顶部张紧力立管的初步设计.doc

顶部张紧力立管的初步设计摘要立管 (Riser)系统是指连接海底井口与浮式平台之间的导管，主要用途是生产、采油、注水和修井、完井等。本文主要在对顶部张紧力立管存基本结构介绍的基础上，对其存在的力学问题进行了阐述。在此基础上，以顶部张紧力立管的概念设计为基础，主要阐述了顶部张紧力立管的顶部张力的确定和立管的振动问题。可以为以后的详细设计提供支持和保障，进而为设计与制造打下的基础。引言深水油气立管系统是油气开发系统中最薄弱的构件之一。立管具有多种结构，如顶部张紧力立管（TTR），自由悬链线立管（SCR）等。深水顶部张紧力立管有干式和湿式两种生产形式。主要种类有钻井立管，生产立管，注水管和及输入输出管。虽然立管的用途不同，但立管的组成结构基本相同。由于TLP和Spar平台的垂荡运动较小，因此TTR立管多用在TLP和Spar平台中。世界上最早的顶部张紧力立管在1984年服役于英国北海浮式产油系统中的张力腿平台，到目前为止世界上已有29给平台使用顶部张紧力立管，其中17个应用于TLP平台，12个应用于Spars平台。在深水中，立管不仅要适用于深海石油开发所采用的浮体装置，而且要保证水深达到几千米的复杂海洋环境下具有一定的可靠性，并且立管所受的荷载相当复杂且很难确定，会对立管造成破坏。这不仅使工程本身蒙受损失，而且可能造成严重的次生灾害，造成石油泄漏，污染环境。因此，开展深水立管系统的研究和设计对于深水油田的安全高效开发具有重要经济意义。正文1.立管的基本结构深水立管是通过各段立管节的连接起来的。为了改变立管的力学性能，其中一些节要经过特殊的设计。一般TTR立管节一根长大约50-70尺。TTR主体结构由中级别的高强度钢建造。由于钛的力学性能，机械性能优越，在一些关键部位使用钛建造。TTR主要由张力系统、标准立管节、张力节、伸缩节(telescopic joint)、keel节、锥形节/应力节（TSJ）、tie-back连接等组成。 图1.1 TTR组成TTR区别于SCR是需要足够顶张力来保持立管垂直，水太深时张紧系统无法提供所需要的顶张力。1500m水深可能是TTR一个瓶颈问题。TTR设计中要考虑顶张力多大，如果不能提供或者响应不满足怎样要求浮筒以及浮筒配置。1.1组成1.标准立管节标准立管节由主管和辅助管线组成。2 张力系统平台或钻井船和立管的连接是张力连接。张力系统功能是维持立管张力要求和补偿立管的竖向运动缺失的张力。张紧装置中的张力环和张力节都是一个局部加强结构。张力环的作用是连接主管和张力装置。张力节是传递张力到立管顶部。3 Keel jointKeel joint的作用是防止立管受到由于浮体水平位移而引起的过大弯矩及过大的弯曲应力。4 锥形节/应力节（taper/stress joint） TSJ是一种锥形的变截面立管节，开始一段是直管，与标准立管的直径相同，然后逐渐的变厚。主要作用在于在一个可控制的程度范围内分散弯曲荷载，是弯曲应力降低到可接受的范围内。5 柔性节（flexible joint）柔性节提供了一个柔性的连接，平台或钻井船在移动时，可以使柔性节下的管段减小位移或相对保持不动，可以起到减小力矩的作用。 图1.2 完整的立管节 1.3 液压气动式张紧装置 图1.4 Keel节6 涡激振动抑制装置深水立管涡激振动的抑制装置有strake和fairing两种。Strake价格便宜，但它增加了阻力。Fairing阻力比，拖曳力也比较小，但是价格比较贵。 图1.6 stake 图1.7 fairing 图1.9 法兰连接7 立管的连接TTR的连接方式主要是法兰连接和螺纹连接。其中最常用的是法兰连接。 1.2 管径的选择2000米到2500米水深的管道一般选用6寸至10寸的管径；1500米到2000米选用12寸管径；1000米到1500米选用14寸管径；1000米到1500米管径为16寸。（1寸=3.33厘米）1.3立管间距在极限流、浪的情况下的影响，相邻立管发生碰撞。一般管与管的距离为管的2-5倍管径（表面间的距离）。