頂部張緊力立管的初步規(guī)劃設計

頂部張緊力立管初步設計摘要立管(Riser)系統(tǒng)是指連接海底井口與浮式平臺之間導管，重要用途是生產、采油、注水和修井、完井等。本文重要在對頂部張緊力立管存基本構造簡介基本上，對其存在力學問題進行了闡述。在此基本上，以頂部張緊力立管概念設計為基本，重要闡述了頂部張緊力立管頂部張力擬定和立管振動問題。可覺得后來詳細設計提供支持和保障，進而為設計與制造打下基本。引言深水油氣立管系統(tǒng)是油氣開發(fā)系統(tǒng)中最薄弱構件之一。立管具備各種構造，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形式。重要種類有鉆井立管，生產立管，注水管和及輸入輸出管。雖然立管用途不同，但立管構成構造基本相似。由于TLP和Spar平臺垂蕩運動較小，因而TTR立管多用在TLP和Spar平臺中。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油系統(tǒng)中張力腿平臺，到當前為止世界上已有29給平臺使用頂部張緊力立管，其中17個應用于TLP平臺，12個應用于Spars平臺。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，并且要保證水深達到幾千米復雜海洋環(huán)境下具備一定可靠性，并且立管所受荷載相稱復雜且很難擬定，會對立管導致破壞。這不但使工程自身蒙受損失，并且也許導致嚴重次生災害，導致石油泄漏，污染環(huán)境。因而，開展深水立管系統(tǒng)研究和設計對于深水油田安全高效開發(fā)具備重要經濟意義。正文1.立管基本構造深水立管是通過各段立管節(jié)連接起來。為了變化立管力學性能，其中某些節(jié)要通過特殊設計。普通TTR立管節(jié)一根長大概50-70尺。TTR主體構造由中級別高強度鋼建造。由于鈦力學性能，機械性能優(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)/應力節(jié)（TSJ）、tie-back連接等構成。圖1.1TTR構成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設計中要考慮頂張力多大，如果不能提供或者響應不滿足如何規(guī)定浮筒以及浮筒配備。1.1構成1.原則立管節(jié)原則立管節(jié)由主管和輔助管線構成。2張力系統(tǒng)平臺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)定和補償立管豎向運動缺失張力。張緊裝置中張力環(huán)和張力節(jié)都是一種局部加強構造。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力。4錐形節(jié)/應力節(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分散彎曲荷載，是彎曲應力減少到可接受范疇內。5柔性節(jié)（flexiblejoint）柔性節(jié)提供了一種柔性連接，平臺或鉆井船在移動時，可以使柔性節(jié)下管段減小位移或相對保持不動，可以起到減小力矩作用。圖1.2完整立管節(jié)1.3液壓氣動式張緊裝置圖1.4Keel節(jié)6渦激振動抑制裝置深水立管渦激振動抑制裝置有strake和fairing兩種。Strake價格便宜，但它增長了阻力。Fairing阻力比，拖曳力也比較小，但是價格比較貴。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、風暴涌、自重、平臺（或船體）水平漂移，平臺（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力。圖2.1TTR所受荷載圖2.2TTR力學模型2.1TTR立管力學模型由于立管在水下是基本垂直，可以將立管當作是有壓力薄壁細長桿件，TTR立管模型簡化成歐拉壓桿力學模型。在淺水區(qū)域，由于采用固定式平臺并且立管比較短，普通將立管固定在平臺腿上。在深水條件下，立管彎曲剛度很?。ǎ逃蓄l率變小，立管變柔，自重將使其失穩(wěn)。無論管內壓力與否變化，臨界力不變，就像軟水管，給內部水加壓并不能使軟水管直立。經計算得，當水深超過150米時，此時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、立管底部球鉸轉角，立管橫向變形，變化立管固有頻率；三是抑制渦擊振動，避免由于渦激振動而導致立管過大彎曲應力等作用。四是立管豎向運動也規(guī)定頂張力補償缺失張力。當水深更深時，達到1000米或不不大于1000米深水鉆井而言，只是單純增長頂部張緊力將使立管頂端局部產生過大軸向應力，增長立管應力水平。發(fā)生強度破壞等問題。2.1.2浮筒由于受立管強度限制，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。但是浮筒將導致立管受到更大渦激振動影響，同步給立管安裝導致諸多不以便，導致工程費用增長。