柔性立管線型分析與鋪設要點研究

薛士輝 彭勇 劉作榆 陳曉東 張亞雷

摘 要：柔性立管是連接浮式設備和水下設施的橋梁，用于輸送液體和氣體，具有非常關鍵的作用。隨著深水油氣開發的進行，越來越多的柔性立管被應用。本文對柔性立管線型進行系統分析，并研究線型參數對其影響，另外針對陡波型柔性立管鋪設要點進行相關論述。本文既能為柔性立管選型與設計提供參考，也能為其鋪設提供借鑒。

關鍵詞：柔性立管；線型設計；參數；鋪設

中圖分類號：TE53 文獻標識碼：A

柔性立管是海洋油氣開發的重要裝備，常用于浮式生產平臺生產系統，連接平臺設備與海底設備，傳輸液體、氣體。柔性立管的應用可以追溯到20世紀70年代，隨著柔性管技術的迅猛發展，柔性立管在氣候惡劣的海域如北海等地區和深海領域獲得廣泛應用，目前應用的最大水深是3000m左右，全球約85%的動態立管采用的是柔性立管。

柔性立管由多層非粘結結構纏繞而成，其截面剛度較低，在波浪和海流作用下運動幅值較大，為避免在極端情況下發生立管與其它設施之間的碰撞干涉，需對柔性立管的線型進行研究。柔性立管線型隨水深等環境條件變化而變化，至今基本的柔性立管線型有懸鏈線、緩波型、陡波型、緩S型和陡S型（如圖1所示）。五種基本線型具有各自特點，能夠適應不同海洋環境。此外為了增強柔性立管的適用性，在基本線型的基礎上出現了改進形式，如柔順波形、WAW型等。

柔性立管的生產和設計技術被掌握在國外少數公司手中。其中著名的有Wellstream，Technip以及NKT。我國柔性管道相關技術研究起步較晚，立管制造技術和安裝技術都相對落后，商業化也遠不如國外成熟。但隨著深海油氣的開發，尤其是南海油氣開發不斷深入，柔性立管的研究、制造和安裝已經引起了越來越多的專家學者的注意和重視，也取得了很多重要的成果。

1 柔性立管線型分析

影響柔性立管線型的因素主要有6個，分別為：水深、浮體運動特性、所在海域的海況、油田布局、管纜物理力學性能和成本。

1.1 自由懸鏈線型

自由懸鏈線是指柔性立管一端固定懸掛在浮式設施上，管線在重力作用下形成懸鏈線的形式。

1.1.1 線型特點

懸鏈線適應于中等環境下中等水深以淺區域，具有結構簡單、無需張力補償、施工方便、成本較低、以及對浮體運動有較大的適應性等優點。工作水深由上部浮體提供的張力及立管自身重量決定。水深較大，管線長度增加，會提高頂部懸掛點處張緊器的張力要求；水深較淺、工作環境惡劣或者浮式設施運動劇烈時，管線長度減小會減小設施和波浪動態干擾沿管線傳播的阻尼，從而觸地點處的疲勞損傷增大，出現屈曲。

1.1.2 參數影響分析

當懸掛位置和水深確定，自由懸鏈線的設計參數是脫離角度（如圖2所示）。隨脫離角的增大，管線懸空段長度增加，最大總張力增加，易造成頂部疲勞破壞。同時水平張力增大，既要求管抗拉能力提高，也要求海底靜態段長度增加以滿足縱向穩定性，從而經濟性降低。同時，脫離角越大，觸泥點區域受到的影響越小，能夠避免出現過度彎曲、壓屈和疲勞等問題。

1.2 緩波型和陡波型

在懸鏈線的基礎上，通過安裝一定數量浮子，使管線一段隆起，形成類似于波浪形狀的線型，稱為波型。波型線型可以分為緩波型和陡波型兩種。

1.2.1 線型特點

隆起段分離了立管的頂端與觸泥點，減弱浮式設施運動和波浪載荷對觸泥點的動態干擾。同時浮力和重量都附加在立管上，減少了頂部懸掛張力對浮式設施的影響，可以適應更大位移。緩波和陡波型都適應淺水和深水，兩者的結構都相對簡單，造價和安裝成本較低。