2顶部张紧力立管的基本概念2.1 立管所受的主要荷载深水立管主要受到波浪、海流、风暴涌、自重、平台（或船体）水平漂移，平台（或船体）吃水的误差、损伤条件等各种环境因素和极端工况的影响。立管内部还有高压的油或气流通过。在冰区的水面附近，立管还受到海冰的冲击作用。立管受到的这些荷载中既有横向的还有纵向的荷载，因此立管受到的是拉伸与弯曲的组合变形及轴力和弯曲应力。 图2.1 TTR所受荷载 图2.2 TTR的力学模型2.1 TTR立管的力学模型由于立管在水下是基本垂直的，可以将立管看成是有压力的薄壁细长杆件，TTR立管模型简化成欧拉压杆的力学模型。在浅水区域，由于采用固定式平台并且立管比较短，一般将立管固定在平台腿上。在深水条件下，立管的弯曲刚度很小（），固有频率变小，立管变柔，自重将使其失稳。无论管内压力是否变化，临界力不变，就像软水管，给内部水加压并不能使软水管直立。经计算得，当水深超过150米时，此时立管自重将使其失稳。随着水深的增加及立管的最小许用直径和壁厚的限制，为了避免立管屈服和使立管保持平衡，由安装在平台上的拉力装置在立管顶部施加较大的拉力，即顶部张紧力。2.1.1 顶部张紧力顶张力的作用一是可以支持立管的重量，使立管保持垂直状态，避免立管在外力下失稳；二是防止立管底部的压力过大，增加顶部张紧力可显著减小立管弯矩、立管底部球铰转角，立管的横向变形，改变立管的固有频率；三是抑制涡击振动，避免由于涡激振动而造成的立管过大的弯曲应力等作用。四是立管竖向运动也要求顶张力补偿缺失的张力。当水深更深时，达到1000米或大于1000米的深水钻井而言，只是单纯的增加顶部张紧力将使立管顶端局部产生过大的轴向应力，增加立管的应力水平。发生强度破坏等问题。2.1.2 浮筒由于受立管的强度限制，立管可承受的顶张力有限。因此，除了采用顶部张紧力外，还要为立管添加浮筒。浮筒通过自己的浮力为立管提供竖直向上的拉力。同时，浮筒能减弱立管的竖向和水平位移。但是浮筒将导致立管受到更大的涡激振动的影响，同时给立管的安装造成很多不方便，造成工程的费用增加。3. 立管顶部张紧力的确定一般有两种方法确定立管顶部张紧力，一是将立管顶部张力分为两部分，静张力和动张力；另一种方法就是根据影响立管顶部张力的相关参数，直接确定顶部张力。3.1 方法一顶部张力可看作两部分，静张力和动张力。动张力是一个随时间变化的力。3.1.1 静张力静张力分为两部分：（1）由自重和立管浮力引起的立管张力 （3.1）（2）作用在立管上的流体内外压 （3.2）而管壁面积，为钢的密度，为海水密度。图3.1 立管结构立管的水上部分相对较小，假设代入A.1和A.2得 （3.3） （3.4）整理（3.3）和（3.4）得，静张力为 （3.5）一般来说，静张力以立管在水中的自重的倍数来表达。这个倍数叫顶部做张力因数。3.5写为 （3.6）3.1.2 动张力动张力是一随时间变化的力，是由平台或船体的运动而引起的，它的频率与只船体或平台的运动频率有关，与海流或波浪的频率无关。顶部静张力对立管的轴向振动没有影响，它只是引起立管的一个伸长量，相当于一个初始静位移。动张力则是外激励项。3.1.2.1 固端立管的动张力 立管被简化成一个有无穷轴向刚度的刚性直杆，轴向认为是无限刚度的，顶部的轴向力的变化是平台轴向运动的完全线性函数。有效张力的动张力 （3.7）其中是立管张力系统的纵向的劲度系数。因此总的有效张力为 （3.8）3.2 固支立管沿立管轴向的有效张力其中，假定平台的垂向运动3.1.2.2 自由悬挂立管的动张力 平台的垂向运动给立管一个质量加速度。这可以解释为一个作用在立管上的附加重力加速度。令为平台垂向运动。 （3.9）因此总的有效张力为 （3.10）其中，为水中立管的单位长度的重量，为干式立管的单位长度的重量。3.3 自由悬挂立管沿轴线的有效张力其中，假定平台的垂向运动3.2 方法二立管顶部张力（）与轴向伸长量（）、立管的表重和立管内部压力温度的关系为 （3.11）其中，是立管轴向刚度，是立管表重的函数（，为立管管重，为内部流体重量，为排开液体重量），是立管压力和温度变化的函数（，为热膨胀系数）。