深水立管設計標準中內波作用的分析與探討?

李效民，崔 鵬，張 莉，郭海燕

(1. 中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100； 2. 山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

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深水立管設計標準中內波作用的分析與探討?

李效民1，崔 鵬1，張 莉2，郭海燕1

(1. 中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100； 2. 山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

深水立管的設計、建造以及安裝都必須依據相關規范進行，中國當前尚未出臺專門針對立管設計的相關標準，現階段還是以參考國外規范為主。本文首先對立管設計、安裝中涉及的相關規范和工業標準進行介紹，論述當前國外API、ABS和DNV設計規范中關于深水立管環境條件及其載荷的相關規定，然后針對中國南海等海域普遍存在的內波現象，分析了內波尤其是內孤立波對頂張力立管的影響，結果表明，內孤立波會引起立管較大的位移以及較高的應力幅值，需要在設計分析中加以考慮。最后對中國在引入API、ABS和DNV等相關規范設計深水立管時提出相應的建議，以期為南海海域油氣開發中立管的設計提供參考。

立管規范； 內波； 頂張力立管； 極值響應

隨著陸地油氣資源的不斷消耗，包括ExxonMobile、BP和Shell公司在內的世界各大石油公司在油氣勘探的主攻方向上，已實現由陸地、淺水到深水海域找油的戰略轉移。當前世界已探明的油氣資源主要分布在墨西哥灣、巴西海域和西非海域，然而隨著新的深水油氣田的不斷發現，亞洲，尤其是南中國海和澳大利亞海域正在成為新的深水油氣產區。數據顯示，南海海域蘊藏含油氣構造200多個，油氣田約180個，大概在230億～300億t之間，約占中國石油總資源量的1/3。

為適應深海油氣勘探開發，一系列新型順應式海洋平臺如張力腿平臺(TLP)、Spar平臺等以及各種浮式儲油裝置(FPSO)繼1950年代相繼出現并得到應用。2012年5月9日，隨著中國首座自主設計、建造的第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”的鉆頭在南海荔灣6-1區域1500m深的水下探入地層，我國海洋石油工業深水戰略邁出了實質性的一步。而不管采用何種類型的平臺型式開發海洋油氣田，都需要使用海洋立管，如輸送油氣的立管，平臺上的鉆探、采油、注水立管等。作為油氣資源勘探開發必不可少的立管系統，上端連接于海面浮式平臺，下端則連接于海底井口，除了上下端外中間部分再無其他任何固定支撐，因此整個立管完全處于各種海洋環境載荷作用中。各種海洋環境條件均會對深海立管的各種海洋各種海洋環境條件均會對深海立管的安全性和作業效率產生很大的影響，必須對其所處各種海洋環境下的動力響應性能進行深入研究。

所有的浮式結構物及其附屬管線結構的設計、分析、建造以及安裝都必須依據相關的設計建造規范，然而中國當前尚未出臺專門針對海洋立管設計的相關標準，現階段還是以參考國外API、ABS和DNV等相關標準或推薦操作規程為主。本文首先對立管的相關規范和工業標準進行分析，探討當前國外設計規范API、ABS和DNV中關于深水立管環境載荷的相關規定，指出各規范對內波作用都缺乏足夠重視。然后介紹我國南海等海域常見的內波現象，依據內孤立波Kdm-KdV方程結合改進的Morison公式，分析了內孤立波對頂張力立管的影響，最后對中國在引入API、ABS和DNV等相關規范設計深水立管時提出相應的建議，以期為立管的設計提供參考。

1 立管規范和工業標準介紹

1.1 API規范

API是美國石油學會(American Petroleum Institute)的英文縮寫，關于海洋立管的設計標準主要有APIRP2RD[1]。APIRP2RD是關于浮式生產系統(FPS)和張力腿平臺立管的設計規范。該標準第四章設計荷載和環境(Design loads and conditions)指出了需要考慮的各種荷載(見表1)。

從表1中以及APIRP2RD中4.2條指出在設計FPS立管時需考慮的環境荷載有表面波浪、海流、船體運動、地震和冰荷載。其中對前3種載荷進行了較為詳細的介紹。“4.2.2.1波浪(Surface waves)”節指出由于海面狀況的不規律特性，常用一些波浪的統計參數來描述海況，例如浪高、峰值周期譜(Spectral peak period)、形狀譜(Spectral shape)和方向性。波浪也會引起與立管相連的的FPS船體的振動，船體的運動又會對立管產生影響。“4.2.2.2 流(Current)”節中指出來流對立管產生橫向作用，對FPS產生偏移。流可能是由風、潮汐、海洋環流、渦泄以及內部波浪產生。設計者應該將各種流和浪進行組合以獲取設計荷載。“4.2.2.3 駁船運動(Vessel motions)”節指出FPS操作船將環境荷載的響應直接傳遞給立管的頂端，船體偏移和運動組成立管的靜力荷載和動力荷載。

