M型剛性跨接管地震分析方法研究

王 林，李 旭，楊 琥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

M型剛性跨接管地震分析方法研究

王 林，李 旭，楊 琥

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

主要對(duì)M型剛性立式跨接管的地震分析方法進(jìn)行研究，總結(jié)M型剛性跨接管地震分析的類型及所依據(jù)的校核標(biāo)準(zhǔn)。使用有限元方法對(duì)典型的M型跨接管進(jìn)行建模，進(jìn)行海底斷層及地震時(shí)域分析，對(duì)影響強(qiáng)度結(jié)果的因素進(jìn)行敏感性分析，為地震區(qū)的剛性跨接管設(shè)計(jì)提供參考及依據(jù)。

跨接管；地震分析；斷層；時(shí)域

0 引 言

深水油氣工程中，跨接管主要應(yīng)用于水下井口、管匯與管道終端的連接。跨接管的類型基于安裝與連接器的形式分為水平跨接管和立式跨接管；從管體材料上分為剛性跨接管和柔性跨接管。其中剛性跨接管從結(jié)構(gòu)的幾何形狀可分為M型、倒U型、Z型、Hi-Lo型及非規(guī)則的三維跨接管等[1-2]。跨接管的主要用途為利用其本身的撓性有效釋放高溫管道端部引起的軸向力及提供可行的深水結(jié)構(gòu)水下連接。跨接管的工程設(shè)計(jì)分析中主要包括對(duì)跨接管強(qiáng)度分析、渦激振動(dòng)疲勞分析、在位疲勞分析等，對(duì)于處在地震多發(fā)地帶的跨接管有必要增加跨接管的地震強(qiáng)度分析。本文以M型剛性跨接管為例，介紹剛性跨接管地震分析設(shè)計(jì)方法，對(duì)跨接管設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地震設(shè)計(jì)分析方法

1.1 地震破壞類型

位于地震活動(dòng)區(qū)的跨接管，在地震發(fā)生時(shí)其主要破壞的來源為地震引起的海床波動(dòng)及由于土壤失效引起的永久性地質(zhì)地貌變化，主要的土壤失效包括[3]斷層、滑坡、土壤液化、不均勻沉降和海床裂縫。

針對(duì)跨接管主要的破壞來源，地震分析中主要對(duì)跨接管進(jìn)行兩類分析。一類是根據(jù)跨接管所在兩端由于地貌變化引起的垂向(斷層)及橫向(裂縫)位移；另一類是根據(jù)地震引起的海床波動(dòng)，對(duì)跨接管進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)域分析。

1.2 設(shè)計(jì)原則

位于地震活動(dòng)區(qū)的跨接管，基于不同的地震水平，應(yīng)進(jìn)行極限狀態(tài)校核(ULS)和異常狀態(tài)校核(ALS)[4]。ULS校核主要目的在于校核跨接管強(qiáng)度和剛度在極端地震工況(ELE)下不發(fā)生顯著的損壞以滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。ALS校核是一種自存能力的校核，用于判斷跨接管在異常地震工況(ALE)發(fā)生下，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞但保持自身完整性的能力。

對(duì)于ULS校核一般采取靜態(tài)分析方法，使用200年重現(xiàn)期地震工況，校核結(jié)果保證跨接管強(qiáng)度在彈性范圍內(nèi)，并滿足挪威船級(jí)社(DNV)DVN-OS-F101規(guī)范[5]中ULS校核標(biāo)準(zhǔn)。ALS分別采用動(dòng)態(tài)或靜態(tài)分析方法，使用1000年重現(xiàn)期地震工況，校核結(jié)果考慮材料彈塑性，滿足DNV-OS-F101規(guī)范中ALS應(yīng)變校核標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)不同校核類型其各項(xiàng)載荷的分項(xiàng)系數(shù)有所不同，如表1所示。

