深水生產鉆井中心水平跨接管結構應力分析研究

黃會娣，孫國民，何　寧，程寒生，趙　娜（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

深水生產鉆井中心水平跨接管結構應力分析研究

黃會娣，孫國民，何寧，程寒生，趙娜
（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

跨接管的設計是深水生產鉆井中心設計的重要組成部分，而結構應力分析是跨接管設計的重點。闡述了水下生產鉆井中心跨接管布置設計需要考慮的因素，建立了跨接管模型，研究了跨接管建模時的關鍵載荷。指出了加載順序應與實際作業(yè)過程一致才能保證計算結果合理，應力分析結果應滿足設計標準和項目連接器接口載荷限制的解決方法。水平跨接管布置設計和結構應力分析方法在西非某實際深水項目中成功應用，可為我國南海類似深水項目設計提供參考。

生產鉆井中心；跨接管；布置設計；建模；應力分析

在叢式布置水下井口架構（Architecture）中，各井口圍繞在中心生產管匯四周，通過生產跨接管（Production Jumper）與其連接，生產管匯的位置稱為生產鉆井中心［1］。在生產鉆井中心，跨接管是連接井口和管匯的紐帶，是匯聚生產流體實現外輸的“橋梁”。井口和管匯的位置以及海底管道的走向在基本設計階段已經確定；在后續(xù)設計階段，跨接管的設計需要適應鉆井中心各元素的安裝作業(yè)限制，同時還要滿足其自身的制造、運輸、安裝、操作、維護要求，提供足夠的柔性以確保在大水深條件下，能依靠水下機器人（ROV）實現井口和管匯的連接；并適應各種載荷，將應力控制在合適的范圍內，保證油田長期穩(wěn)定、安全生產，因而跨接管的設計在整個鉆井中心的設計過程中非常重要［2-4］。國內現有的應用均為立式跨接管。本文結合西非某深水項目，對生產鉆井中心水平跨接管進行結構應力分析。

1　生產鉆井中心跨接管的布置設計

在進行應力分析之前，需要初步布置設計跨接管，考慮因素如下：

1）滿足流動保障以及操作、維修要求。

2）適應整個鉆井中心的布置需要。

3）便于制造。

4）滿足海上運輸、安裝船舶的尺寸限制。若能利用較小的船舶，例如供應船實現跨接管的運輸，多功能作業(yè)支持船MSV實現海上安裝，則可以大幅節(jié)省項目成本。

5）滿足其他水下結構物的安裝空間要求。為防止安裝其他水下結構物時可能造成落物、碰撞等損壞，跨接管與井口、外輸跨接管道（Spool）安裝時固定海管位置的起始錨鏈應保持一定的安全間隔距離；另外，跨接管的布置也不應影響其本身的安裝順序。

各井口位置在滿足項目鉆井要求后，對稱的布置在管匯的兩側，盡可能減少跨接管的類型，從而減少設計、建造工作量。采用水平跨接管，有利于防止水合物的產生，無需回收跨接管就可以回收生產管匯和采油樹。為了減少油田生產關斷置換維護的時間，盡量減小跨接管長度，同時也為海上運輸、安裝船舶類型的選擇提供多種可能性。跨接管平面形狀為U型，以提供更多的柔性控制跨接管應力，減小安裝、操作載荷。綜合考慮各種因素，生產鉆井中心跨接管平面布置如圖1所示。管匯和井口位于設計位置，長度單位為m。

圖1　生產鉆井中心跨接管平面布置

2　跨接管建模

在完成跨接管的布置以后，需對其進行計算校核，包括結構應力分析、渦激振動分析、疲勞壽命估算、落物分析以及ROV作業(yè)時纏繞能力評估等。結構應力分析是跨接管校核的重點。

2.1跨接管模型

在進行總體應力分析時，需要建立整個跨接管的有限元模型，計算跨接管內各點的力和力矩。基于跨接管實際的空間布置，建立典型U型跨接管三維模型，如圖2。模型由若干段直管和彎頭組成，其具有相同的壁厚，彎頭彎曲半徑是管道直徑的3倍。在ABAQUS中，直管模型選為2節(jié)點、12自由度的PIPE31H；彎頭模型為ELBOW31。