表1 立管載荷Table 1 Riser loads

1.2 船級社規范

除了API外，還有相當多國家的船級社對立管的設計有相關規定，如美國船級社(ABS)的Subsea Riser System[2]以及挪威船級社(DNV)的DNV-RP-C205 Environmental Conditions and Environmental Loads[3]、DNV-OS-F201 Dynamic Riser[4]和DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems[5]等同樣適用于立管的設計。

美國船級社成立于1862年，屬非政府組織，主要致力于為公共利益和客戶需求服務，通過開發和驗證海洋相關設施的設計、建造和操作標準，保護生命、財產和自然環境的安全。 Subsea Riser System中對水下立管系統的設計進行了詳細規定，其中第二章第二節關于環境載荷中指出立管所受主要載荷包括風、浪、流及其風浪流聯合作用、潮汐、附著微生物、地震、海冰等。

挪威船級社的海洋標準系列是建立在挪威船級社長期積累的經驗和研究工作上的中立技術標準，代表了挪威船級社在近海結構和系統的設計和施工上成功經驗。挪威船級社海洋標準可以獨立使用，也可作為挪威船級社海洋工程分類和認證服務的基本要求。DNV-RP-C205對海洋結構物設計中需要考慮的環境狀況和環境荷載進行了最為詳細的論述，文中指出海洋結構物所受到的最主要荷載包括風、浪、流、潮汐，同時也強調在某些特殊情況下，海冰、地震、海床條件、溫度、結垢、能見度成為設計中考慮的重要因素。DNV-OS-F201是關于海洋立管動力分析的技術標準規范，指出對于立管的動力設計主要包括波、流以及浮體運動。DNV-OS-F101對水下管線系統設計中需考慮的因素、設計前提和文件、載荷及相關設計判別標準等進行了詳細論述；在SEC.3章C節環境條和SEC.4章C節環境載荷對需要考慮的環境條件風、潮汐、波浪、海流、海冰、空氣和海水溫度、附著微生物及其引起的載荷進行了說明。

1.3 各規范相關內容分析

從以上提及的各個規范或操作規程中可以看出，在進行立管設計時需要考慮的環境條件雖然各有差異，但歸納起來主要有風、浪、流、潮汐、浮體運動以及海冰、地震、海床條件、溫度、附著微生物等，然而在這些環境條件中都未考慮內波的影響。需要指出的是，DNV-OS-F101中SEC.3章C節201條指出能夠削弱立管系統功能或者降低立管可靠性和安全性的環境現象都應該給予考慮，雖然有提及內波及其他由于水密度差異引起的效應，但并未對該環境現象及其對引起的立管載荷進行論述。APIRP2RD中4.2.2.2條“流(Current)”中對由內波(Internal wave)引起的海流亦有提及，但同樣沒有關于內波的進一步闡述。

DNV-RP-C205指出那些能夠對結構引起強度破壞、影響操作或者干擾航行的自然現象都應該進行考慮。同時也強調在特殊情況下，某些現象如海冰、地震、海床條件、溫度、結垢、能見度可能成為設計中考慮的重要因素。那么內波同樣可能成為必不可少的考慮因素之一，然而這些并沒有包含在該推薦規程中。

當前國外規范中之所以未對內波引起足夠重視，主要原因在于當前世界主要海洋石油產區墨西哥灣、巴西海域和西非海域內波很少發生。然而中國南海海域廣闊、海底地形復雜，水深較深，海面和海底存在溫差，密躍層和溫躍層常年存在，海水穩定均勻層化，當有內潮波經過劇烈變化的地形時，就會形成內孤立波，中國南海北部海域內孤立波十分活躍，南海深水油氣田開發必須考慮內波對海洋結構物的作用。

2 內波及其對立管的作用

2.1 內波

實際上海洋中海水密度在垂向上是連續分層的，當有擾動源存在時，不僅會產生表面模態的波浪，而且在流體的內部還會產生內波模態的水波。海洋內波可以同時向深海區和淺水區傳播，在特殊地形下，內波會裂變產生大振幅內孤立波。內孤立波在傳播過程中產生的擾動將會導致海水的強烈福聚和突發性的海流，上層海流速度可達2.5m/s，下層海流每達也可達1.5m/s，上下反向強烈海流對水中結構物引起巨大剪切力，將會對各種海洋結構物造成嚴重威脅。

