1、下載可編輯頂部張緊力立管的初步設(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)之間的導(dǎo)管，主要用途是生產(chǎn)、采油、注水和修井 、完井等 。 本文主要在 對(duì)頂部張緊力立管存基本結(jié)構(gòu)介紹的基礎(chǔ)上 ，對(duì)其存在的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了闡述。在此基礎(chǔ)上 ，以頂部張緊力立管的概念設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，主要闡述了頂部張緊力立管的頂部張力的確定和立管的振動(dòng)問(wèn)題 ?？梢詾橐院蟮脑敿?xì)設(shè)計(jì)提供支持和保障，進(jìn)而為設(shè)計(jì)與制造打下的基礎(chǔ)。引言深水油氣立管系統(tǒng)是油氣開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中最薄弱的構(gòu)件之一。立管具有多種結(jié)構(gòu)，如頂部張緊力立管 （ TTR），自由懸鏈線(xiàn)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。主要種類(lèi)有鉆井立管

2、，生產(chǎn)立管 ，注水管和及輸入輸出管。雖然立管的用途不同，但立管的組成結(jié)構(gòu)基本相同 。由于 TLP 和 Spar 平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)較小 ，因此 TTR立管多用在 TLP 和Spar 平臺(tái)中 。世界上最早的頂部張緊力立管在1984 年服役于英國(guó)北海浮式產(chǎn)油系統(tǒng)中的張力腿平臺(tái) ，到目前為止世界上已有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 ，立管不僅要適用于深海石油開(kāi)發(fā)所采用的浮體裝置，而且要保證水深達(dá)到幾千米的復(fù)雜海洋環(huán)境下具有一定的可靠性，并且立管所受的荷載相當(dāng)復(fù)雜且很難確定，會(huì)對(duì)立管造成破壞 。 這不僅使工程本身蒙受損失，而

3、且可能造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害，造成石油泄漏 ，污染環(huán)境 。因此 ，開(kāi)展深水立管系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)對(duì)于深水油田的安全高效開(kāi)發(fā)具有重要經(jīng)濟(jì)意義。.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯正文1.立管的基本結(jié)構(gòu)深水立管是通過(guò)各段立管節(jié)的連接起來(lái)的。為了改變立管的力學(xué)性能，其中一些節(jié)要經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)。一般 TTR 立管節(jié)一根長(zhǎng)大約50-70 尺。TTR 主體結(jié)構(gòu)由中級(jí)別的高強(qiáng)度鋼建造。由于鈦的力學(xué)性能，機(jī)械性能優(yōu)越 ，在一些關(guān)鍵部位使用鈦建造。 TTR 主要由張力系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)立管節(jié)、張力節(jié) 、伸縮節(jié)(telescopic joint)、keel 節(jié)、錐形節(jié) / 應(yīng)力節(jié)（TSJ）、 tie-bac

4、k 連接等組成 。圖 1.1 TTR 組成TTR 區(qū)別于 SCR 是需要足夠頂張力來(lái)保持立管垂直，水太深時(shí)張緊系統(tǒng)無(wú)法提供所需要的頂張力 。 1500m 水深可能是 TTR 一個(gè)瓶頸問(wèn)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(mǎn)足怎樣要求浮筒以及浮筒配置。1.1 組成1.標(biāo)準(zhǔn)立管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)立管節(jié)由主管和輔助管線(xiàn)組成。2 張力系統(tǒng).專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯平臺(tái)或鉆井船和立管的連接是張力連接。張力系統(tǒng)功能是維持立管張力要求和補(bǔ)償立管的豎向運(yùn)動(dòng)缺失的張力。張緊裝置中的張力環(huán)和張力節(jié)都是一個(gè)局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu) 。 張力環(huán)的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。3 Keel

5、jointKeel joint的作用是防止立管受到由于浮體水平位移而引起的過(guò)大彎矩及過(guò)大的彎曲應(yīng)力 。4 錐形節(jié) / 應(yīng)力節(jié)（taper/stress joint）TSJ 是一種錐形的變截面立管節(jié)，開(kāi)始一段是直管，與標(biāo)準(zhǔn)立管的直徑相同，然后逐漸的變厚。主要作用在于在一個(gè)可控制的程度范圍內(nèi)分散彎曲荷載，是彎曲應(yīng)力降低到可接受的范圍內(nèi)。5 柔性節(jié)（flexible joint）柔性節(jié)提供了一個(gè)柔性的連接，平臺(tái)或鉆井船在移動(dòng)時(shí)，可以使柔性節(jié)下的管段減小位移或相對(duì)保持不動(dòng)，可以起到減小力矩的作用。圖 1.2 完整的立管節(jié)1.3 液壓氣動(dòng)式張緊裝置圖 1.4Keel 節(jié).專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯6 渦

