现代海洋开发-立管及海底管道系统6

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海洋管道的立管设计

5.2 立管的设计与受力分析-结构分析
利用有限元进行结构整体分析交变载荷下涡激振动分析疲劳分析
5.2 立管的设计与受力分析-疲劳分析
疲劳分析的目的是确保结构有足够的安全性，防止结构在计划寿命期内疲劳损坏。当结构的实际板厚超过参考板厚 tref 22mm时修正的S-N曲线：
log N
➢ 软管：一般由橡胶管，压固层，铠装层，尼龙外套组成
➢ 快速联轴节：挠性立管与浮式结构上相连的部件 ➢ 水中支撑拱架和浮筒 ➢ 立管底盘：是立管在海底的重力基座，承受立管传
来的载荷并保持在海底的稳定性。
柔性立管内部结构
柔性立管内部结构
柔性立管的铠装层
挠曲形状
自由悬链线双悬链
挠性立管
第五章海洋管道的立管设计
5.1 立管的型式与组成 5.2 立管的设计与受力分析 5.3 立管的安装
5.1 立管的型式与组成
立管的型式
上下平台立管型式
上下平台的立管型式
人工岛的立管型式
登陆立管的型式
登陆立管的型式
登陆立管的型式
深水立管系统
挠性立管
挠性立管: 挠性立管系统又叫动力管系统，有四部组成
二、海上钢平台的立管安装
1。平台装有预装构件（J 形安装）两种方法：直接牵引安装立管铺管船辅助安装立管
5.3 立管的安装
➢直接牵引安装立管：正向牵引和反向牵引；用J形管安装立管可一次成型，不需再将立管与海底管道连接，即使管道需接长，也可以在水面以上焊接，焊接质量易于保证。但用J形管安装立管时，要求J形管弯头部分弯曲半径较大，所以只适用于较深水域和较小的管径
5.3 立管的安装
2。平台没有预装构件: 采用L形立管安装构件

深水开发中的海底管道和海洋立管

深水开发中的海底管道和海洋立管
宋儒鑫
【期刊名称】《中国造船》
【年(卷),期】2002(043)0z1
【摘要】随着中国海洋石油天然气工业的发展,越来越多的油气资源在水深约500米的深水区被勘探和发现.不管用于处理的浮式装置采用什么类型,海底管道和海洋立管始终是海洋基础结构中的关键部分.本文探讨了在中国海域具有重大应用潜力的各种各样的管道和立管概念,重点论述了类型选择、工业标准、工程挑战、解决方案和海上安装.不同类型间进行了简单的对比,给出几个例子展示了所提出的概念.最后得出结论,某些管道和立管方案在中国的深水开发中是非常有潜力的和可行的.【总页数】14页(P238-251)
【作者】宋儒鑫
【作者单位】国际海洋工程师协会
【正文语种】中文
【中图分类】TE9
【相关文献】
1.深水开发中的海底管道和海洋立管 [J], 宋儒鑫
2.挠性管在深水海底管道中的应用 [J], 罗世勇; 王德军; 刘晓霞; 黄俊
3.小坡口手工电弧焊工艺在深水海底管道中的应用研究 [J], 王超
4.“海洋油气用海底管道和海洋立管管线管”专题交流会 [J], 曹静
5.863计划海洋技术领域“南海深水油气资源勘探开发关键技术和装备”重大项目“深水海底管道铺设技术”课题通过验收 [J],
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课程设计实例-海底管道立管.

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。

海底管道

第十一章
第一节
海底管道
概述
海底输油（气）管道是海上油（气）田开发生产系统的主要组成部分。它是连续地输送大量油（气）最快捷、最安全和经济可靠的运输方式。通过海底管道能把海上油（气）田的生产集输和储运系统联系起来，也使海上油（气）田和陆上石油工业系统联系起来。近几十年来，随着海上油（气）田的不断开发，海底输油（气）管道实际上已经成为广泛应用于海洋石油工业的一种有效运输手段。据资料介绍，经过几十年的不断建设，美国墨西哥湾已经建成长达约 ! " # # # $ % 的海底管道，将该海域! & # #多座大小平台和沿岸的油气处理设施连成一张四通八达的海底管网，为经济有效地开发墨西哥湾的石油资源，发挥了巨大作用。这些管道直径由 ’ ） ( % %（) * + 到( ）之间。铺设在几米到数百米深的海底。在欧洲的北海，近! ! ) ( % %（ ’ ) * + #多年来，由于许多大型天然气田的发现和开发，使远距离输送并销售天然气至西欧各国的海底管道建设发展迅速，现已建成上万公里的国际输气管网。我国海洋石油经过近) #年的开发，据统计到目前为止，已经建成的海底管道约) # # # $ % （详见表( ），其中渤海&个油（气）田建成的海底管道累计约 ( ( , ( , ( & $ %。南海 ( ! 个油（气）田铺设的海底管道累计超过 ( # # # $ %，其中从海南岛近海某气田至香港的一条直径）的海底输气管道长达& " ( ( % %（ ) & * + # # $ % 左右，是我国目前最长的一条海底管道。另外，东海某气田到上海附近铺设的一条输油、一条输气海底管道共 " ’ ( $ %，也于 ( . . . 年投入运行。