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，靜張力和動張力；另一種辦法就是依照影響立管頂部張力有關參數，直接擬定頂部張力。3.1辦法一頂部張力可看作兩某些，靜張力和動張力。動張力是一種隨時間變化力。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外壓（3.2）而管壁面積，為鋼密度，為海水密度。圖3.1立管構造立管水上某些相對較小，假設代入[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來表達。這個倍數叫頂部做張力因數。[3.5]寫為（3.6）3.1.2動張力動張力是一隨時間變化力，是由平臺或船體運動而引起，它頻率與只船體或平臺運動頻率關于，與海流或波浪頻率無關。頂部靜張力對立管軸向振動沒有影響，它只是引起立管一種伸長量，相稱于一種初始靜位移。動張力則是外勉勵項。3.1.2.1固端立管動張力立管被簡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軸向運動完全線性函數。有效張力動張力（3.7）其中是立管張力系統(tǒng)縱向勁度系數。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，假定平臺垂向運動3.1.2.2自由懸掛立管動張力平臺垂向運動給立管一種質量加速度。這可以解釋為一種作用在立管上附加重力加速度。令為平臺垂向運動。（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，假定平臺垂向運動3.2辦法二立管頂部張力（）與軸向伸長量（）、立管表重和立管內部壓力溫度關系為（3.11）其中，是立管軸向剛度，是立管表重函數（，，為立管管重，為內部流體重量，為排開液體重量），是立管壓力和溫度變化函數（，為熱膨脹系數）。（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（）和平臺升降()關系為（3.13）從小角度位移理論得，平臺升降為：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，得到由于平臺運動引起立管伸長量為（3.14）其中為張力因素，。通過計算立管伸長量就可以計算出立管頂部張力。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致浮筒損失和公差系數（普通為0.96）。3.3頂部張緊力應用3.3.1計算出頂部張力后，依照立管垂向平衡，計算出立管斷面上有效張力，再由公式，進而得出管壁上張力。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3.3.2最大下垂點一旦最后張力（）擬定，最大下垂點位置和大小可以得出。在最大下垂點張力（）為（3.15）最大下垂點位置（L）為（3.16）最大下垂值為（3.17）彎曲剛度（EI）對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.立管振動問題4.1立管橫向運動方程假設：立管傾斜和彎曲較??；立管變形較??；應力應變關系式線性關系。則運動控制方程寫為(4.1)其中，EI是彎曲剛度，是真實張力（重力減浮力），橫截面面積，流體壓力，立管單位長度質量（，鋼密度），內部流體單位長度上質量（，內部流體密度），單位長度附加質量（，附加質量系數，海水密度），作用在立管上單位長度外加力。方程中第一項為由于立管彎曲引起水平力，第二項為由于為重力和浮力提供張力一起水平力，第三項為作用在立管上內外壓引起水平力，第四項為立管慣性和環(huán)流引起水平力。由前面闡述，有效張力由兩某些構成，，真實張力和作用在立管上靜水壓力。因而，代入（4.1）中得，（4.2）對于不同立管模型構造，有效張力表達方式不同，運動方程有不同形式，計算出立管振動頻率和各階模態(tài)也不同。模型模型1（常張力）模型2模型3（自由懸掛立管）運動方程邊界條件（參數：外直徑0.48米，壁厚0.015米，立管長1500米）表4-1模型1是一種純抱負狀態(tài)，但是由于模型簡樸，與真實狀況相差不大，慣用模型1做立管關于計算。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對彎曲振動固有頻率影響。在深水條件下，立管彎曲剛度變小，固有頻率變小，也就是變柔了。通過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。結論以上通過對國內外石油開發(fā)設計過程分析，簡介了張緊力立管（TTRs）在深水開發(fā)初步設計和分析流程及在初步設計中需要考慮某些核心因素。當前在國內海洋石油工業(yè)由淺水走向深水過程中，但愿本文提出設計流程和分析辦法、設計理念能對海洋石油管道設計者有所協(xié)助。參照文獻[1]宋儒鑫.深水開發(fā)中海底管道和海洋立管.船舶工業(yè)技術經濟信息第218期.[2]“典型平臺概念設計研究”課題組.典型深水頂部張緊立管設計辦法.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