6、激振動(dòng)抑制裝置深水立管渦激振動(dòng)的抑制裝置有strake 和 fairing 兩種 。Strake 價(jià)格便宜 ，但它增加了阻力 。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 立管的連接TTR的連接方式主要是法蘭連接和螺紋連接。其中最常用的是法蘭連接。1.2 管徑的選擇2000 米到 2500 米水深的管道一般選用6 寸至 10 寸的管徑 ；1500 米到 2000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

7、立管間距在極限流 、浪的情況下的影響 ，相鄰立管發(fā)生碰撞 。 一般管與管的距離為管的 2-5 倍管徑（表面間的距離 ）。2頂部張緊力立管的基本概念2.1 立管所受的主要荷載深水立管主要受到波浪 、海流、風(fēng)暴涌、自重、平臺(tái)（或船體）水平漂移，平臺(tái)（或船體）吃水的誤差 、損傷條件等各種環(huán)境因素和極端工況的影響。立管內(nèi)部還有高壓的油或氣流通過(guò) 。在冰區(qū)的水面附近 ，立管還受到海冰的沖擊作用 。立管受到的這些荷載中既有橫向的還有縱向的荷載，因此立管受到的是 拉.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯伸與彎曲的組合變形及軸力和彎曲應(yīng)力。圖 2.1TTR 所受荷載圖 2.2TTR 的力學(xué)模型2.1 TTR 立管的力學(xué)

8、模型由于立管在水下是基本垂直的，可以將立管看成是有壓力的薄壁細(xì)長(zhǎng)桿件，TTR立管模型簡(jiǎn)化成歐拉壓桿的力學(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，一般將立管固定在平臺(tái)腿上 。 在深水條件下 ，立管的 彎曲剛度 很?。?kEI3），固有頻率變小 ，立l2EI不變，管變?nèi)?，自重將使其失穩(wěn) 。無(wú)論管內(nèi)壓力是否變化 ，臨界力 PE2L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(guò) 150 米時(shí)，此時(shí)立管自重將使其失穩(wěn) 。隨著水深的增加及立管的最小許用直徑和壁厚的限制，為了避免立管屈服和使立管保持平衡，由安裝在平臺(tái)上的拉力裝置在立管頂部施加較大的拉力，即頂部張緊力 。

9、2.1.1 頂部張緊力頂張力的作用 一是可以支持立管的重量，使立管保持垂直狀態(tài)，避免立管.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯在外力下失穩(wěn) ；二是防止立管底部的壓力過(guò)大，增加頂部張緊力可顯著減小立管彎矩 、立管底部球鉸轉(zhuǎn)角 ，立管的橫向變形 ，改變立管的固有頻率；三是抑制渦擊振動(dòng) ，避免由于渦激振動(dòng)而造成的立管過(guò)大的彎曲應(yīng)力等作用。四是立管豎向運(yùn)動(dòng)也要求頂張力補(bǔ)償缺失的張力。當(dāng)水深更深時(shí) ，達(dá)到 1000 米或大于1000 米的深水鉆井而言 ，只是單純的增加頂部張緊力將使立管頂端局部產(chǎn)生過(guò)大的軸向應(yīng)力 ，增加立管的應(yīng)力水平 。 發(fā)生強(qiáng)度破壞等問(wèn)題 。浮筒由于受立管的強(qiáng)度限制，立管可承受的頂張力有限。因此

10、，除了采用頂部張緊力外 ，還要為立管添加浮筒。浮筒通過(guò)自己的浮力為立管提供豎直向上的拉力。 同時(shí)，浮筒能減弱立管的豎向和水平位移。但是浮筒將導(dǎo)致立管受到更大的渦激振動(dòng)的影響，同時(shí)給立管的安裝造成很多不方便，造成工程的費(fèi)用增加。3. 立管頂部張緊力的確定一般有兩種方法確定立管頂部張緊力，一是將立管頂部張力分為兩部分，靜張力和動(dòng)張力 ；另一種方法就是根據(jù)影響立管頂部張力的相關(guān)參數(shù)，直接確定頂部張力 。3.1 方法一頂部張力可看作兩部分，靜張力和動(dòng)張力。動(dòng)張力是一個(gè)隨時(shí)間變化的力。靜張力靜張力分為兩部分 ：（ 1）由自重和立管浮力引起的立管張力Tt z.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯Tt z Fg Fb

