頂部張緊力立管的初步規(guī)劃設(shè)計(jì)

頂部張緊力立管初步設(shè)計(jì)摘要立管(Riser)系統(tǒng)是指連接海底井口與浮式平臺(tái)之間導(dǎo)管，重要用途是生產(chǎn)、采油、注水和修井、完井等。本文重要在對(duì)頂部張緊力立管存基本構(gòu)造簡(jiǎn)介基本上，對(duì)其存在力學(xué)問題進(jìn)行了闡述。在此基本上，以頂部張緊力立管概念設(shè)計(jì)為基本，重要闡述了頂部張緊力立管頂部張力擬定和立管振動(dòng)問題?？捎X得后來詳細(xì)設(shè)計(jì)提供支持和保障，進(jìn)而為設(shè)計(jì)與制造打下基本。引言深水油氣立管系統(tǒng)是油氣開發(fā)系統(tǒng)中最薄弱構(gòu)件之一。立管具備各種構(gòu)造，如頂部張緊力立管（TTR），自由懸鏈線立管（SCR）等。深水頂部張緊力立管有干式和濕式兩種生產(chǎn)形式。重要種類有鉆井立管，生產(chǎn)立管，注水管和及輸入輸出管。雖然立管用途不同，但立管構(gòu)成構(gòu)造基本相似。由于TLP和Spar平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)較小，因而TTR立管多用在TLP和Spar平臺(tái)中。世界上最早頂部張緊力立管在1984年服役于英國北海浮式產(chǎn)油系統(tǒng)中張力腿平臺(tái)，到當(dāng)前為止世界上已有29給平臺(tái)使用頂部張緊力立管，其中17個(gè)應(yīng)用于TLP平臺(tái)，12個(gè)應(yīng)用于Spars平臺(tái)。在深水中，立管不但要合用于深海石油開發(fā)所采用浮體裝置，并且要保證水深達(dá)到幾千米復(fù)雜海洋環(huán)境下具備一定可靠性，并且立管所受荷載相稱復(fù)雜且很難擬定，會(huì)對(duì)立管導(dǎo)致破壞。這不但使工程自身蒙受損失，并且也許導(dǎo)致嚴(yán)重次生災(zāi)害，導(dǎo)致石油泄漏，污染環(huán)境。因而，開展深水立管系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)對(duì)于深水油田安全高效開發(fā)具備重要經(jīng)濟(jì)意義。正文1.立管基本構(gòu)造深水立管是通過各段立管節(jié)連接起來。為了變化立管力學(xué)性能，其中某些節(jié)要通過特殊設(shè)計(jì)。普通TTR立管節(jié)一根長大概50-70尺。TTR主體構(gòu)造由中級(jí)別高強(qiáng)度鋼建造。由于鈦力學(xué)性能，機(jī)械性能優(yōu)越，在某些核心部位使用鈦建造。TTR重要由張力系統(tǒng)、原則立管節(jié)、張力節(jié)、伸縮節(jié)(telescopicjoint)、keel節(jié)、錐形節(jié)/應(yīng)力節(jié)（TSJ）、tie-back連接等構(gòu)成。圖1.1TTR構(gòu)成TTR區(qū)別于SCR是需要足夠頂張力來保持立管垂直，水太深時(shí)張緊系統(tǒng)無法提供所需要頂張力。1500m水深也許是TTR一種瓶頸問題。TTR設(shè)計(jì)中要考慮頂張力多大，如果不能提供或者響應(yīng)不滿足如何規(guī)定浮筒以及浮筒配備。1.1構(gòu)成1.原則立管節(jié)原則立管節(jié)由主管和輔助管線構(gòu)成。2張力系統(tǒng)平臺(tái)或鉆井船和立管連接是張力連接。張力系統(tǒng)功能是維持立管張力規(guī)定和補(bǔ)償立管豎向運(yùn)動(dòng)缺失張力。張緊裝置中張力環(huán)和張力節(jié)都是一種局部加強(qiáng)構(gòu)造。張力環(huán)作用是連接主管和張力裝置。張力節(jié)是傳遞張力到立管頂部。