1、深海工程中的立管系統(tǒng)研究 April，26，2011,1,學(xué)習(xí)交流PPT,一、概述 二、立管設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn) 三、立管設(shè)計(jì)分析工具 四、立管的工程設(shè)計(jì) 五、立管的海上安裝 六、渦激振動(dòng),2,學(xué)習(xí)交流PPT,什么是深海？,3,學(xué)習(xí)交流PPT,適合于不同水深的平臺(tái)形式,4,學(xué)習(xí)交流PPT,適合于深水的平臺(tái),5,學(xué)習(xí)交流PPT,6,學(xué)習(xí)交流PPT,7,學(xué)習(xí)交流PPT,8,學(xué)習(xí)交流PPT,9,學(xué)習(xí)交流PPT,FPSO,10,學(xué)習(xí)交流PPT,什么是立管？ 深海立管與淺水立管的區(qū)別？,11,學(xué)習(xí)交流PPT,作為深海油氣田開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，海洋立管以其全新的形式、動(dòng)態(tài)的特性、以及高技術(shù)含量變得格外引

2、人注目。,以往淺水立管形式根本不能應(yīng)用到深水中，這使得立管技術(shù)更加的具有挑戰(zhàn)性。,12,學(xué)習(xí)交流PPT,和淺水油氣開(kāi)發(fā)相比, 海洋立管作為連接水上浮式及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的唯一關(guān)鍵結(jié)構(gòu),其在深水中的應(yīng)用更加具有獨(dú)特的挑戰(zhàn)性, 要求更強(qiáng)烈的創(chuàng)新。,13,學(xué)習(xí)交流PPT,這一點(diǎn)從比較海洋立管在淺水與深水中的概念上的不同就可以看出來(lái)。,淺水的立管都是鋼管固定在平臺(tái)的樁腿上的, 而深水中的立管卻有著各式各樣的變化, 以適用于不同的開(kāi)發(fā)需要。,14,學(xué)習(xí)交流PPT,所以，深水海洋立管是深水工程技術(shù)的核心， 還因?yàn)椋?深水的挑戰(zhàn)需要新穎的海洋立管概念； 淺水立管技術(shù)完全不適應(yīng)于深水； 全新的浮式結(jié)構(gòu)概念需要全新

3、的立管系統(tǒng)； 深水立管是整個(gè)深水油氣田開(kāi)發(fā)的最主要的界面；,15,學(xué)習(xí)交流PPT,深水立管概念的選取直接影響浮式結(jié)構(gòu)及水下系統(tǒng)的確定； 深水立管的動(dòng)態(tài)特性使其成為深水開(kāi)發(fā)中最具有挑戰(zhàn)性； 深水立管的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)反饋很少； 水深，高溫，高壓使深水立管工程更加艱難； 深水立管的特性及其響應(yīng)無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下模擬。,16,學(xué)習(xí)交流PPT,目前深水立管并沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)，但根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式及用途，可以大致主要分類(lèi)如下： 頂部預(yù)張力立管(Top Tension Riser) 鋼懸鏈立管 (Steel Catenary Riser) 柔性立管 (Flexible Riser) 塔式立管 (Hybrid

4、 Tower Riser) 鉆井立管(Drilling Riser),17,學(xué)習(xí)交流PPT,頂部預(yù)張力立管 (Top Tension Riser),18,學(xué)習(xí)交流PPT,TTR立管適用的平臺(tái),19,學(xué)習(xí)交流PPT,鋼懸鏈立管 (Steel Catenary Riser),20,學(xué)習(xí)交流PPT,21,學(xué)習(xí)交流PPT,22,學(xué)習(xí)交流PPT,柔性立管 (Flexible Riser),23,學(xué)習(xí)交流PPT,24,學(xué)習(xí)交流PPT,塔式立管 (Hybrid Tower Riser),25,學(xué)習(xí)交流PPT,26,學(xué)習(xí)交流PPT,鉆井立管 （Drilling Riser）,27,學(xué)習(xí)交流PPT,28,學(xué)習(xí)交