11、 A sg s L z A sg w H（ 3.1）（ 2）作用在立管上的流體內(nèi)外壓po zpizp zw g HLz（ 3.2）而管壁面積 A sA oA i ，s 為鋼的密度 ， w 為海水密度 。圖 3.1立管結(jié)構(gòu)立管的水上部分相對(duì)較小，假設(shè) HL 代入 A.1 和 A.2得TtgAS g sswL（3.3）z F FbL z A gpoz pizp zw gz（3.4）整理（3.3）和（3.4）得，靜張力為T(mén) z T zA P zA gswL z （3.5）tss一般來(lái)說(shuō) ，靜張力以立管在水中的自重的倍數(shù)來(lái)表達(dá)。這個(gè)倍數(shù)叫頂部做張力因數(shù) 。3.5寫(xiě)為T(mén) zAs g s w ft o p

12、 t eLn z（ 3.6）動(dòng)張力動(dòng)張力是一隨時(shí)間變化的力，是由平臺(tái)或船體的運(yùn)動(dòng)而引起的，它的頻率與只船體或平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)頻率有關(guān)，與海流或波浪的頻率無(wú)關(guān)。頂部靜張力對(duì)立.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯管的軸向振動(dòng)沒(méi)有影響，它只是引起立管的一個(gè)伸長(zhǎng)量，相當(dāng)于一個(gè)初始靜位移。動(dòng)張力則是外激勵(lì)項(xiàng) 。固端立管的動(dòng)張力立管被簡(jiǎn)化成一個(gè)有無(wú)窮軸向剛度的剛性直桿，軸向認(rèn)為是無(wú)限剛度的，頂部的軸向力的變化是平臺(tái)軸向運(yùn)動(dòng)的完全線(xiàn)性函數(shù)。有效張力的動(dòng)張力S z, tS tku t（ 3.7）v e r t其中 k vert 是立管張力系統(tǒng)的縱向的勁度系數(shù)。因此總的有效張力為T(mén) z,tA sgswf topten Lzk

13、 vert u t（3.8）3.2固支立管沿立管軸向的有效張力其中，假定平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)u tAcos,t自由懸掛立管的動(dòng)張力平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)給立管一個(gè)質(zhì)量加速度。這可以解釋為一個(gè)作用在立管上的附加重力加速度 。令 u t 為平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng) 。S z, t A s sd2 ut（3.9）L z2dt.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯因此總的有效張力為2f w,02td u td uT z, tAsg s wA s sdt 2L zf w;sgdt 2L z（ 3.10）其中， f w;s 為水中立管的單位長(zhǎng)度的重量， f w ,0 為干式立管的單位長(zhǎng)度的重量。3.3 自由懸掛立管沿軸線(xiàn)的有效張力其中，假定

14、平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)u tAcos,t3.2 方法二立管頂部張力 （ Tt ）與軸向伸長(zhǎng)量 （l ）、立管的表重和立管內(nèi)部壓力溫度的關(guān)系為T(mén)tl kr i s e rF wG p t（ 3.11）其 中 ， 是 k riser 立 管 軸 向 剛 度 ， Fw是 立 管 表 重 的 函 數(shù) （ Fww a L / 2 ，w a w t w i w e ， w t 為立管管重 ， w i 為內(nèi)部流體重量， w e 為排開(kāi)液體重量 ） ， G pt是立管壓力和溫度變化的函數(shù)（ Gpt1 2PA12PAeEA t ，i ie為熱膨脹系數(shù) ）。（ 5.17）可寫(xiě)成Ttl k riserw aL / 21 2

15、 PAi i 1 2 Pe A e EA t（3.12 ）m.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯立管的伸長(zhǎng)量圖 3.4由圖 3.4 可得立管升降 （R ）、立管伸長(zhǎng)量 （l ）和平臺(tái)升降 (P)的關(guān)系為RPl（3.13）從小角度位移理論得 ，平臺(tái)的升降為 ：y t2P2L T在常張力作用下 ，偏移引起的立管升降為 ： RLo2y2t2Tt Tb1TtwlnTb其中 ， Tt 和 Tb 是立管頂部和底部張力， w 是立管單位長(zhǎng)度的表重。代入（ 3.13）中，得到由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的立管伸長(zhǎng)量為l1L 0y t2（ 3.14 ）2L T2L 0TtTblnTtwL 0wL 0Tb其中 Tt為張力因素 ， T