兩者相比較而言，緩波型海底基礎設施少，動態響應大，浮體的運動和立管流體密度改變會使線型傾向于改變；陡波型由于在海床增設海底基座和限彎器，線型更加容易保持，運動敏感，響應良好，適宜擁擠海床。

1.2.2 參數影響分析

波型線型的設計參數有：頂端脫離角a、下懸鏈線段L1、分布式浮子段L2、上懸鏈線段L3及分布式浮子間距Sf，直徑Df，長度Lf，如圖5所示。

L3 段越短（淺波型），L2越靠近海面，受波浪和表層流的影響大，易與浮式設施底部發生碰撞，穩定性差，并要求管有較小的彎曲半徑；L3越長（深波型），浮子越靠近海底，管在浮體升沉運動的牽動下，浮子有可能和海床發生碰撞，連續持久撞擊使浮子受損。另外，深波型也會增大頂部懸掛張力要求。浮子的位置和尺寸是波型線型的高敏感參數，在滿足最小彎曲半徑的前提下，宜選用淺波型。增加Df可以減少對動態立管頂部懸掛張力的要求，但可能過度彎曲和浮力過剩導致管底端拔離終端。

1.3 緩S型和陡S型

在懸鏈線的基礎上，通過安裝浮力模塊和固定在海床的結構物，使立管形如S，稱為S型。S型線型可以分為緩S型和陡S型。

1.3.1 線型特點

S型中浮力模塊能夠緩沖浮式設施運動對觸泥點的影響，使觸泥點的運動僅引起很小的張力變化。但該種布局形式布局復雜，安裝成本高。

兩者相比較而言，緩S型的適應性較好，可以安裝在淺水至深水，整體動態響應小，安裝相對簡單，但上部平臺與立管的分離較為復雜；陡S型適用于中等和深水區域，動態響應值較小，可以適用更惡劣的環境，上部平臺的分離操作更簡單，安裝成本較高。

一般在懸鏈線和波型不適應下才考慮緩S型。S型所需要的安裝作業較為復雜：緩S型需要浮筒、牽索和牽索基座；陡S型在緩S的基礎上還需增加管匯和防彎器。當浮式設施運動幅度較大時，緩S型的立管可能在觸泥點產生壓潰問題，此時可以考慮陡S型。另外陡S型在若干立管衛星式回接時動態響應較好。

1.3.2 參數影響分析

S型主要設計參數有：脫離角a、浮筒高度Hf、浮筒與懸掛點的水平距離Df和浮筒浮力Ff，如圖8所示。

改變Hf時，需改變上、下兩段管的長度，以使立管形成具有一定曲率的S型。S型線型最大曲率出現在觸泥點，且淺S型布置大于深S型布置，可通過防彎器、限彎器和喇叭口等裝置緩和此處的曲率。

隨Df的增大，上段立管長度增大，頂部懸分離角增大，下段立管長度減小，線形變陡。柔性立管的下段管極值曲率隨Df的增大而增大，上段極值曲率隨Df的增大而減小。

Ff與浮筒尺寸相關，尺寸影響波浪與流對中水浮筒作用力的大小，從而影響動力學特性（如回復周期）。立管觸泥點最大曲率和上段管末端的極值曲率隨Ff增加而增大。

2 波型線型優化

波型線型優化主要通過減小觸泥點的應力和增強線型穩定性兩方面實現，典型代表有：柔順波型、WAW型、雙波型等。

2.1 柔順波形

柔順波形是利用張力繩纜連接觸泥點的上部和觸泥點附近的錨，將觸泥點的應力轉移到張緊狀態中的繩纜中，減小該處應力。柔順波型能夠適用淺水到深水，也能適用較大范圍流體密度改變和船舶運動，兼有緩波型和陡波型的優點。該線型下立管可以直接被回接至浮式設施下方的油氣井（如圖9所示中虛線段），在沒有其他船只支持下，修井作業也可進行。但海底安裝較復雜，纜繩和立管連接部位容易出現應力集中，一般在懸鏈線和波形線型不可取的情況下考慮。

2.2 WAW型

WAW型是基于緩波型改進而得，是在立管浮子段位置連接繩索和錨鏈。立管在正常位置時，錨鏈位于海床上；立管上浮時，錨鏈被拉起，重量增加，限制立管的上浮。此線型可以避免因管內流體密度減小和上部平臺靠近立管末端所導致的柔性管上浮問題，但需考慮錨鏈的纏繞問題。