中國南海內孤立波具有流速較強、振幅較大的特點。孫文俊和沈斌堅[6]描述了 “東方紅2”號試驗船漂航狀態下的軌跡圖(見圖1)。2007年7月20日2∶45～3∶20, 一個強度很大的內孤立波自東向西傳播, 3000t 的試驗船在短短的20min內向西漂航1160m左右, 平均漂流速度達到近1m/s。

圖1 漂航狀態下內波經過時的軌跡圖(單位:°)Fig.1 GPS track when internal wave passing by

立管貫穿于整個海洋水深范圍內，因此不論其發生深度如何，必然經受包括內孤立波在內的內波作用。海洋內孤立波在其傳播過程中會引起海水的強剪切流動，不僅會對海洋立管結構產生很大的沖擊載荷，而且還會導致其產生大幅度的運動，當內波引起立管的這種大變形效應與海流引起的立管大變形效應疊加等耦合現象時，很可能會引發立管的突然斷裂等災難性事故，對立管的安全和正常運行造成直接的破壞作用。下文將主要針對內孤立波對深水頂張力立管的作用展開分析。

2.2 內孤立波作用力數值模擬

在大多數情況下，海洋中海水密度的垂向分布可以近似認為是兩層結構，即水體由密度不同的兩層構成，兩層之間的密度躍層厚度很小從而可以忽略。這種近似雖然簡單，但卻是一般中、低緯度淺海區域春夏秋三季層化狀況的粗略近似[7]。本文采用兩層密度分布模型來模擬內孤立波，假定上層海水密度和深度分別為ρ1和h1，下層海水密度和深度分別為ρ2和h2，水深h=h1+h2，內孤立波振幅為η0(見圖2)，設定未擾動的兩層流體界面處為OXY平面，坐標原點在兩層流體界面處，內孤立波沿OX軸正向傳播。

圖2 內孤立波及其參數定義Fig.2 Schematic of internal solitary wave and its parameters

在大多數情況下, 內孤立波的波長遠大于立管的直徑,于是對于模態數較低的內孤立波，其特征波長L較大,使得D/L≤0.15 能夠滿足，可以采用Morison公式模擬內孤立波對立管的作用，如下式所示。

(1)

3 內孤立波作用下頂張力立管動力響應分析

3.1 立管運動方程

假定頂張力立管在初始位置時垂直，以立管未變形的位形為Z軸，向上為正，取立管底部為坐標原點，X軸水平向右為正，Y軸垂直紙面向里為正。僅考慮立管受內孤立波來流向的荷載，因而立管的變形和內孤立波引起的流速都在XOZ平面發生。同時假定管內流體以恒定速度V流動，內孤立波沿OX軸正向傳播。立管運動方程可寫為如下形式[8-9]：

(2)

其中：mr,mi和ma分別為單位長度立管質量,內部流體質量,外部流體附加質量；C為結構阻尼；C′為水動力阻尼，C′=ρeCDDu，u為周圍流體的速度(這其中包括了波浪、內孤立波引起的水質點的運動速度以及海流速度)；Te為立管的有效張力；f′為流體作用力，

(3)

3.2 立管動力響應分析

本文以蔡樹群等[10]1992年在南海北部一孤立子內波的實測資料為參數計算立管動力響應。具體參數如下：上層水深h1=60m，密度ρ1=1025kg/m3；下層水深h2=412m、密度ρ2=1028kg/m3，內孤立波振幅η0=75m，持續時間T=1100s。在計算的初始時刻，內孤立波波谷距立管軸線1250m。立管參數見表2。

表2 頂張力立管參數Table 2 Parameters of top tension riser

引入上述內孤立波和立管參數，編制Matlab程序計算南海實測內孤立波作用下頂張力立管的動力響應。圖3是頂張力立管3個不同節點位置(分別為上層流體中點、兩層交界面和下層流體中點)的順流向位移時程圖，水平坐標為時間，縱坐標為相對立管位移值。從圖中可以看出，立管的順流向位移在波谷到達之前，隨著內孤立波速度的增大而逐漸增大；當內孤立波波谷傳播至立管處時 (即T/2)，立管全長位移達到最大；之后由于內孤立波作用的逐漸減小，內孤立波引起的上下層流速均逐漸減小，立管的位移也逐漸減小，直至最后回到靜力平衡的位形。在此內孤立波作用時間內，內孤立波作用像是一個緩慢但巨大的沖擊力，會引起立管較大的位移，從而對立管安全造成很大的威脅。

