懸鏈系泊系統中的粘接軟管

王 猛,張 捷

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

懸鏈系泊系統中的粘接軟管

王 猛,張 捷

(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

懸鏈系泊(CALM)系統中的粘接軟管是主要的裝卸油設施。此類軟管主要材質為橡膠材料，通過鋪放涂膠織物、纏繞鋼絲等加強層，增加其拉伸和彎曲強度。目前，國內海洋工程中對粘接軟管的研究和應用較少。通過對CALM系統中兩種粘接軟管即漂浮軟管和水下軟管的結構選型、長度和布置形態的研究，提出了軟管的結構選型和布置形態的設計方法。最后以水下軟管為例進行了靜態和動態分析。

單點系泊；懸鏈系泊；粘接軟管；漂浮軟管；水下軟管

0 引 言

懸鏈系泊(CALM)系統是一種單點系泊系統，它包括浮筒、系泊鏈、系泊纜繩、漂浮軟管、水下軟管、水下管匯和海底管道等設施。浮筒依靠懸鏈式錨鏈系泊，油輪通過系泊纜繩系泊在浮筒上。其中，漂浮軟管和水下軟管是重要的油氣裝卸設施,其結構形式屬于粘接軟管。在油輪系泊時，漂浮軟管連接油輪與浮筒；裝卸油完畢后，與油輪解脫自由漂浮在海面上。水下軟管連接單點浮筒和水下管匯，安裝后形成直立柔性管。

世界上第一個單點系泊系統安裝于1959年。CALM技術經過半個多世紀的發展，已較為成熟。但國內目前僅有兩個CALM 系統，分別位于茂名和潿洲島，建設于20世紀90年代。此后，國內對該技術的研究較少，粘接軟管設計與生產的關鍵技術被國外壟斷。

本文對粘接軟管的結構選型、長度和布置形態進行研究，提出了相應的設計方法，并以水下軟管為例進行了靜態和動態分析。

1 結構型式

CALM系統的組成如圖1所示，其中包括兩種類型的粘接軟管：漂浮軟管與水下軟管。美國石油協會(API) Spec 17K[1]中規定的粘接軟管的典型截面形式如圖2所示。從內至外共包括7個典型層：骨架層、內膠層、涂膠織物層、螺旋鋼絲層、墊層、外膠層和包裹層。

骨架層由互鎖的金屬構成內部骨架，可抵抗外壓對軟管的壓潰效應。CALM系統的橡膠軟管一般不設置該層。

內膠層材料通常為丁腈橡膠。應按選擇光滑內壁，保證流體的線性流速。

涂膠織物層由高模量、高強度的聚酯織物灌注橡膠形成，提供一定的管體強度。圖2中截面設置了2層涂膠簾線層，每層厚度可達1.2 mm。徐業峻等[2]對涂膠織物層的纏繞角度進行了研究。該層纏繞角度小于50°時，可以滿足石油公司國際海事論壇(OCIMF)原型試驗規范[3]要求。

螺旋鋼絲層為在管體上螺旋纏繞鋼絲(見圖3)。纏繞鋼絲增加軟管的拉伸和彎曲強度。圖2中的典型截面設置了4層螺旋鋼絲層。徐業峻[4]對螺旋鋼絲層的纏繞角度與軟管強度進行了研究。纏繞角度對軟管拉伸強度影響較大，對其彎曲強度影響不明顯。按API Spec 17K規定，纏繞角度一般為55°。在管端鋼絲的纏繞角度增大，纏繞行程縮短，最終焊接固定于端部法蘭。

在各螺旋鋼絲層和涂膠簾線層間鋪放中膠片作為夾層。圖2中共設置了4層墊層。

外膠層通常為氯丁橡膠或聚氨酯，具有耐環境條件影響的特性、耐氣候和海水侵蝕的能力。

包裹層為尼龍布，在進行管體整體硫化前纏繞，硫化后被剝掉。

漂浮軟管需要保證穩定的漂浮狀態。通過將閉孔泡沫材料填充到管體中，提供穩定的浮力。其材料為多層閉孔海綿橡膠，能保證整根軟管最少20%的剩余浮力。

軟管單根管長有兩種規格：9.15 m和10.67 m(30英尺和35英尺)。管端為美國國家標準協會(ANSI)標準法蘭，主管段與端部間采用錐形過渡，可有效減緩端部的應力集中。