5、流PPT,下圖是美國(guó)墨西哥灣的一個(gè)深海油田布置圖, 該油田采用了頂部預(yù)張力立管(TTR)和鋼懸鏈立管(SCR)作為海洋立管。,29,學(xué)習(xí)交流PPT,下圖是西非的一個(gè)深海油田布置圖, 其平臺(tái)采用了立拄式和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪相結(jié)合的形式。該油田采用了頂部預(yù)張力立管(TTR),鋼懸鏈立管(SCR)和塔式立管的組合作為海洋立管系統(tǒng)。,30,學(xué)習(xí)交流PPT,下圖是西非的AKPO 深海油田立體圖, 其平臺(tái)為浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪的形式。該油田全部采用了鋼懸鏈立管(SCR)組合作為海洋立管系統(tǒng)。,31,學(xué)習(xí)交流PPT,一、概述 二、立管設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn) 三、立管設(shè)計(jì)分析工具 四、立管的工程設(shè)計(jì) 五、立管的海上安裝 六、渦

6、激振動(dòng),32,學(xué)習(xí)交流PPT,盡管立管已經(jīng)存在很多年了，但它只是在近些年來(lái)隨著深水技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步。 早期立管的主要結(jié)構(gòu)是鋼鐵生產(chǎn)管線(xiàn)的簡(jiǎn)單延伸，通常在導(dǎo)管架腿柱上夾緊。 早期的立管設(shè)計(jì)以使用不同安全系數(shù)的獨(dú)立的管道標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。,33,學(xué)習(xí)交流PPT,深水開(kāi)發(fā)需要新方案和新技術(shù)來(lái)處理在淺水開(kāi)發(fā)中遇不到的挑戰(zhàn)。為了解決深水立管技術(shù)也需要一個(gè)新型的工業(yè)立管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 第一個(gè)立管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)石油協(xié)會(huì)RP 2RD，然后是挪威船級(jí)社OS F201。,34,學(xué)習(xí)交流PPT,美國(guó)石油協(xié)會(huì)RP 2RD (1998): “Design of Risers for Floating Producti

7、on Systems and Tension Leg Platforms”, First Edition 挪威船級(jí)社OS F201 (2001): “Dynamic Risers”,35,學(xué)習(xí)交流PPT,這兩個(gè)立管的規(guī)范從原理上是不僅相同, 美國(guó)石油協(xié)會(huì)的RP 2RD 是基于許用應(yīng)力方法, 而挪威船級(jí)社的OS F201 是基于可靠性分析的荷載抗力系數(shù)法(LRFD)。,36,學(xué)習(xí)交流PPT,一般說(shuō)來(lái), API 的立管規(guī)范要比挪威船級(jí)社的立管規(guī)范相對(duì)保守一些。 由于美國(guó)石油協(xié)會(huì)的規(guī)范出臺(tái)比較早, 因而應(yīng)用的也比較廣泛。 另外一個(gè)原因就是墨西哥灣是深海開(kāi)發(fā)的先鋒, API 的規(guī)范也就自然采用的比較廣

8、泛。,37,學(xué)習(xí)交流PPT,一、概述 二、立管設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn) 三、立管設(shè)計(jì)分析工具 四、立管的工程設(shè)計(jì) 五、立管的海上安裝 六、渦激振動(dòng),38,學(xué)習(xí)交流PPT,立管的分析可以分為靜力和動(dòng)力分析。 靜力分析：使用ABAQUS 等軟件進(jìn)行的管道模型靜力分析利用大位移效應(yīng)、材料非線(xiàn)性、邊界非線(xiàn)性來(lái)處理非線(xiàn)性問(wèn)題，如連接、滑動(dòng)和摩擦（管道/海床相互作用）。,39,學(xué)習(xí)交流PPT,對(duì)于立管系統(tǒng)，靜力分析確定了整體結(jié)構(gòu)如頂端懸掛角度、總懸掛長(zhǎng)度、著陸點(diǎn)（TDP）。這些可以通過(guò)使用ABAQUS 或前面所述的專(zhuān)用立管軟件來(lái)完成。,40,學(xué)習(xí)交流PPT,對(duì)于立管系統(tǒng)，由于浮式裝置的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流

9、）動(dòng)力影響始終存在。 動(dòng)力分析：動(dòng)力分析通常研究管道或立管系統(tǒng)的非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)。 動(dòng)力分析應(yīng)該在動(dòng)力影響存在的情形下進(jìn)行，如漁船拖網(wǎng)板與管道相撞、管道熱膨脹、地震對(duì)管道影響。,41,學(xué)習(xí)交流PPT,立管的FEA 模型中應(yīng)該特別注意下列非線(xiàn)性特性：,材料非線(xiàn)性 幾何非線(xiàn)性 邊界非線(xiàn)性（摩擦、滑動(dòng)、管道土壤相互作用等）,42,學(xué)習(xí)交流PPT,下面列出的是用于立管分析的已高度商業(yè)化和知名的工業(yè)軟件： Riflex : Norwegian Marine Technology Center (Marintek) Flexcom 3D : MCS International (Ireland) Orcaf

