海洋结构设计-海洋立管设计与分析

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1、海洋结构设计海洋立管设计与分析中国海洋大学2017年6月海洋立管设计与分析摘要：海洋立管是现代海洋工程结构系统屮的重要组成部分Z-,同时也是薄弱易损的构件之一。作为海面与海底的主要联系通道，海洋立管下端--般与万向节相连，上端与平台的滑移节或钻探船舶等相连。海洋立管内部有高温高压的石油、天然气通过，外部承受波浪、海流荷载的作用。立管在内部流体及外部环境荷载的作用下会发牛弯曲和振动，当结构的固有频率和外荷载的频率相近时，极有可能引起结构的共振，从而造成立管结构的破坏。而立管一旦遭到破坏，不仅致使工程本身遭

2、受破坏，而且可能造成油气的泄漏、爆炸等严重的次生灾害。因此掌握海洋立管设计知识及规范、研究复杂的风、浪、流深水环境条件下海洋立管的静力响应、动力响应、疲劳分析及损伤检测研究具有十分现实的意义。正文：近些年来，海洋深水开发领域屮的油气勘探及开发活动频率大幅增加,勘探及开发水深与前些年相比增加了近一倍。海洋工业正在研究试图在更深的海域中建造更加便捷的牛产系统，这当然需要更多的采用新技术、新方法及新设备。同时这也符合世界海洋石油天然气工业发展的总趋势。随着水深的不断增加，深水开发的技术装备将不断面临新的挑战，

3、海洋平台及立管系统在这一次次的挑战中得到了巨大发展，从张力腿平台、平台、半潜式平台发展到今天的浮式生产系统和浮式生产储运系统。海洋立管是连接水面浮式装置和海底设备如井口、总管的导管，是海洋油气[□资源开发的重要结构，一般来说要满足以下功能：（1）外输、输入或循环流体；（2）钻井或修井机工具到井口的导向；（3）支撑辅助线；作为生产构件的立管系统（钻井和采油阶段）的功能包括：（4）生产和回注；（5）输出/输入或循环流体；（6）钻井；（7）完井、修井；海洋立管的分类比较复杂，类型多种多样，如下表1所示。表1海

4、洋立管分类立管的外形整体式+非整体式立管的结构筒内+筒外立管的本质刚性+柔性（混合立管）油田开发不同阶段的功能钻井+生产立管的特点和适用性钢悬链线式+顶端张紧式柔性+白由站立式新型的结构形式顺应式垂直通路+多孔混合+…海洋立管分类简介1.1钢悬链线式立管(SteelCatenaryRiser)1.1.1钢悬链线式立管的结构特点随着海洋油气资源开发活动不断向深水海域发展，立管系统在油气开发生产成本中所占的比重越来越大，传统的立管系统在技术上和经济上已经不适应深水发展的需要。柔性立管成本高、且不适应深水油气

5、田高温高压的生产条件，大直径的柔性立管的制造受到技术的限制，发展较为缓慢。顶端张紧式立管不能顺应浮体较大的漂移运动，而且随着水深的增加，顶张力和浮体垂荡运动的步长也变得越来越困难，钢悬链线立管的出现有效的解决了上述问题。钢悬链线式立管集海底管线与立管于一身，一段连接着井口，另一端连接着浮式结构，无需海底应力结构或柔性结构的连接，大大降低了水下施工量和难度。立管通过柔性接头自由悬挂在平台外侧，无需液压气动张紧器装置和跨接软管,大大节约了平台空间，如图1所示。图1深水钢悬链线式立管示意图因此，与柔性立管和顶

6、端张紧式立管相比，钢悬链线式立管的成本低，无需顶张力补偿，对浮体漂移和升沉运动的容度大，适用于高温高压介质环境。这些特点使得钢悬链线式立管取代柔性立管和顶端张紧式立管而成为深海油气资源开发的首选立管系统。1.1.2钢悬链线立管的基本型式自墨西哥湾的第一条钢悬链线立管问世以来，已经有数十条钢悬链线立管在墨四哥湾、巴西坎普斯湾、北海、挪威海、印度海和四非等海域投入使用，开创了深水立管系统的新纪元，为了适应不同水深的需要，钢悬链线立管的概念被不断的发展和延伸。已经出现了4种基本型式：(1)钢悬链线式立管■简单

7、悬链线式立管(SimpleCatenaryRiser)；(2)浮力波或缓波悬链线式立管(BuoyantWave/LazyWaveRiser)；(3)陡波悬链线式立管(SteepWaveRiser)；(4)L型立管(BottomWeightedRiser)；其中，缓波及陡波悬链式立管是为了减少立管的顶部张力而设计的，其隆起部分是由浮力来实现，因此，他们的作业水深比简单悬链线立管更大。1.1.3钢悬链线立管面临技术挑战钢悬链线式立管的独特结构形式也为其设计、制造、安装和安全服役提出了新的挑战。其中控制钢悬链

8、线式立管设计和安全服役的因素为顶部和处地点疲劳寿命以及流线段与海底的相互作用。触底点是钢悬链线式立管的特征点，特别是简单悬链线式立管，它是悬垂段与流线段的连接点。当浮体结构在风、浪和流的作用下发生运动时，悬垂段和流线段会同时随浮体结构运动，从而引起触底点沿轴线的变化，同时也引起流线段与海底的相互作用，触底点的疲劳损伤主要是有浮体运动和涡激振动引起的，海底刚度对触底点的疲劳损伤有较大的影响，海底刚度越大，立管与海底相互作用引起的疲劳损伤越严重