3KeeljointKeeljoint作用是防止立管受到由于浮體水平位移而引起過大彎矩及過大彎曲應(yīng)力。4錐形節(jié)/應(yīng)力節(jié)（taper/stressjoint）TSJ是一種錐形變截面立管節(jié)，開始一段是直管，與原則立管直徑相似，然后逐漸變厚。重要作用在于在一種可控制限度范疇內(nèi)分散彎曲荷載，是彎曲應(yīng)力減少到可接受范疇內(nèi)。5柔性節(jié)（flexiblejoint）柔性節(jié)提供了一種柔性連接，平臺(tái)或鉆井船在移動(dòng)時(shí)，可以使柔性節(jié)下管段減小位移或相對(duì)保持不動(dòng)，可以起到減小力矩作用。圖1.2完整立管節(jié)1.3液壓氣動(dòng)式張緊裝置圖1.4Keel節(jié)6渦激振動(dòng)抑制裝置深水立管渦激振動(dòng)抑制裝置有strake和fairing兩種。Strake價(jià)格便宜，但它增長了阻力。Fairing阻力比，拖曳力也比較小，但是價(jià)格比較貴。圖1.6stake圖1.7fairing圖1.9法蘭連接7立管連接TTR連接方式重要是法蘭連接和螺紋連接。其中最慣用是法蘭連接。1.2管徑選取米到2500米水深管道普通選用6寸至10寸管徑；1500米到米選用12寸管徑；1000米到1500米選用14寸管徑；1000米到1500米管徑為16寸。（1寸=3.33厘米）1.3立管間距在極限流、浪狀況下影響，相鄰立管發(fā)生碰撞。普通管與管距離為管2-5倍管徑（表面間距離）。2．頂部張緊力立管基本概念2.1立管所受重要荷載深水立管重要受到波浪、海流、風(fēng)暴涌、自重、平臺(tái)（或船體）水平漂移，平臺(tái)（或船體）吃水誤差、損傷條件等各種環(huán)境因素和極端工況影響。立管內(nèi)部尚有高壓油或氣流通過。在冰區(qū)水面附近，立管還受到海冰沖擊作用。立管受到這些荷載中既有橫向尚有縱向荷載，因而立管受到是拉伸與彎曲組合變形及軸力和彎曲應(yīng)力。圖2.1TTR所受荷載圖2.2TTR力學(xué)模型2.1TTR立管力學(xué)模型由于立管在水下是基本垂直，可以將立管當(dāng)作是有壓力薄壁細(xì)長桿件，TTR立管模型簡(jiǎn)化成歐拉壓桿力學(xué)模型。在淺水區(qū)域，由于采用固定式平臺(tái)并且立管比較短，普通將立管固定在平臺(tái)腿上。在深水條件下，立管彎曲剛度很?。ǎ?，固有頻率變小，立管變?nèi)?，自重將使其失穩(wěn)。無論管內(nèi)壓力與否變化，臨界力不變，就像軟水管，給內(nèi)部水加壓并不能使軟水管直立。經(jīng)計(jì)算得，當(dāng)水深超過150米時(shí)，此時(shí)立管自重將使其失穩(wěn)。隨著水深增長及立管最小許用直徑和壁厚限制，為了避免立管屈服和使立管保持平衡，由安裝在平臺(tái)上拉力裝置在立管頂部施加較大拉力，即頂部張緊力。2.1.1頂部張緊力頂張力作用一是可以支持立管重量，使立管保持垂直狀態(tài)，避免立管在外力下失穩(wěn)；二是防止立管底部壓力過大，增長頂部張緊力可明顯減小立管彎矩、立管底部球鉸轉(zhuǎn)角，立管橫向變形，變化立管固有頻率；三是抑制渦擊振動(dòng)，避免由于渦激振動(dòng)而導(dǎo)致立管過大彎曲應(yīng)力等作用。四是立管豎向運(yùn)動(dòng)也規(guī)定頂張力補(bǔ)償缺失張力。當(dāng)水深更深時(shí)，達(dá)到1000米或不不大于1000米深水鉆井而言，只是單純?cè)鲩L頂部張緊力將使立管頂端局部產(chǎn)生過大軸向應(yīng)力，增長立管應(yīng)力水平。發(fā)生強(qiáng)度破壞等問題。2.1.2浮筒由于受立管強(qiáng)度限制，立管可承受頂張力有限。因而，除了采用頂部張緊力外，還要為立管添加浮筒。浮筒通過自己浮力為立管提供豎直向上拉力。