2.2載荷

在進行跨接管應力分析時，一般需要考慮的功能載荷包括重力、浮力、海床作用力以及由于制造、測量誤差、跨接管連接和水下結構物沉降強制加在跨接管兩端的位移等。需要考慮的環(huán)境載荷包括海底海流產生的拖拽力和升力，拖拽力和升力按照DNVRPC205規(guī)范［5］，用式（1）～（2）計算。

式中：CD為拖拽力系數；CL為升力系數；ρ為海水密度，kg／m3；D為跨接管有效外徑，m；v為海底海流速度，m／s。

2.2.1跨接管重力

為了簡化以及保守起見，在跨接管的有限元模型中只考慮工藝管道為結構元件，假設其他元件（例如表面涂層、犧牲陽極、綁在工藝管道上的小尺寸液壓和藥劑管線）為沒有結構剛度的非結構元件。在計算跨接管的水下質量時，可以引入當量非結構質量來考慮這些非結構元件的影響。在分析模型中，跨接管工藝管道的有效線密度mtot為

圖2　跨接管模型

式中：mmat為跨接管和假定為沒有剛度的非結構元件當量線密度，kg／m mint為管線內流體當量線密度，kg／m；CA為附加質量系數，根據DNV RP C205規(guī)范選擇；A為橫截面積，m2。

2.2.2海床和跨接管的管土作用

考慮海底土壤對跨接管的支撐，跨接管沉降和土壤垂直作用力關系基于簡化的線性Verley&Lund［6］公式：

式中：z為跨接管沉降，m；Fc為土壤垂直作用力，kN／m；D為跨接管有效外徑，m；γ′為土壤單位質量，kN／m3；Su為土壤剪切強度，kPa。

2.2.3跨接管兩端的邊界約束

跨接管兩端的邊界約束包括制造、測量誤差。在水下連接跨接管時，兩端必須適應這些誤差。設計中考慮制造和測量誤差至關重要，誤差過大或過小對跨接管的設計影響很大。建模時，將相同幅度的線性位移和角度位移作用于跨接管兩端以模擬這些誤差。

3　應力分析及載荷組合

應力分析工況基于典型的水下跨接管操作程序確定，包括：

1）跨接管停放在水下結構物上。

2）管匯端拖拉。將跨接管管匯端的連接器接口拖拉至水下管匯上的連接器接口處。

3）管匯端連接。使用連接器安裝工具把管匯端連接器的兩半連接起來。

4）采油樹端拖拉。將跨接管采油樹端的連接器接口拖拉至采油樹上的連接器接口處。

5）采油樹端連接。使用連接器安裝工具把采油樹端連接器的兩半連接起來。

6）海底水壓試驗。

7）生產作業(yè)。跨接管在設計溫度、壓力下工作，需要考慮最大操作溫度時材料強度的降低。

8）長期生產但伴有水下結構物的沉降。

9）失去壓力。如沒有生產流體，跨接管內壓力降為大氣壓或真空。

在進行應力分析時，為了得到合理的結果，需按照確定的操作順序在跨接管兩端施加載荷以及誤差。加載順序如表1。

表1　加載順序

4　設計標準和應力及載荷校核

參考標準 ASME B31.8［7］，用式（8）計算管線壁厚。依據DNV OS F101［8］，用式（9）進行承壓校核；用式（10）進行局部屈曲校核。若沒有局部屈曲就無需進行擴展屈曲的校核，采用式（11）或式（12）進行載荷校核。

組合荷載標準-荷載控制條件：承受彎矩、有效軸向力和內部過壓的管道在所有橫截面上要滿足式（11）。

當αc取值不大于1.2，參見DNV OS F101，承受彎矩、有效軸向力和外部過壓的管道要滿足式（12）。

式中：t為壁厚，mm；pi為設計內壓，kPa；D為管線外徑，mm；fy屈服強度，kPa；F為環(huán)境設計系數；E為縱向接頭系數；T為溫度影響系數；pli為局部偶然壓力，kPa；pe為設計外壓，kPa；pb（t）為破裂抗力，kPa；pc為壓潰壓力，kPa；γsc為抗力安全等級；γm為材料抗力因子；αc為考慮應變硬化的流動應力參數，αc取值最大1.2；Md為設計彎矩，N·m；Sd為設計有效軸力，N；Mp為塑性彎矩抗力，N·m；Sp為特征塑性軸向抗力，N；Δpd為設計壓力差，kPa。

