余志兵;何宁;高嵩
【摘 要】柔性立管是深水油气田开发中连接水下生产系统和浮式装置最重要的部分.文中着重介绍了柔性立管的结构分类与特点,分别对柔性立管附属构件及形态的布置方式作了描述,同时还对柔性立管的全局系统分析、疲劳分析及局部分析等方法所涉及的重要技术要点进行了阐述,并重点比较和分析了不同立管构造形态的优缺点.柔性立管的特点及对环境条件的良好适应性,使其在深水油气田开发工程中得到广泛应用. 【期刊名称】《管道技术与设备》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】3页(P28-30)
【关键词】柔性立管;深水;系统分析;局部分析
【作 者】余志兵;何宁;高嵩
【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452
【正文语种】中 文
【中图分类】TE95
1972年，海洋柔性管就开始在石油工业领域得到使用。起初，受限于技术问题，它仅被用在海况较好的油田海域中，随着柔性管技术的迅猛发展，设计和安装了许多不同尺寸的柔性管系统，其复杂度、总长度以及水深都在迅速增长，据统计，目前，柔性管的最大应用水深可达到8 000 ft(1 ft=0.304 8 m)，管径范围从2″(1″=2.54 cm)到19″不等，所承受的最大设计压力可达到15 000 psi(1 psi=6.895 kPa)，最大操作温度为130 ℃.深水工程中使用的柔性管一般用作动态立管，通常用来连接水下PLEM与浮式生产系统(如FSO、FPSO、TLP等)[1-2]。另外，柔性管还具有静态立管、静态输送管、水下跨接管及膨胀接头等多种用途。
我不是谁的偶像随着全球深水油气资源开发活动的日益俱增，柔性立管的应用越来越普遍。文中着重介绍
了柔性管的结构特点、附属件及悬挂方式，对柔性立管全局系统分析、疲劳分析及局部分析设计中重要技术要求进行了阐述，并重点比较和分析了不同柔性立管构造形态的优缺点。
1．1 结构与特点深圳长城光纤
柔性管是由不同材料构成的复合结构，根据各层结合方式大致分为粘结和无粘结两种结构。其中，粘结柔性管主要是合成橡胶和金属材料粘合在一起，结构简单但工艺复杂；而无粘合柔性管主要是聚合物和金属材料组成，层间允许滑动，其中外层和内管为聚合物材料，保证流体完整性[3]。由于柔性管道具有抵抗大变形、抗腐蚀、安装方便、可回收等优点，在海洋石油工程中应用范围越来越大。海洋深水柔性管常用无粘合柔性管[4]，如图1所示。
1．2 柔性管的附属件
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柔性管终端构件是柔性管与其他结构(或柔性管)连接的重要组成结构，主要功能是将柔性管铠装层的荷载传递到其他支撑结构上，同时能保证聚合层的密封性，如图2所示。
为形成柔性立管懒波形状，需要在其底部安装浮力块。浮力块主要由两部分组成：内置卡子与复合泡沫体。另外，为防止柔性立管在与浮式结构顶部连接位置发生过度弯曲，常会用到弯曲加强件，它可以加大柔性立管的刚度，防止立管承受过大弯曲且超过最小许用弯曲半径而导致破坏。
系统设计包括全局静态和动态分析，需考虑的荷载包括功能荷载、环境荷载和偶然荷载。
2．1 全局静态分析
全局静态分析的主要目的是确定立管的初始构造形态，悬链线的长度和浮力筒的布置数量，分析中须考虑船舶定位位置的水深、水下设施连接位置等基础数据。此阶段可以通过对系统进行静态优化设计，以便大致确定一些关键参数，如最小许用弯曲半径、上悬链线与海床的间距等。
泥土的微笑2．2 全局动态分析
全局动态分析应综合考虑静态荷载和动态荷载的共同作用，动态荷载主要包括立管顶端的运动、支撑结构的运动、波浪及海流、管道附属设备的水动力、海生物。
2．2．1 极值分析
极值分析需考虑立管在正常操作及非正常操作条件下的两种工况。为了验证和优化立管的形态设计，还应对浮体系泊缆在完好无损及断开状态下分别进行考虑。极值分析过程需要重点考查一些相关的环境条件的影响，如变化的波流重现期、方向及船首和船尾的相对位置等，有时还应考虑海生物、立管的介质密度及浮力损失等因素的影响。
2．2．2 敏感性分析