同步，浮筒能削弱立管豎向和水平位移。但是浮筒將導(dǎo)致立管受到更大渦激振動(dòng)影響，同步給立管安裝導(dǎo)致諸多不以便，導(dǎo)致工程費(fèi)用增長。3.立管頂部張緊力擬定普通有兩種辦法擬定立管頂部張緊力，一是將立管頂部張力分為兩某些，靜張力和動(dòng)張力；另一種辦法就是依照影響立管頂部張力有關(guān)參數(shù)，直接擬定頂部張力。3.1辦法一頂部張力可看作兩某些，靜張力和動(dòng)張力。動(dòng)張力是一種隨時(shí)間變化力。3.1.1靜張力靜張力分為兩某些：（1）由自重和立管浮力引起立管張力（3.1）（2）作用在立管上流體內(nèi)外壓（3.2）而管壁面積，為鋼密度，為海水密度。圖3.1立管構(gòu)造立管水上某些相對(duì)較小，假設(shè)代入[A.1]和[A.2]得（3.3）（3.4）整頓（3.3）和（3.4）得，靜張力為（3.5）普通來說，靜張力以立管在水中自重倍數(shù)來表達(dá)。這個(gè)倍數(shù)叫頂部做張力因數(shù)。[3.5]寫為（3.6）3.1.2動(dòng)張力動(dòng)張力是一隨時(shí)間變化力，是由平臺(tái)或船體運(yùn)動(dòng)而引起，它頻率與只船體或平臺(tái)運(yùn)動(dòng)頻率關(guān)于，與海流或波浪頻率無關(guān)。頂部靜張力對(duì)立管軸向振動(dòng)沒有影響，它只是引起立管一種伸長量，相稱于一種初始靜位移。動(dòng)張力則是外勉勵(lì)項(xiàng)。3.1.2.1固端立管動(dòng)張力立管被簡(jiǎn)化成一種有無窮軸向剛度剛性直桿，軸向以為是無限剛度，頂部軸向力變化是平臺(tái)軸向運(yùn)動(dòng)完全線性函數(shù)。有效張力動(dòng)張力（3.7）其中是立管張力系統(tǒng)縱向勁度系數(shù)。因而總有效張力為（3.8）3.2固支立管沿立管軸向有效張力其中，假定平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)3.1.2.2自由懸掛立管動(dòng)張力平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)給立管一種質(zhì)量加速度。這可以解釋為一種作用在立管上附加重力加速度。令為平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)。（3.9）因而總有效張力為（3.10）其中，為水中立管單位長度重量，為干式立管單位長度重量。3.3自由懸掛立管沿軸線有效張力其中，假定平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)3.2辦法二立管頂部張力（）與軸向伸長量（）、立管表重和立管內(nèi)部壓力溫度關(guān)系為（3.11）其中，是立管軸向剛度，是立管表重函數(shù)（，，為立管管重，為內(nèi)部流體重量，為排開液體重量），是立管壓力和溫度變化函數(shù)（，為熱膨脹系數(shù)）。（5.17）可寫成（3.12）3.2.1立管伸長量圖3.4由圖3.4可得立管升降（）、立管伸長量（）和平臺(tái)升降()關(guān)系為（3.13）從小角度位移理論得，平臺(tái)升降為：在常張力作用下，偏移引起立管升降為：其中，和是立管頂部和底部張力，w是立管單位長度表重。代入（3.13）中，得到由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起立管伸長量為（3.14）其中為張力因素，。通過計(jì)算立管伸長量就可以計(jì)算出立管頂部張力。若考慮立管添加浮筒，就在式中減去浮筒浮力，其中浮筒凈浮力，由于浮筒彈性變形，長期海水吸取和制造誤差導(dǎo)致浮筒損失和公差系數(shù)（普通為0.96）。