2.3 雙波型

雙波型是基于緩波型改進而得，通過將立管上的一段浮子分成兩段來減小立管單位長度上的浮力，從而避免上部浮式設施運動而造成的立管上浮問題。

3 柔性立管鋪設要點

柔性管道適用卷盤或卷筒鋪設。張緊器履帶對管道施加徑向張力，提供摩擦力實現管道向下傳輸。柔性立管與靜態軟管鋪設最大不同在于浮力模塊安裝，此作業增加施工的復雜性和風險性，本文以陡波型為例分析柔性立管鋪設過程中的要點。

3.1 首端下放

首端鋪設根據開始位置不同分為從管匯端開始和從浮式設施開始。不同的開始方式會影響到下水橋的類型。

從管匯端開始鋪設時，水平式下水橋和立式入水橋都可行。此時需用到配重塊輔助以作為著力點。立式入水橋下放時，首端過下水橋入水，吊機起吊配重塊入水，ROV水下連接首端和配重塊。水平式入水橋下放時，甲板連接首端和配重塊，提高效率。下放首端和配重塊過程中需要ROV跟蹤監視狀況，應避免在水下設施正上方下放。

從浮式設施端開始鋪設時，需使用水平式入水橋，因為在安裝浮子向管匯鋪設的過程中，軟管會上浮貼近水面，此時立式下水橋對管線不能起到控制作用。吊機下放首端一定水深，ROV連接首端和浮式設施臨時懸掛索具即可完成首端下放。

3.2 浮子安裝

在鋪設浮子段立管時應注意兩個問題：（1）水中柔性立管的方向和受力情況。立管安裝浮子之后，浪涌流影響顯著增大，偏離路由和管內張力也隨之加劇。為避免管受力過大而把配重塊拉離設計位置或連接索具拉斷，需關注此時立管在水中的方向和受力情況。（2）在使用立式入水橋時，需關注立管與水橋的相對位置。在安裝設計中雖已明確浮子安裝位置、放管長度和同步移船距離，但由于現場施工復雜多變，并不能確保立管仍能與入水橋保持理想位置，往往出現管線上浮接近水面、柔性立管遠離入水橋的現象。此時可以退船并釋放管，使柔性立管緊貼入水橋，以保證浮子的繼續安裝和持續鋪設。

3.3 防止打扭

將軟管盤入卷管盤或卷筒中時，會在管線內累積扭矩，在鋪設時如果管中張力不足，在扭矩作用下會造成軟管打扭。為防止打扭，主要采取兩個方面措施加以控制：一是保持合理的鋪設Layback值。柔性立管始終保持一定的張力以控制和減少打扭的可能性；二是加強柔性立管鋪設過程中監測

Layback值較小時，柔性立管張力相對較小，打扭可能性較大，觸泥點處的柔性立管彎曲會較大，可能會超過柔性立管最小彎曲半徑；Layback值較大時，柔性立管張力相對較大，打扭可能性較小，軸向拉力較大（必須小于柔性立管的最大允許軸向拉應力），且著泥點離作業船較遠，應考慮ROV的飛行距離。

鋪設過程中需用ROV時刻監測觸泥點。出現有打扭跡象時，需停止作業，查找原因，并對Layback和鋪設速度優化；如果有兩臺ROV作業，可增設ROV對立管的中上部監測，以便早期發現打扭并進行預防。此外，在柔性立管鋪設時，需時刻監測張緊器拉力值，卷盤、塔輪、放管速度、移船速度、設備間管的的松弛度等。而對于已經產生打扭，可令船沿打扭反方向原地旋轉，緩解后，通過試漏檢測判斷管線情況。

結語

柔性立管線型是結合水深、浮體運動特性、所在海域的海況、油田布局、管纜物理力學性能和成本等綜合考慮的結果。懸鏈線、緩波型、陡波型、緩S型陡S型和相關優化線型具有各自的適用情況和特點，在梳理和總結的同時，通過橫向對比和參數分析，揭示五種基本線型間和同一線型不同參數下的異同及變化特點，為浮式設施柔性立管的選型提供參考。另外以陡波型鋪設為例，闡明鋪設過程中要點和解決措施，為柔性立管鋪設提供借鑒。

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