橡膠軟管在無維修的情況下平均使用壽命為3年，部分使用至6年后仍能繼續輸油。

圖1 懸鏈系泊系統Fig.1 Catenary anchor leg mooring (CALM) system

圖2 粘接軟管典型截面Fig.2 Typical section of bonded hose

圖3 螺旋鋼絲纏繞Fig.3 Helical steel wire

2 軟管選型

軟管類型應根據功能要求、輸送介質壓力、介質的成分、環境條件、強度等進行選型。不同的軟管生產商依據標準規定，會增加或減少典型層，生產多種規格的軟管。軟管以字母型號進行標識。以Yokohama的軟管為例，其標準規格的軟管如表1所示[5]。該軟管所用材料如表2所示。

表1 Yokohama標準軟管的操作參數Table 1 Operating parameters of Yokohama standard type hose

表2 Yokohama標準軟管材料Table 2 Materials of Yokohama standard type hose

由于行業內沒有統一的標準，故不同軟管廠家對軟管類型標識的定義不同。以Yokohama的軟管為例，其型號標識一般包括6個部分(見表3)：鎧裝層、規格、前綴、模塊型號、后綴和尺寸。例如，標識為Seaflex DC STD M 3070F-HA 500 mm×10.7 m的軟管含義為：雙層鎧裝(DC)，標準管(STD)，外膠層相比標準管進行修改(M)，3070F型，適用于高含量芳烴流體(HA)，內徑500 mm，單根長度10.7 m。

浮筒至油輪間的整條漂浮軟管至少需考慮3種類型的軟管。與浮筒管匯接口連接的首管管端應為加強型，最小的儲存浮力可為0。與油輪連接的尾管應考慮油輪的運動導致的摩擦現象，管體應具有較強的抗摩擦性能。同時，當軟管與油輪斷開時，是漂浮在海面上的，因此應具有浮力儲備。中間段應采用具有最小20%浮力儲備的軟管。漂浮軟管如不考慮特殊要求，其最小許用彎曲半徑為6倍公稱內徑。

相比于漂浮軟管，水下軟管布置為曲線布置形狀，需要考慮更高的拉伸和彎曲性能。這可通過增加簾線層中鋼絲的直徑獲得。水下軟管一般至少需要兩種類型：與浮筒、水下管匯連接的軟管端部應一端加強，中間段可使用標準規格軟管。軟管管體上設置管領，用于綁扎浮塊。水下軟管最小許用彎曲半徑相比漂浮軟管要小，為4倍公稱內徑。

更詳細的軟管選型應參考廠家產品手冊進行。或向軟管廠家提出功能要求，由其確定型號。

3 軟管長度確定

軟管應有足夠長度，保證正常裝卸油，并避免其隨油輪和浮筒的運動形成過度的彎曲，產生過大張力。漂浮軟管與水下軟管長度的決定因素基本相同，但也有一定差別。

表3 軟管類型標識Table 3 Hose type mark

3.1 漂浮軟管

油輪與浮筒的相對位置是決定漂浮軟管長度的主要因素，同時需考慮環境載荷，長度應滿足保證浮筒與油輪間的最大距離要求。漂浮軟管的布置如圖4和圖5所示，假設軟管水平投影曲線近似為圓弧，且船艏正對浮筒。推導出漂浮軟管總長的計算式為

(1)

式(1)的計算結果僅作為漂浮軟管靜態長度。應在動態分析中，考慮油輪和浮筒運動、潮位、波流等因素進行動態分析，對靜態長度進行驗證，以保證軟管長度滿足要求。

圖4 漂浮軟管布置Fig.4 Configuration of floating hose

圖5 油輪端部漂浮軟管Fig.5 Floating hose at shuttle tanker

3.2 水下軟管

水下軟管可布置為懶S形或中國燈籠形[7](見圖6)。懶S形適用于潮位變化較大或浮筒不在水下管匯正上方的情況。中國燈籠形適用于潮位變化較小或浮筒位于水下管匯正上方的情況。由于中國燈籠形可布置兩條軟管，裝卸油效率更高，因此近些年的CALM系統中多采用中國燈籠形布置水下軟管。