海洋立管概述PPT课件

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➢ 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)。
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➢ 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。
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➢ 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,
➢ 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。
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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；
➢ 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。
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➢ 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。
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➢ 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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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
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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。

海洋立管课程概述

具。
安装过程
定位与锚定
根据技术要求，对立管进行精确定位和锚定，确保
其稳定性和安全性。
连接与固定
将立管分段连接，并进行必要的固定，确保立管的稳定性和可靠性。
防腐处理
对立管进行防腐处理，延长其使用寿命。
检测与调试
安装完成后，对立管进行检测和调试，确保其
性能符合设计要求。
维护与保养
日常检查
定期对立管进行检查，发现异常及时处理。
监督，确保项目的安全和可靠性。同时，应建立完善的事故应对机制，
及时处理和解决问题。
05 未来海洋立管发展趋势
高强度材料的应用
高强度材料如碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料（GFRP）等，具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，能够有效减轻立管重量，提高其承载能力和使用寿命。
高强度材料的研发和应用将进一步推动海洋立管技术的进步，降低建设和维护成本，为深海油气资源的开发提供更可靠的支撑。
海洋立管制造工艺
焊接工艺
01
焊接是制造海洋立管的关键工艺之一，要求焊接质量高、强度
高、气密性好。
热处理工艺
02
热处理工艺可以提高海洋立管的机械性能和耐腐蚀性能。
无损检测
03
无损检测是确保海洋立管质量的重要手段，可以通过超声波检
测、射线检测等方法检测立管内部和表面的缺陷。
海洋立管标准与规范
1 2
API标准
海洋立管课程概述
目录
• 海洋立管简介 • 海洋立管基础知识 • 海洋立管安装与维护 • 海洋立管案例分析 • 未来海洋立管发展趋势 • 结论与建议
01 海洋立管简介
定义与功能
定义
海洋立管是用于连接海底井口和海面设施的管道系统，通常由钢制材料制成，用于输送石油、天然气等流体。

海洋立管课程概述课件 PPT

➢ 这两个立管得规范从原理上就是不仅相同,
➢ 美国石油协会得RP 2RD 就是基于许用应力方法,
➢ 而挪威船级社得OS F201 就是基于可靠性分析得荷载抗力系数法(LRFD)。
➢ 一般说来, API 得立管规范要比挪威船级社得立管规范相对保守一些。
➢ 由于美国石油协会得规范出台比较早, 因而应用得也比较广泛。
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、立管得工程设计五、立管得海上安装六、涡激振动
什么就是涡激振动(VIV)？
立管涡激振动就是导致立管疲劳破坏得主要原因
➢ 不同雷诺数条件下得涡放图
➢ 非洲西北部佛得角群岛附近天空出现得冯·卡门涡街。 ➢ 这种云漩涡在风穿过佛得角群岛时形成。
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得相关失效公式都应在管道与立管设计中考虑。极限状态得分类如下: 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得状态。
Flex 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、立管得工程设计五、立管得海上安装六、涡激振动
4、1设计得目标
最常用得海上安装方法包括: 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。