圖4為立管在3個不同深度處節點上的應力時程圖，可以看到在內孤立波經過時，立管的應力發生明顯波動。上層流速范圍內立管應力比下層流速范圍內立管應力大。當內孤立波波谷經過立管時，在深度32m處出現了全長的最大應力121.6MPa。立管位移最大和應力最大并未出現在同一深度處。

圖3 不同深度節點處的位移時程圖

表3 計算了振幅從45～85m的內孤立波作用下立管的最大位移和應力，從表中可以發現，內孤立波的振幅對立管的響應有顯著影響，大振幅內孤立波作用下立管會產生較大的位移響應和應力幅值，這將會對立管的在位安全運行產生嚴重威脅。

圖4 不同深度節點處的應力時程圖

表3 不同振幅下立管最大位移和應力Table 3 Max displacement and stress for different amplitude of internal solitary wave

4 結語

從當前API、ABS和DNV各個規范或操作規程中對立管的相關規定內容可以看出，都未對內波現象及其對立管的作用引起足夠重視。本文通過對內孤立波作用下深水頂張力立管的動力響應分析，可以看出頂張力立管在內孤立波經過時，相對較薄層流體部分的順流向位移和應力明顯大于較厚層流體部分的位移和應力。立管鄰近兩層流體的交界面處發生最大順流向位移，發生剪切破壞的可能性較大。因此內波尤其是內孤立波對立管的作用不可忽視，建議中國在引用API、ABS和DNV相關規范在對立管進行設計時要充分考慮內波尤其是內孤立波的影響。

[1] American Petroleum Institute. API RP 2RD. Design of Risers for Floating Production Systems (FPSs) and Tension-Leg Platforms (TLPs) [S]. American：American Petroleum Institute, 2006.

[2] American Bureau of Shipping. Guide For Building and Classing Subsea Riser System [S]. American：American Bureau of Shipping, 2008.

[3] Det Norske Veritas. Recommended Practice DNV-RP-C205, Environmental Conditions and Environmental Loads [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2010.

[4] Det Norske Veritas. Offshore Standard DNV-OS-F201, Dynamic Riser [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2010.

[5] Det Norske Veritas. Offshore Standard DNV-OS-F101, Submarine Pipeline Systems [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2012.

[6] 孫文俊, 沈斌堅.海洋內波ADCP 監測技術研究 [J]. 熱帶海洋學報, 2010, 29(4): 170-173.

[7] 方欣華, 杜濤. 海洋內波基礎和中國海內波 [M]. 青島： 中國海洋大學出版社, 2005.

[8] Guo Haiyan, Li Xiaomin, Liu Xiaochun. Numerical prediction of vortex induced vibrations on top tensioned riser in consideration of internal flow [J]. China Ocean Engineering, 2008,22(4): 675-682.

[9] 張莉, 郭海燕, 李效民.南海內孤立波作用下頂張力立管極值響應研究 [J].振動與沖擊, 2013, 32(10): 100-104.

[10] 蔡樹群, 甘子鈞, 龍小敏.南海北部孤立子內波的一些特征和演變 [J].科學通報, 2001, 46(15): 245-250.

責任編輯 陳呈超

Analysis and Discussion on the Effect of Internal Wave in the Design Standard of Marine Risers

LI Xiao-Min1, CUI Peng1, ZHANG Li2, GUO Hai-Yan1

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2. College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

The design, construction and installation of marine risers must be based on related specifications. While there are no related specifications in China at present and mainly reference for foreign standards. The related codes and industrial standards in the design and installation of marine risers are introduced and the environmental conditions and environmental loads related to deep-sea riser in the code of API, ABS and DNV are introduced. Then the attentive focus is put on the internal wave phenomenon commonly exist in South China Sea and the effect of internal wave especially the internal solitary wave on the top tension riser (TTR) is analyzed. The results indicate that the internal solitary wave may cause extreme response on the riser and should be considered in the design. Finally, the recommended suggestions are proposed when we introduce the codes of API, ABS and DNV and provide reference for the design of deep-sea riser.

riser code; internal wave; top tension riser (TTR); extreme response

國家高技術研究發展計劃項目(2010AA09Z303)；山東省優秀中青年科學家獎勵基金項目(BS2013HZ014)；青年教師科研專項基金項目(201313020)；國家自然科學基金項目(51279187)；中央高校基本科研費項目(201262005)資助

2013-10-14；

2014-06-25

李效民(1982-)，男，博士，講師，研究方向：流固耦聯振動。E-mail：lxm0318@ouc.edu.cn

P731.21

A

1672-5174(2015)02-121-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20130263