跨接管兩端的連接器承載能力有一定的限制，因此，在對跨接管進行總體分析時，應確保跨接管兩端的反作用力和力矩在連接器的可接受載荷范圍內。

5　現場應用

5.1項目輸入

西非深水項目跨接管設計壓力517bar，設計溫度-18～82℃，設計水深1750m。生產鉆井中心跨接管布置如圖1，表2為制造和測量誤差值，表3為保守的強制位移。

5.2應力分析結果

基于環(huán)向應力標準，計算6英寸工藝管道外徑為168.3mm，壁厚為18.3mm。利用DNVOSF101規(guī)范校核屈曲能力，滿足標準要求。利用ABAQUS對各工況下的載荷進行求解，得到最長和最短跨接管各點受力，計算的應力利用系數均在可接受范圍內。跨接管兩端的最大接口載荷在表4所示的連接器的承載能力范圍內。

結構分析顯示跨接管滿足應力標準和兩端載荷限制，圖2所示的跨接管布置可以接受。

表2　制造和測量誤差

表3　強制位移

表4　連接器允許的最大接口載荷

6　結論

1）跨接管布置設計和應力分析過程是一個反復相互校核的過程。

2）跨接管的布置需要考慮多種因素，尤其是運輸、安裝船舶的尺寸限制以及在鉆井中心的空間約束。

3）跨接管的制造以及水下測量不可避免的存在誤差，同時，水下安裝工具有一定的誤差限制，為實現深水水下無人安裝，跨接管的設計需要具有一定的可靠性、柔性，必須合理考慮各種誤差，在跨接管的建模、應力分析中應將這些誤差引起的載荷考慮進去。

4）跨接管承受的載荷在不同的作業(yè)過程中可能不同，應力分析工況需要與實際作業(yè)過程一致，才能得到合理的分析結果。

［1］黃會娣，程寒生.深水油氣田開發(fā)總體架構設計應用研究［J］.中國海洋平臺，2014，29（5）：4-7.

［2］何同，李婷婷，段夢蘭，等.深水剛性跨接管設計的主要影響因素分析［J］.中國海洋平臺，2012，27（4）：50-57.

［3］周燦豐，焦向東，曹靜，等.水下跨接管連接器選型設計研究［J］.石油化工高等學校學報，2011，24（3）：75-78.

［4］何同，李婷婷，段夢蘭，等.深水混合立管基礎跨接管設計中的關鍵問題［J］，石油礦場機械，2012，41（10）：14-20.

［5］DNV RP C205，Environmental Conditions And Environmental Loads［S］.2010.

［6］Verley RLP，Lund KM.A soil resistance model for pipelines placed on clay soils［J］.Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conf，1995，6（V）：225-232.

［7］ASME B31.8，Gas Transmission and Distribution Pip-ing Systems［S］.2010.

［8］DNV-OS-F101，Submarine Flowline Systems，DNV Offshore Standard［S］.2010.

Research of Structure Stress Analysis on Horizontal Jumper for Deepwater Production Drilling Center

HUANG Huidi，SUN Guomin，HE Ning，CHENG Hansheng，ZHAO Na
（Offshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin 300451，China）

The design of the jumper is the important part of deepwater production drilling center design and the structure stress analysis plays a very important role in the design of the jumper. The factors to be considered for the jumper layout design in subsea production drilling center are elaborated.The jumper model is created.Some critical loads are studied with emphasis while modeling the jumper and the solutions are presented in detail.To obtain the reasonable calculation outcome，which should meet the limitations of the design criterion and the connector interface loads，the loading sequence should be in line with the actual operation process.The method for the horizontal jumper layout design and the structure stress analysis presented have been applied into the actual deepwater project located in the West of Africa，and can be used for the design guidance for the similar deepwater project located in South China Sea.

production drill center；jumper；layout design；modeling tolerance；stress analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.001

1001-3482（2015）12-0001-05

2015-06-19

中海石油總公司科技項目“深水跨接管設計、制造、安裝關鍵技術研究”（CNOOC-KJ125ZDXM05GC00GC2011-04）

黃會娣（1980-），女，內蒙古赤峰人，工程師，碩士，主要從事海底管道的設計與研究工作，Email：huanghd＠m(xù)ail.cooec.com.cn。