微旋风敏感性分析是为了验证立管系统的整体适应性，通常考虑一些主要的载荷工况，如端部构件的最大悬挂力、最小许用弯曲半径、最小立管张力及与海床碰撞。实际上，此分析通过改变海床的摩擦系数、水质点动力系数、船首相对来流的方向等控制参数来执行。另外，敏感性分析还应该重点关注波浪周期、海生物的影响、水质点动力系数、浮力损失的影响。
2．2．3 干涉分析
当相邻立管具有不同的结构形式和水动力半径时，受内部流体和外部环境载荷的共同作用，
进行立管之间的干涉分析尤为关键。通过干涉分析，可以确定立管悬挂角和分离角，核算立管之间或立管与船体系泊之间在沿着水深方向的最小间距。
尽管立管设计应该避免立管与系泊缆之间的接触，但对于具有同样尺寸和方向布置的立管，在撞击荷载和机率均很小的前提下，它们之间存在接触是可以接受的。
2．3 疲劳分析
柔性立管最易发生疲劳破坏的位置通常位于顶部悬挂区域。一般通过增加1个弯曲刚度加强件或者1个钟型口来防止立管过渡弯曲。
因柔性立管的动态运动，其累积疲劳问题可能无法避免。柔性管的金属层及承压铠装层受应力水平的变化，通常决定着立管的使用寿命。一般情况下，安全系数10会被用到累积疲劳损伤的计算当中。当然也可以使用比较小的系数，这需要依赖立管破坏的方式及后果。
局部分析包括柔性立管管体的截面分析和立管附属构件的有限元分析。其中，附属构件主要包括弯曲刚度加强件、终端部件、弯曲限制器及钟型口等。
立管形态的选择取决于它在整个油田项目的开发模式。不同的形态构造具有不同的力学特性，它能使立管在海床触地点位置的运动得到衰减。对于深水油田项目，通常优先考虑采用自由悬链线形式。当然也可以根据海域水深条件、浮式结构运动、立管的布置及水下连接设施等特点，选择经济且满足生产需求的形态构造，如懒波型或带有中水浮筒的懒波型等。
立管系统形态构造设计是一个反复过程。首先，需要根据环境、介质等基本数据，假设立管的初步动态形态布置，然后展开深入分析，对不满足设计条件的假设形态，还需进行下一个形态构造的选择，继续加以分析。现对常见的立管形态进行对比分析，如表1所示。
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流花11-1油田位于珠江口区块，该海域平均水深为305 m．油田开发采用深水全海式方式。该油田生产设施包括1座半潜式浮式生产系统(FPS)、1个浮式生产/储卸油装置(FPSO)、单点系泊、海底管道和水下井口系统。海底管道包括2根内径为13.5″的生产软管，1根内径为6″的计量软管，3根软管均按静态平管和动态立管进行设计，设计压力为12.4 MPa，设计温度为85 ℃，路由长度总计约为2.6 km，管线起点为南海挑战号FPS，终点为南海胜利号FPSO.3根软管均通过FPSO内转塔的I-Tube与工艺管线相连接。
这3条柔性立管截面结构共分9层，由内到外依次为：互锁内管支架、内管、Z型钢筋螺旋管、防磨损胶带、首层抗拉钢筋、防磨损胶带、第二层抗拉钢筋、高强度胶带及外管。图3为柔性管截面结构。
鉴于该海域恶劣的环境条件及FPSO存有过大的垂向运动，并考虑到水深条件和工程经济性，该项目的3条柔性立管均按懒波形态布置，如图4所示。
在进行立管整体分析时，水深空间内的立管布置为设计最大难点。从油田设施的总体布局看，3条柔性立管的路由走向基本一致，因此立管的布置不仅要充分考虑与FPSO内转塔上部工艺设施的合理对接，还需要对它们之间的干涉或碰撞进行评估。
流花11-1项目柔性立管+水下生产系统+浮式结构的开发模式是目前完成的在技术上实用、经济上可行的海洋石油深水工程的一种创新举措，该技术的应用将会为油田开发起到推广与借鉴。
文中主要介绍了柔性立管的结构特点及整体系统分析、疲劳分析和安装分析中所要重点关注的技术问题，此外还介绍了柔性立管的主要设计规范和软件。柔性立管经过了几十年的
发展，技术已十分成熟，从目前全球深水油田开发模式来看，它仍属于一种比较新型的深水立管系统，但具有特点及对环境条件的良好适应性，柔性管将在深水油气田开发工程中得到广泛应用。
【相关文献】
[1] BINDINGSBΦ A U，SLAGSVOLD L．Flexible Risers for the Future．21th Internal Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering，2002：285-289．
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