深水消油劑水下連續油管動態模擬分析

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(1.中國海洋石油總公司，北京100010；2.中海石油環保服務(天津)有限公司，天津 300457)

近年來，世界范圍內海上溢油事故的頻繁發生，對事發海域的生態環境及經濟造成了巨大損失。隨著海上油田開發向深水的趨勢發展，水下溢油事故發生風險增大，而傳統的海上溢油處理手段已經無法及時、有效地應對溢油事故的發生。國內對海底管道、海底井噴溢油的處置研究比較基礎[1-4]。墨西哥灣深水地平線溢油事故相關處置手段分析是依托水下ROV攜帶消油劑噴灑頭靠近海底井口進行噴灑，這是目前深水應急處理中較為有效的手段之一[5-6]。在消油劑水下噴灑作業中，連續油管是將消油劑運送至水下溢油源處的重要途徑，連續油管受力情況及狀態分析是正常作業必須開展的工作。目前，連續油管主要用于陸上油氣田的生產作業，大量研究也主要集中于此[7-10]。根據深水消油劑噴灑作業的需求，為了使水下消油劑的噴灑作業達到理想的噴灑效果，長距離連續油管在水下所受的環境影響是需要考慮的重要因素。

orcaflex分析軟件目前已較多地應用于深水采油樹下放安裝、海底管線鋪設過程中各種纜線的受力及動態分析[11-12]。考慮使用orcaflex分析軟件對消油劑連續油管在不同工況、不同載荷的情況下進行下放動態模擬分析，論證影響連續油管設計的相關因素。

1 設計輸入

深水消油劑噴灑作業基本流程為深水消油劑噴灑裝備放置在海上作業船舶甲板上，在滾筒作用下將連續油管下放到海底溢油源位置，通過消油劑儲罐和壓力泵實現消油劑沿連續油管的下輸，完成消油劑的水下噴灑作業。基于此，對連續油管的動態模擬分析要求考慮環境條件、作業船舶等因素。方案選用設計輸入如下。

1)環境條件。波浪：Hs=2.65 m，Tp=7 s；表面流速：0.93 m/s。

2)船舶數據。海上作業船舶的主尺度：長103 m、寬16 m、吃水6.7 m。

3)連續油管選型。本項目使用的連續油管參考API RP 5CT的規范，選用材料等價CT80，直徑1.5 in，壁厚0.087 in。連續油管長度為1 500 m。連續油管材質及需求參數見表1。

表1 化學成分需求參數(質量分數)

4)環境方向。環境條件方向以船首到船尾為180°、225°兩個方向組成。如圖1所示。

2 模擬結果

下放過程的動態模擬計算，采用規則波dean stream，波高4.77 m，周期7 s，表面流速0.93 m/s, 計算分析了180°和135°兩個方向工況，見圖2、3。

圖1 環境方向定義

圖2 180°船舶運動RAO

圖3 135°船舶運動RAO

連續油管的orcaflex(見圖4)建模，底端是200 m長的高壓軟管，通過法蘭連接到連續油管，連接處配有配重塊，高壓軟管的另一端連接到噴灑臂和噴灑頭；頂端連續油管模擬到鵝頸的出口處，邊界條件是鉸接。

分別選擇不同配重重量(1 t、2 t和3 t)分析兩種環境方向對連續油管的UC值及偏移狀態分析，結果見表3。

連續油管下放過程的動態時域模擬結果表明，在配重分別為1 t、2 t和3 t時，連續油管最大的頂張力分別為49、60.7 kN和71.4 kN，最大等效應力分別為203.4 MPa、261.5 MPa和280.9 MPA，UC值最大分別為0.55、0.71和0.79，均滿足連續油管下放過程強度要求。3種工況導致的連續油管的底端偏移值分別為117 m、86 m和70 m左右。可以看出，對于1 500 m連續油管，在保持環境條件不變的情況下，不同配重對連續油管的動態偏移行為影響不大。但在180°和135°環境條件方向兩種工況下，連續油管動態行為變化較大。

表3 分析結果表

圖4 Orcaflex模型

3 結論

考慮不同工況、不同環境對連續油管在水下狀態影響，參考連續油管產品本身的應用條件論證發現，不同的配重對于連續油管的張緊力、等效應力、UC值及偏移量影響不大，反而環境條件方向對連續油管受力影響較大，因此建議下放過程中，船體保持隨浪隨流，避免橫浪。

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