海洋管道介绍

• 封闭式集束管将多根输油管、输气管、注水管、加热管和电缆等汇集在一根大口径的运送管（承载管）内,形成保护。优点：有效避免输油管的泄露，减轻对海域的污染。缺点：工艺复杂，需要综合考虑油气田的产能和集输要求。
• 海底集束管道设计要点
1）海底集束管道输油设计 2）海底集束管道整体结构设计 3）保温和加热设计 4）垫块设计 5）隔舱壁设计 6）拖头设计 7）脐带缆设计 8）海底集束管道跨越设计
• 国外海底集束管道的应用现状
国际上应用最多的是北海、墨西哥湾和西非海域。目前世界上最大尺度的集束管道是在2000年设计安装的。外套管外径达到127mm，总长度达到14km。
1998年挪威设计、铺设的一个集束管系统
工作不到位之处敬请指点！
在内外管之间填充绝热材料,而有些新型的管中管结构会在内管与绝热材料之间设置主动加热线,以满足内管油气资源能够保持良好的流动性；内外管之间一定距离间安装扶正器。
• 深水PIP管道的关键技术
1、保温材料选择
深水：保温性能要求高、材料厚度大，多选气凝胶；
浅水：聚氨酯泡沫，减小成本； 2、热膨胀设计约束条件下由于温度与压力作用，PIP易发生膨胀屈曲，其分析需要综合考虑内外管与管土的相
已铺设总长（2000）
二、海底管道的特点
优点：
可以连续输送，受环境制约小，输油效率高，运油能力大；
海洋管道铺设工期短，投产快，管理方便，操作费用成本低。
缺点：
由于处于海底，检查与维修困难；受潮流的影响较大，对于处于潮差或波浪碎带的管段（立管），可能遭受海中漂浮物和船舶撞击或抛锚遭受破坏。
单壁管
单壁管一般都为用于长距离输送的单层保温钢管。海洋管道的钢管一般为以下三种：无缝钢管（S）、电阻焊直缝钢管（ERW）、直缝焊接钢管（UOE) 对于所用钢材的物理、化学等特性，都有规范参考，目前API为的管道材料规范被

海洋立管概述

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

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）。
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）
深海工程中的立管系统研究
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。

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”。

海洋工程中海底管道的设计与优化

海洋工程中海底管道的设计与优化一、引言随着全球化和经济发展的需求，深海油气开发愈发重要。

为了将石油、天然气等海洋资源利用率最大化，需要建设海底管道将这些能源从海底运输至陆地。

海底管道的设计与优化是深海油气开发中至关重要的环节。

本文将从海底管道的基本构造、材料选择、水动力学和防腐蚀等方面分析海底管道的设计与优化。

二、海底管道的基本构造海底管道的基本构造主要有三种，分别是单层管、双层管和多层管。

单层管由一层钢管构成，适用于较浅的海域，优点是结构简单、成本低廉，但抵御外部压力和耐久性较差。

双层管由内层钢管和外层混凝土管构成，适用于中等深度海域，具有较好的抵御外部压力和耐久性。

多层管则由多个层次构成，适用于深海区域，具有较强的耐压性和抗腐蚀能力。

三、海底管道的材料选择由于受深海环境的影响，海底管道的材料选择对管道的性能影响较大。

常用的材料有钢管、混凝土管、玻璃纤维管等。

钢管是目前最常用的材料，因其强度高、韧性好、重量轻、施工方便等优点，但其对海水的腐蚀性较强，需要进行防腐措施。

混凝土管具有较好的耐腐蚀性能，但其重量大、施工难度大、维护成本高等缺点。

玻璃纤维管轻便而且不容易腐烂，因此其在海洋环境中应用越来越广泛。

四、海底管道的水动力学海水在运动时会产生流场，对管道的稳定性和速度有很大影响。

设计优化海底管道时需要考虑流体力学和结构力学的影响。

流体力学是研究流体运动的学科，其原理包括牛顿第二定律和伯努利定理。

根据研究结果，优化管道的直径和材料，减少水动阻力和材料疲劳程度。

结构力学是研究物体变形和破坏的学科，其原理包括胡克定律和材料力学。

根据研究结果，优化管道的结构，减少疲劳程度和外部损伤。

五、海底管道的防腐蚀海洋水环境对管道腐蚀性较强，因此管道的防腐蚀工作非常重要。

防腐蚀技术主要包括涂层、阴极保护、防水化学和复合材料等。

涂层是目前最常用的防腐方法，优点是施工方便、成本低廉，但其使用寿命较短。

阴极保护是利用某些金属阳极形成一个附着在管道表面的保护膜来抵抗管道腐蚀的方法，优点是效果稳定、使用寿命长。

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课程基本信息
课程主要内容（4）
第四章立管及海底管道系统
海洋立管
所以，深水海洋立管是深水工程技
(Top Tension Riser)
¾钢悬链立管
¾(Steel Catenary Riser)
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
¾下图是西非的一个深海油田布置图该油田采用了顶部预张力立管
和塔式立管的组合作为海洋立管系统。

¾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统。

第四章立管及海底管道系统
深水开发需要新方案和新技术
RP 2RD (1998): “Design of
第四章立管及海底管道系统
第四章立管及海底管道系统
第四章立管及海底管道系统
最常用的海上安装方法包括：
J 型铺设
管道在浮式装置上使用单或双。