（5.17）可写成 （3.12）3.2.1 立管的伸长量图3.4由图3.4可得立管升降（）、立管伸长量（）和平台升降()的关系为 （3.13）从小角度位移理论得，平台的升降为： 在常张力作用下，偏移引起的立管升降为：其中，和是立管顶部和底部张力，w是立管单位长度的表重。代入（3.13）中，得到由于平台运动引起的立管伸长量为 （3.14）其中为张力因素，。通过计算立管的伸长量就可以计算出立管的顶部张力。若考虑立管添加的浮筒，就在式中减去浮筒的浮力，其中 浮筒的净浮力， 由于浮筒的弹性变形，长期海水的吸收和制造误差导致浮筒的损失和公差系数（一般为0.96）。3.3 顶部张紧力的应用3.3.1 计算管壁张力计算出顶部张力后，根据立管的垂向的平衡，计算出立管断面上的有效张力，再由公式，进而得出管壁上的张力。 图3.5 有效张力示意图 图3.6 管壁张力 图3.7 立管最大下垂点3.3.2 最大下垂点一旦最终张力（）确定，最大的下垂点的位置和大小可以得出。在最大下垂点的张力（）为 （3.15）最大下垂点的位置（L）为 （3.16）最大下垂值为 （3.17）弯曲刚度（EI）对立管的外形和升沉没有影响。3.3.3 立管顶部张力变化引起的立管伸长量.平台的水平位移（）将引起立管张力的从初始张力（）增加到最终张力（）。张力增加到是，立管伸长量为 （3.18）其中是带有张力装置立管的轴向刚度（）。4. 立管的振动问题4.1 立管横向运动方程假设：立管的倾斜和弯曲较小；立管变形较小；应力应变关系式线性关系。则运动控制方程写为(4.1)其中，EI是弯曲刚度，是真实张力（重力减浮力），横截面面积，流体压力，立管单位长度质量（，钢密度），内部流体单位长度上的质量（，内部流体密度），单位长度的附加质量（， 附加质量系数，海水密度），作用在立管上单位长度的外加力。方程中第一项为由于立管弯曲引起的水平力，第二项为由于为重力和浮力提供的张力一起的水平力，第三项为作用在立管上的内外压引起的水平力，第四项为立管的惯性和环流引起的水平力。由前面阐述，有效张力由两部分组成，真实张力和作用在立管上的静水压力。因此，代入（4.1）中得， （4.2）对于不同的立管模型结构，有效张力的表达方式不同，运动方程有不同的形式，计算出的立管振动频率和各阶模态也不同。模型模型1（常张力）模型2模型3（自由悬挂立管）运动方程边界条件（参数：外直径0.48米，壁厚0.015米，立管长1500米）表 4-1模型1是一种纯理想状态，但是由于模型简单，与真实情况相差不大，常用模型1做立管有关计算。长度（m）150015001500顶部张力(KN)2197.322856.503955.18固有频率（rad/s）0.1360.1550.182通过算例可以看到顶部张力T对弯曲振动固有频率的影响。在深水条件下，立管的弯曲刚度变小，固有频率变小，也就是变柔了。通过在轴向施加顶张力可增大固有频率，相当于增大了弯曲刚度。结论以上通过对国内外石油开发设计过程的分析，介绍了张紧力立管（TTRs）在深水开发的初步设计和分析流程及在初步设计中需要考虑的一些关键因素。目前在我国海洋石油工业由浅水走向深水的过程中，希望本文提出的设计流程和分析方法、设计理念能对海洋石油管道的设计者有所帮助。参考文献1 宋儒鑫.深水开发中的海底管道和海洋立管.船舶工业技术经济信息第218期.2“典型平台概念设计研究”课题组.典型深水顶部张紧立管的设计方法.中国造船.3 畅元江.深水顶部张紧钻井隔水管非线性静力分析.中国海上油气.4 王丹丹. 水下立管载荷与运动计算分析:(硕士学位论文).大连:大连理工大学,2006.5 Mateusz Podskarbi Karan Kakar. Global to Local Model Interface for Deepwater Top Tension Risers.6 baiyong. Subsea Pipelines and Risers.2005年7 Mehrdad Mortazavi R.Brad Campbell Carl R.Brinkmann. Modeling and Analysis of Top-Tensioned Risers.