3.3頂部張緊力應(yīng)用3.3.1計(jì)算出頂部張力后，依照立管垂向平衡，計(jì)算出立管斷面上有效張力，再由公式，進(jìn)而得出管壁上張力。圖3.5有效張力示意圖圖3.6管壁張力圖3.7立管最大下垂點(diǎn)3.3.2最大下垂點(diǎn)一旦最后張力（）擬定，最大下垂點(diǎn)位置和大小可以得出。在最大下垂點(diǎn)張力（）為（3.15）最大下垂點(diǎn)位置（L）為（3.16）最大下垂值為（3.17）彎曲剛度（EI）對(duì)立管外形和升沉沒有影響。3.3.3立管頂部張力變化引起立管伸長量.平臺(tái)水平位移（）將引起立管張力從初始張力（）增長到最后張力（）。張力增長到是，立管伸長量為（3.18）其中是帶有張力裝置立管軸向剛度（）。4.立管振動(dòng)問題4.1立管橫向運(yùn)動(dòng)方程假設(shè)：立管傾斜和彎曲較小；立管變形較小；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式線性關(guān)系。則運(yùn)動(dòng)控制方程寫為(4.1)其中，EI是彎曲剛度，是真實(shí)張力（重力減浮力），橫截面面積，流體壓力，立管單位長度質(zhì)量（，鋼密度），內(nèi)部流體單位長度上質(zhì)量（，內(nèi)部流體密度），單位長度附加質(zhì)量（，附加質(zhì)量系數(shù)，海水密度），作用在立管上單位長度外加力。方程中第一項(xiàng)為由于立管彎曲引起水平力，第二項(xiàng)為由于為重力和浮力提供張力一起水平力，第三項(xiàng)為作用在立管上內(nèi)外壓引起水平力，第四項(xiàng)為立管慣性和環(huán)流引起水平力。由前面闡述，有效張力由兩某些構(gòu)成，，真實(shí)張力和作用在立管上靜水壓力。因而，代入（4.1）中得，（4.2）對(duì)于不同立管模型構(gòu)造，有效張力表達(dá)方式不同，運(yùn)動(dòng)方程有不同形式，計(jì)算出立管振動(dòng)頻率和各階模態(tài)也不同。模型模型1（常張力）模型2模型3（自由懸掛立管）運(yùn)動(dòng)方程邊界條件（參數(shù)：外直徑0.48米，壁厚0.015米，立管長1500米）表4-1模型1是一種純抱負(fù)狀態(tài)，但是由于模型簡(jiǎn)樸，與真實(shí)狀況相差不大，慣用模型1做立管關(guān)于計(jì)算。長度（m）150015001500頂部張力(KN)2197.322856.503955.18固有頻率（rad/s）0.1360.1550.182通過算例可以看到頂部張力T對(duì)彎曲振動(dòng)固有頻率影響。在深水條件下，立管彎曲剛度變小，固有頻率變小，也就是變?nèi)崃恕Ｍㄟ^在軸向施加頂張力可增大固有頻率，相稱于增大了彎曲剛度。結(jié)論以上通過對(duì)國內(nèi)外石油開發(fā)設(shè)計(jì)過程分析，簡(jiǎn)介了張緊力立管（TTRs）在深水開發(fā)初步設(shè)計(jì)和分析流程及在初步設(shè)計(jì)中需要考慮某些核心因素。當(dāng)前在國內(nèi)海洋石油工業(yè)由淺水走向深水過程中，但愿本文提出設(shè)計(jì)流程和分析辦法、設(shè)計(jì)理念能對(duì)海洋石油管道設(shè)計(jì)者有所協(xié)助。參照文獻(xiàn)[1]宋儒鑫.深水開發(fā)中海底管道和海洋立管.船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息第218期.[2]“典型平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究”課題組.典型深水頂部張緊立管設(shè)計(jì)辦法.中華人民共和國造船.[3]暢元江.深水頂部張緊鉆井隔水管非線性靜力分析.中華人民共和國海上油氣.[4]王丹丹.水下立管載荷