表1 載荷分項(xiàng)系數(shù)及組合

2 地震分析FEA方法

2.1 跨接管模型建立

本文以M型剛性跨接管為例，闡述剛性跨接管地震分析方法。典型的M型剛性跨接管結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用Abaqus通用有限元軟件建立模型[6]，跨接管管體采用PIPE32梁?jiǎn)卧缃庸軆啥诉B接器同樣適用管體單元PIPE32進(jìn)行模擬，考慮連接器的外徑輪廓和等效重量壁厚。典型的M型跨接管模型如圖2所示。

圖1 典型M型剛性跨接管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical M-type rigid jumper configuration

圖2 M型剛性跨接管模型Fig.2 M-type rigid jumper model

2.2 地震分析載荷類型

M型剛性跨接管地震分析的載荷主要包括如下類型[7]。

功能載荷：主要包括自重、溫度載荷、內(nèi)外壓力，功能載荷根據(jù)ULS及ALS校核類型，分別組合環(huán)境載荷和偶然載荷。

環(huán)境載荷：地震分析中除地震載荷外的環(huán)境載荷為波浪及海流引起的水動(dòng)力載荷，

FH=Fdrag+FInertia，

(1)

地震載荷：跨接管地震載荷主要包括地震加速度模擬靜態(tài)載荷、沉降裂縫引起的跨接管基礎(chǔ)位移、海床地震時(shí)程運(yùn)動(dòng)。

地震加速度模擬靜態(tài)載荷主要用于進(jìn)行ULS校核，由下式計(jì)算：

FE=mas，

(2)

式中：m為跨接管的單位質(zhì)量，as為200年重現(xiàn)期的地震加速度。垂向地震加速度取水平向的2/3。

地震時(shí)程數(shù)據(jù)主要用于動(dòng)態(tài)時(shí)域分析，進(jìn)行ALS校核。一般采用相關(guān)單位提供的地震過程中大地在3個(gè)方向上的位移譜，如圖3所示。

圖3 地震海床運(yùn)動(dòng)時(shí)程Fig.3 Seismic seabed time trace

2.3 地震分析強(qiáng)度校核

如上所述，地震分析的強(qiáng)度校核主要基于DNV-OS-F101分別進(jìn)行ULS和ALS校核。

ULS校核中考慮功能載荷、1年重現(xiàn)期海流波浪力及200年重現(xiàn)期地震慣性力，進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，提取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的軸向力和彎矩進(jìn)行ULS校核。

ALS校核除功能載荷外，分別加載地震斷層位移、裂縫位移進(jìn)行靜態(tài)分析，以及海床時(shí)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的時(shí)域分析。提取整個(gè)時(shí)程中功能載荷及偶然載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)行ALS應(yīng)變校核。

3 設(shè)計(jì)算例

根據(jù)第2節(jié)給出的方法，以典型的采油樹與中心管匯之間跨接管的結(jié)構(gòu)形式為例，對(duì)其進(jìn)行地震分析設(shè)計(jì)。使用設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

算例跨接管形狀尺寸如圖4所示。

3.1 ULS校核結(jié)果

建立有限元模型，跨接管重力載荷考慮水下等效重力加速度，豎直方向除等效重力加速度外，施加垂向的地震慣性力。水平方向除施加水平向地震慣性力外，同時(shí)加載波浪海流靜態(tài)的最大拖曳力如慣性力。校核結(jié)果如表3所示。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 算例跨接管尺寸Fig.4 Jumper configuration

跨接管位置UC_aUC_b頂部彎頭0.8340.796跨長(zhǎng)中點(diǎn)0.4250.421連接器節(jié)點(diǎn)0.5020.485

如表3所示，算例跨接管在發(fā)生200年一遇0.074g地震加速度的情況下滿足強(qiáng)度及完整性要求。

3.2 ALS校核結(jié)果

3.2.1 地質(zhì)斷層

對(duì)于斷層分析，在跨接管有限元模型一端加載垂向位移載荷進(jìn)行靜態(tài)分析，獲取跨接管應(yīng)變，進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)ALS校核，結(jié)果如表4所示。