10、lex : Orcina Ltd. (UK) SHEAR7 : MIT (USA),43,學(xué)習(xí)交流PPT,一、概述 二、立管設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn) 三、立管設(shè)計(jì)分析工具 四、立管的工程設(shè)計(jì) 五、立管的海上安裝 六、渦激振動(dòng),44,學(xué)習(xí)交流PPT,4.1設(shè)計(jì)的目標(biāo) 滿(mǎn)足政府、規(guī)范要求，滿(mǎn)足功能和運(yùn)行要求 選擇最簡(jiǎn)單、成本最低的類(lèi)型 避免立管之間的碰撞 安裝方便,45,學(xué)習(xí)交流PPT,4.2 設(shè)計(jì)階段 1、概念設(shè)計(jì) 該階段設(shè)計(jì)的主要目的是確定技術(shù)可行性，確定下一設(shè)計(jì)階段所需的信息，進(jìn)行資本和進(jìn)度估計(jì)。這經(jīng)常稱(chēng)作“方案選擇”。,46,學(xué)習(xí)交流PPT,2、初步設(shè)計(jì) 該階段的主要任務(wù)是進(jìn)行材料選擇和確定壁厚；確

11、定生產(chǎn)管線(xiàn)和立管的尺寸；執(zhí)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)檢查；準(zhǔn)備MTO 和授權(quán)應(yīng)用?；痉桨感枰谶@個(gè)階段定稿，也稱(chēng)作“定義階段”。,47,學(xué)習(xí)交流PPT,3、詳細(xì)設(shè)計(jì) 該階段的所有設(shè)計(jì)工作需要足夠詳細(xì)以進(jìn)行采購(gòu)和制造。而且，工程過(guò)程、說(shuō)明書(shū)、準(zhǔn)備MTO、測(cè)試、勘測(cè)和制圖需要全面開(kāi)展。這個(gè)階段也稱(chēng)作工程“執(zhí)行階段”。,48,學(xué)習(xí)交流PPT,4.3 設(shè)計(jì)流程 設(shè)計(jì)流程的主要目的是以運(yùn)行數(shù)據(jù)（如設(shè)計(jì)壓力和溫度、油田數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)確定最優(yōu)化的管道和立管設(shè)計(jì)參數(shù)。,49,學(xué)習(xí)交流PPT,50,學(xué)習(xí)交流PPT,51,學(xué)習(xí)交流PPT,52,學(xué)習(xí)交流PPT,1、 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)文件 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)文件（DBD）提供了管理管道、立

12、管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的手段，重點(diǎn)控制設(shè)計(jì)的改變。設(shè)計(jì)原理的目的是提供基本原理、一系列一致的數(shù)據(jù)、用于指定工程開(kāi)發(fā)的合理要求和設(shè)計(jì)。,4.4 設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵組成部分,53,學(xué)習(xí)交流PPT,2、材料選擇 立管最常用的材料是從碳鋼（如美國(guó)石油協(xié)會(huì)5L 規(guī)格，等級(jí)X52-X70 和更高）到特種鋼（也就是合金鋼，如13%鉻）的鋼材。下列因素決定了材料的選擇： 成本 抗侵蝕能力 重力要求 焊接性能,54,學(xué)習(xí)交流PPT,3、強(qiáng)度分析,所有依據(jù)極限狀態(tài)用公式表達(dá)的相關(guān)失效公式都應(yīng)在管道和立管設(shè)計(jì)中考慮。極限狀態(tài)的分類(lèi)如下： 工作極限狀態(tài)（SLS） 最大極限狀態(tài)（ULS） 疲勞極限狀態(tài)（FLS） 意外極限狀態(tài)（ALS

13、）,55,學(xué)習(xí)交流PPT,工作極限狀態(tài)（SLS）：如果超越就會(huì)導(dǎo)致管道不能正常運(yùn)行的狀態(tài)。,56,學(xué)習(xí)交流PPT,最大極限狀態(tài)（ULS）：如果超越就會(huì)危及管道和立管完整性的狀態(tài)。包括爆裂、局部彎曲、整體彎曲、不穩(wěn)定破裂和塑性破壞。,57,學(xué)習(xí)交流PPT,疲勞極限狀態(tài)（FLS）：計(jì)算由環(huán)境載荷、運(yùn)行條件、VIV、浮式裝置運(yùn)動(dòng)等引起的累積循環(huán)載荷。 意外極限狀態(tài)（ALS）：由意外載荷引起，如漁船拖網(wǎng)板撞擊、墜落物體等。,58,學(xué)習(xí)交流PPT,進(jìn)行極限狀態(tài)設(shè)計(jì)檢查時(shí)應(yīng)考慮不同階段和考慮事項(xiàng)，包括： 暫時(shí)安裝階段； 壓力測(cè)試（充水和水壓測(cè)試）； 管道運(yùn)行（產(chǎn)品輸送、設(shè)計(jì)壓力和溫度）；,59,學(xué)習(xí)交流P

