的6%~10%(张力腿平台和单柱平台),20%~30%(浮式生产系统或浮式生产储运系统)。顶张力立管已经没有能力顺应这样大的浮体漂移。而且,随着水深的增加,顶张力的补偿也变得越来越困难,更难以容纳浮体的升沉运动。柔性立管虽然可以顺应浮体的漂移和升沉运动,但大直径柔性立管许多技术问题目前还无法解决,且柔性立管的成本高,不适用于高温高压条件[1]。这迫使人们不得不寻求1种深 水立管的成本有效的解决方案。 图1 不同水深的平台结构F ig.1 Platforms for different water depth 钢悬链线立管被认为是深水立管的成本有效的解决方案,它出现于20世纪90年代中期,经过十几年的 发展,现在已经被成功应用于张力腿平台、单柱平台、半潜式平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统,水深 基金项目:教育部博士点基金项目(20050423002)资助 收稿日期:2006-04-06;修订日期:2006-06-02 作者简介:黄维平(1954-),男,教授。E -mai l:w phuang@https://www.doczj.com/doc/a25627431.html, 第36卷 第5期 2006年9月 中国海洋大学学报 PERIODICAL OF OCEAN UNIVERSITY OF CHINA 36(5):775~780Sept.,2006