如表4所示，地震發(fā)生海床斷層，斷層高差小于3 m的情況下，算例跨接管可滿足完整性要求。

3.2.2 海床裂縫

對(duì)于裂縫分析，在跨接管有限元模型一端加載水平位移載荷進(jìn)行靜態(tài)分析，獲取跨接管應(yīng)變，進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)ALS校核，結(jié)果如表5所示。

表4 斷層ALS校核

表5 裂縫ALS校核

如表5所示，地震時(shí)發(fā)生海床裂縫，在裂縫寬度小于0.7 m的情況下，算例跨接管可滿足完整性要求。

3.2.3 地震時(shí)域動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)圖3所示地震時(shí)程數(shù)據(jù)，在跨接管有限元模型一端加載時(shí)程位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。算例中地震持續(xù)時(shí)間為50 s，此過程中最大的瞬時(shí)應(yīng)變發(fā)生在跨接管與連接器連接位置處，地震引起的最大軸向應(yīng)變?yōu)?.066%，頂部彎頭位置最大軸向應(yīng)變?yōu)?.042%，進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)ALS校核，結(jié)果如表6和圖5、圖6所示。

表6 地震時(shí)域ALS校核

圖5 連接器位置應(yīng)變變化曲線Fig.5 Time history of connector strain

圖6 頂部彎頭位置應(yīng)變變化曲線Fig.6 Time history of top bend strain

4 結(jié) 語

本文以典型的采油樹與中心管匯之間跨接管結(jié)構(gòu)為例，介紹了M型剛型立式跨接管地震分析的工況、載荷類型、分析方法，并根據(jù)分析方法使用有限元方法對(duì)算例建模，進(jìn)行海底斷層及地震時(shí)域分析，得到如下結(jié)論。

(1) 剛性跨接管地震校核可根據(jù)DNV規(guī)范進(jìn)行ULS及ALS校核。

(2) ULS滿足條件下可保證強(qiáng)度及功能的完整性，一般使用200年一遇地震加速度模擬靜態(tài)載荷。

(3) ALS滿足條件下可保證其形狀的完整性，在相應(yīng)的地震工況下未被完全破壞，一般對(duì)地震斷層、海床裂縫進(jìn)行靜態(tài)分析及地震波引起的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)域分析。

[1] 楊琥，李旭，何寧，等. M型跨接管設(shè)計(jì)中敏感性分析的參數(shù)化研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36(3)：125.

[2] 何同，李婷婷，段夢(mèng)蘭，等. 深水剛性跨接管設(shè)計(jì)的主要影響因素分析[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2012，27(4)：50.

[3] Bai Y. Subsea Pipelines and Risers [M]. Amsterdam: Elsevier, 2005：219-228.

[4] International Organization for Standardization. ISO 19901-2. Petroleum and natural gas industries—specific requirements for offshore structures. Part 2. Seismic design procedures and criteria[S]. 2004.

[5] Des Norske Veritas. DNV-OS-F101. Submarine pipeline systems[S]. 2005.

[6] 曹金鳳，石亦平. ABAQUS有限元軟件常見問題解答[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[7] Des Norske Veritas. DNV-RP-C205. Environmental conditions and environmental loads[S]. 2014.

SeismicAnalysisforM-TypeRigidJumper

WANG Lin, LI Xu, YANG Hu

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Seismic analysis is carried out for the M-type rigid jumper. We summarize the analysis cases, load type and check method of the M-type rigid jumper. By using the finite element method (FEM), we give the method for fault, ground crack and seismic wave vibration analysis of rigid jumper. This research can offer a reference for M-type rigid jumper design in seismic active zone.

jumper; seismic analysis; fault; time domain

2016-10-09

王林(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事海管設(shè)計(jì)方面的研究。

TE53

A

2095-7297(2016)06-0356-05