水下軟管的布置需考慮兩個要求：軟管應有足夠長度，以滿足浮筒與水下管匯的最大間距要求；浮筒與水下管匯間距最小時，軟管彎曲半徑應不小于最小許用半徑。

軟管長度確定應考慮以下因素：浮筒最大升沉位移；浮筒、管匯與軟管連接的相對位置；水深、潮位、波流等環境載荷；等等。

根據以上要求分析確定軟管的靜態布置形態；然后進行波流作用下的動態分析，確保軟管間不發生碰撞、軟管與海床不發生摩擦、軟管的彎曲半徑在許用范圍內。

圖6 水下軟管布置形態Fig.6 Configuration of marine hose

4 實例分析

對中國燈籠形水下軟管進行靜態和動態分析，模型如圖7所示。軟管參數和環境參數分別如表4和表5所示。水下軟管單根長10.67 m，28 m水深需要3根軟管。

圖7 水下軟管Orcaflex模型Fig.7 Orcaflex model of marine hose

表4 水下軟管參數Table 4 Marine hose parameters

表5 環境參數Table 5 Environmental parameters

對軟管彎矩、有效軸力、彎曲半徑進行分析。從分析結果可得出如下結論：

(1) 對于28 m水深海域，單根軟管串選擇3根軟管，能滿足系統要求。

(2) 由于水下軟管彎曲存在正反彎，在結果中取絕對值，并去掉半徑大于20 m的結果，如圖8所示。可以看出，軟管的彎曲半徑均大于其最小彎曲半徑1.956 m。

圖8 靜態和動態彎曲半徑Fig.8 Static and dynamic bend radii

(3) 彎矩結果如圖9所示。與管匯連接的軟管端彎矩最大，這是由于軟管該處的彎曲半徑最小且有端部約束。動態彎矩和靜態彎矩沿管長分布相似，但動態彎矩較靜態彎矩顯著增大，尤其是在管匯端部。

圖9 靜態和動態彎矩Fig.9 Static and dynamic bending moments

(4) 有效軸力如圖10所示。在不考慮環境與浮筒運動的靜態分析中，軟管從浮筒起始，約1/3長度軟管的有效軸力為拉力，其余為壓力；動態分析中，軟管有效軸力均為拉力。

圖10 靜態和動態有效軸力Fig.10 Static and dynamic effective axial forces

5 結 語

從結構型式看，漂浮軟管與水下軟管類似，但由于功能、所處環境和承受載荷的差別，結構型式稍有差別。各軟管生產商對軟管類型定義不同，通常可由設計方或使用方提出要求，由生產商進行類型選擇。

軟管應有足夠長度，保證整個系統正常裝卸油，并能承受油輪和浮筒運動對其造成的外力。漂浮軟管長度主要由浮筒與油輪的相對位置、浮筒與油輪的運動等因素決定。水下軟管長度主要由浮筒與水下管匯間相對位置、布置形態、水深、潮位、浮筒運動等因素決定。在初步確定軟管長度后，應進行動態分析以驗證其長度、最小彎曲半徑和強度是否滿足要求。

CALM系統在國外廣泛應用，而國內目前僅有兩個系統。如將粘接軟管技術廣泛用于我國油氣田開發，還需開展更多的研究。

[1] American Petroleum Institute. API Spec 17K, specification for bonded flexible pipe [S]. 2005.

[2] 徐業峻,呂立功，王旭東，等. 海上外輸漂浮軟管結構設計研究[J]. 船海工程, 2013, 42(2): 118.

[3] Oil Companies International Marine Forum. Prototype rope testing[S]. 1987.

[4] 徐業峻.海上外輸漂浮軟管的結構角度設計研究[J].西南石油大學學報(自然科學版), 2013, 35(2): 170.

[5] The Yokohama Rubber Co.,Ltd. Offshore loading & discharge hose catalog No.MH-001 R1[R].

[6] Oil Companies International Marine Forum. Guide to purchasing, manufacturing and testing of loading and discharge hoses for offshore moorings[S]. 1991.

[7] Ziccardi J J. Selection of hose systems for SPM tanker terminals [C]. OTC, 1970: 1152.

BondedHoseinCALMSystem

WANG Meng, ZHANG Jie

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Bonded hose is the important equipment for oil transportation in catenary anchor leg mooring (CALM) system. Bonded hose is made of elastomer with additional layer such as textile layer impregnated with rubber, steel wire, etc. to improve the axial tensile and bending strength of the hose. There is little research on the bonded hose for offshore oil and gas field in China so far. We present the research on two types of bonded hoses in CALM system: floating hose and marine hose. The investigations on structure and length selection and configuration of two types of hoses are carried out. A design approach for structure selection and configuration determination is proposed. Taking marine hose as an example, the static and dynamic analysis is presented.

single point mooring; catenary anchor leg mooring; bonded hose; floating hose; marine hose

TE973; U656.1+26

A

2095-7297(2015)01-0040-05

2015-01-10

王猛(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油和天然氣管道設計與研究。