14、PT,設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題,接觸面（Interface）設(shè)計(jì) 總體布置設(shè)計(jì) 疲勞分析 耦合分析,60,學(xué)習(xí)交流PPT,61,學(xué)習(xí)交流PPT,一、概述 二、立管設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn) 三、立管設(shè)計(jì)分析工具 四、立管的工程設(shè)計(jì) 五、立管的海上安裝 六、渦激振動(dòng),62,學(xué)習(xí)交流PPT,最常用的海上安裝方法包括： J 型鋪設(shè) S 型鋪設(shè) 卷筒鋪設(shè) 拖曳,63,學(xué)習(xí)交流PPT,J 型鋪設(shè),焊接在浮式裝置上進(jìn)行，但由于在一個(gè)場(chǎng)所進(jìn)行，速度慢。 管道脫離角度非常接近于垂直，所以張力較小。 主要用于深水。 不需船尾托管架。 所有操作都在垂直方向完成，穩(wěn)定性是一個(gè)難題。 典型鋪設(shè)速度是1-1.5 千米/天。,64,學(xué)習(xí)交流

15、PPT,管道在浮式裝置上使用單或雙接頭進(jìn)行裝配。 需要一個(gè)可達(dá)100 米長(zhǎng)的托管架，它可以具有單一的部件是剛性的，或者具有2 個(gè)或3 個(gè)鉸接的部件。 必須處理非常高的張力。 有水深限制，因?yàn)椋?更大水深更長(zhǎng)的托管架穩(wěn)定性喪失 更大水深更高的張力更大的風(fēng)險(xiǎn) 典型鋪設(shè)速度約3.5 千米/天。,S 型鋪設(shè),65,學(xué)習(xí)交流PPT,卷筒鋪設(shè),管道在岸上的受控環(huán)境中焊接，然后連續(xù)地纏繞在浮式裝置上直到全部 完成或達(dá)到最大容量。 張力減少很多，因此與S 型鋪設(shè)相比可以更好地控制。 對(duì)可處理的覆層類(lèi)型有限制。 存在局限性，通常是由關(guān)系到裝載能力的容積引起。 需要岸上基地的支持。 典型鋪設(shè)速度可高達(dá)1 千米/小

16、時(shí)，平均約600 米/小時(shí)。,66,學(xué)習(xí)交流PPT,管道或立管束在岸上制造（垂直和平行）。 在車(chē)間里可以獲得很好的焊接質(zhì)量。 靈活的制造進(jìn)度表與海上進(jìn)度表沒(méi)有沖突。 可使用非常廉價(jià)的拖船。 可使用各種各樣的拖曳方法（水面、水面下、CDTM、底部拖曳）。 可安裝長(zhǎng)度有限制。 需要三艘拖船用于安裝（但是廉價(jià)）。 由于它非常大的重力所以在海床上非常穩(wěn)定（不需挖溝）。,拖曳,67,學(xué)習(xí)交流PPT,68,學(xué)習(xí)交流PPT,安裝設(shè)備概述,69,學(xué)習(xí)交流PPT,70,學(xué)習(xí)交流PPT,一、概述 二、立管設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn) 三、立管設(shè)計(jì)分析工具 四、立管的工程設(shè)計(jì) 五、立管的海上安裝 六、渦激振動(dòng),71,學(xué)習(xí)交流PPT,什么是渦激振動(dòng)（VIV）？ 立管渦激振動(dòng)是導(dǎo)致立管疲勞破壞的主要原因,72,學(xué)習(xí)交流PPT,不同雷諾數(shù)條件下的渦放圖,73,學(xué)習(xí)交流PPT,非洲西北部佛得角群島附近天空出現(xiàn)的馮卡門(mén)渦街。 這種云漩渦在風(fēng)穿過(guò)佛得角群島時(shí)形成。,74,學(xué)習(xí)交流PPT,渦激運(yùn)動(dòng)（VIM