16、bTtwL 0 。wL 0通過(guò)計(jì)算立管的伸長(zhǎng)量就可以計(jì)算出立管的頂部張力。若考慮立管添加的浮筒，就在式中減去浮筒的浮力Bnf xt ，其中 Bn 浮筒的凈浮力 ， f bt由于浮筒的.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯彈性變形 ，長(zhǎng)期海水的吸收和制造誤差導(dǎo)致浮筒的損失和公差系數(shù)（一般為0.96）。3.3 頂部張緊力的應(yīng)用計(jì)算管壁張力計(jì)算出頂部張力后 ，根據(jù)立管的垂向的平衡，計(jì)算出立管斷面上的有效張力 Te ， 再由公式 TeTt wPi A iPe A e， 進(jìn)而得出管壁上的張 力 Ttw 。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)最大下垂點(diǎn)一旦最終張力 （ Tt final

17、 ）確定，最大的下垂點(diǎn)的位置和大小可以得出。在最大下垂點(diǎn)的張力 （ Tms ）為T(mén)mswL 0（ 3.15）Tt finallnTb final最大下垂點(diǎn)的位置 （L）為T(mén)m sT b f i n a l（ 3.16）Lw最大下垂值為.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯TmslnmsagTb finalTmsTb finaly t（3.17）Tt finalwL 0lnTb final彎曲剛度 （ EI）對(duì)立管的外形和升沉沒(méi)有影響 。3.3.3 立管頂部張力變化引起的立管伸長(zhǎng)量 .平臺(tái)的水平位移 （ y t）將引起立管張力的從初始張力（ Tt initial ）增加到最終張力（ Tt finial ）

18、。張力增加到 Tt 是，立管伸長(zhǎng)量為l (T t1（3.18 ）T t i n i t)i a lK r t其 中K r t是帶有張力裝置立管的軸向剛度1（ K r t11k riser k tens）。k riserk tensk riser k tens4. 立管的振動(dòng)問(wèn)題4.1 立管橫向運(yùn)動(dòng)方程假設(shè)：立管的傾斜和彎曲較小；立管變形較小；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式線(xiàn)性關(guān)系。則運(yùn)動(dòng)控制方程寫(xiě)為4 w z, tw z,twz,t2 w z, tEIz4zTt z,tzzA sP zzmr mf mat2f z, t(4.1)其中，EI是彎曲剛度 ， Ttz,t是真實(shí)張力 （重力減浮力 ）， A s 橫截面

19、面積， P z流體壓力 ， mr 立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量（ mr1 s Do2Di2 ， s 鋼密14度）， mf 內(nèi)部流體單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量（ mffD i2 ， f 內(nèi)部流體密度 ），1 Ca w D o24m a 單位長(zhǎng)度的附加質(zhì)量（ ma， C a附加質(zhì)量系數(shù)， w海水密4度）， fz,t 作用在立管上單位長(zhǎng)度的外加力 。.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯方程中第一項(xiàng)為由于立管彎曲引起的水平力，第二項(xiàng)為由于為重力和浮力提供的張力一起的水平力，第三項(xiàng)為作用在立管上的內(nèi)外壓引起的水平力，第四項(xiàng)為立管的慣性和環(huán)流引起的水平力。由前面闡述 ，有效張力由兩部分組成，真實(shí)張力 Tt z, t 和作用在立管上的靜

20、水壓力A sP z 。 因此 T z,tTt z,tA sP z ，代入（ 4.1）中得，4wz, twz,tmrmfma2wz,tf z, tEI4T z,tzt2zz（ 4.2）對(duì)于不同的立管模型結(jié)構(gòu)，有效張力的表達(dá)方式不同，運(yùn)動(dòng)方程有不同的形式，計(jì)算出的立管振動(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.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯（參數(shù) ：外直徑 0.48 米，壁厚 0.015 米，立管長(zhǎng) 1500 米）表 4-1模型 1 是一種純理想狀態(tài) ，但是由于模型簡(jiǎn)單 ，與真實(shí)情況相差不大 ，常用模型 1 做立管有關(guān)計(jì)算 。長(zhǎng)度（m ）150015001500.專(zhuān)業(yè) .整理 .下載可編輯頂部張力 (KN)2197.322856.503955.18