譚瑞龍 段夢(mèng)蘭 汪志明 何 寧 雍倩文

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 北京 102249；2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院 北京 102249； 3. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

立管系統(tǒng)是海上油氣田開發(fā)的重要組成部分，是連接水下和水面部分的重要通道，在深水油氣田開發(fā)中起著重要作用[1]。隨著油氣勘探開發(fā)逐漸由淺水走向深水，立管系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和所需成本均迅速增加[2]。自由站立式立管作為深水油氣開發(fā)中的一種先進(jìn)立管形式，得到了越來(lái)越多的關(guān)注[3]。自由站立式立管(FSHR)通常又稱為混合立管或塔式立管，其主要包含空氣罐、連接頂部連接裝置和空氣罐的鋼鏈、頂部連接裝置、連接浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)和頂部連接裝置的柔性跨接管、立管主體、底部連接裝置、立管基礎(chǔ)及連接PLET和立管底部連接裝置的剛性跨接管。自由站立式立管作為一種有效的立管系統(tǒng)，在墨西哥灣、西非海域以及巴西海域等深水和超深水油田開發(fā)項(xiàng)目中得到了大量應(yīng)用[4-5]。

對(duì)于立管系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，涉及了立管系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)、內(nèi)外流的影響以及管土的相互作用[6-9]。何寧 等[10]建立了深水鋼懸鏈線立管三維有限元分析模型，對(duì)深水鋼懸鏈線立管系統(tǒng)在波浪、海流和浮體運(yùn)動(dòng)等載荷單獨(dú)作用和共同作用下的響應(yīng)特征進(jìn)行了分析；吳學(xué)敏 等[11]開展了深水頂張式立管參數(shù)振動(dòng)與渦激振動(dòng)耦合振動(dòng)分析方法研究，提出了深水頂張式立管參數(shù)振動(dòng)與渦激振動(dòng)耦合的振動(dòng)模型。

目前，針對(duì)自由站立式立管的研究大多集中在整體強(qiáng)度分析及疲勞分析，研究對(duì)象局限于自由站立式立管整體，分析方法都采用理論與有限元軟件數(shù)值模擬計(jì)算。例如，康莊 等[12-14]應(yīng)用有限元計(jì)算探討了自由站立式立管總體設(shè)計(jì)、總體強(qiáng)度、敏感性參數(shù)、總體運(yùn)動(dòng)疲勞問(wèn)題；CHEN Haifei等[15]采用有限元程序?qū)Φ湫突旌狭⒐苓M(jìn)行了參數(shù)分析，研究了在海流的作用下浮箱的直徑、長(zhǎng)度、潛水深度及柔性管的長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)立管靜力平衡位形的影響。

頂部和底部連接裝置是自由站立式立管系統(tǒng)中的關(guān)鍵連接部件和主要受力部件，其結(jié)構(gòu)形式和受力狀態(tài)均較為復(fù)雜。由于所受載荷的復(fù)雜性和不確定性，理論分析方法只能在一定程度上預(yù)測(cè)頂部和底部結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果受計(jì)算模型的選擇影響較大，無(wú)法驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,因此相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)成為該領(lǐng)域研究的必要手段。針對(duì)上述問(wèn)題，本文自主研制出了一套能夠真實(shí)模擬頂部和底部連接裝置所受載荷和運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)頂部和底部連接裝置相關(guān)功能和性能指標(biāo)檢驗(yàn)的自由站立式立管原理樣機(jī)試驗(yàn)裝置，并通過(guò)該裝置對(duì)自由站立式立管頂部及底部裝置數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行了修正與驗(yàn)證，為以后大量的計(jì)算分析提供了準(zhǔn)確可靠的方法，對(duì)于保障自由站立式立管系統(tǒng)的作業(yè)安全具有重要意義。

1 模型試驗(yàn)的相似關(guān)系

1.1 模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

相似理論是模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)，是定量試驗(yàn)中保證結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[16]。自由站立式立管系統(tǒng)相似關(guān)系具體推導(dǎo)過(guò)程為：首先建立自由站立式立管系統(tǒng)模型，從而確定自由站立式立管系統(tǒng)模型試驗(yàn)物理量，確定試驗(yàn)系統(tǒng)因變量與導(dǎo)出量，進(jìn)而研究各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系；然后確定自由站立式立管模型系統(tǒng)相似準(zhǔn)則；最后形成自由站立式立管模型試驗(yàn)理論體系。

自由站立式立管系統(tǒng)中力控制方程為

F=f(l,v,ρ,μ,g)

(1)

式(1)中：l為長(zhǎng)度;v為速度;ρ為密度;μ為黏度;g為重力加速度。

在本次試驗(yàn)過(guò)程中模型系統(tǒng)和原型系統(tǒng)之間各參數(shù)滿足如下關(guān)系：

(2)

(3)

式(2)、(3)中下標(biāo)m及p分別表示模型系統(tǒng)和原型系統(tǒng)，則有

(4)

(5)

1.2 模型試驗(yàn)相似比確定

在比例尺選擇上，模型試驗(yàn)的縮尺比在1∶1～1∶70之間都是允許的，自由站立式立管系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備試驗(yàn)要求縮尺比不小于1∶10?？紤]到小尺寸試件的結(jié)構(gòu)、受力和制作均與原型實(shí)際結(jié)構(gòu)不同，特別是大尺寸試件和小尺寸試件焊接殘余應(yīng)力差別較大，會(huì)使試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差，為縮小這種差別，盡可能設(shè)計(jì)出與實(shí)際結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)脑嚰?/p>

該試驗(yàn)所使用的六自由度振動(dòng)平臺(tái)的高度為2.2 m，平臺(tái)動(dòng)態(tài)加載周期為1～5 s，平臺(tái)加載能力見表1。原尺寸頂部結(jié)構(gòu)高度約為11 m，考慮縮比之后為頂部邊界加載預(yù)留空間以及該六自由度振動(dòng)平臺(tái)的加載能力，本試驗(yàn)裝置采用1∶7的幾何縮尺比，縮比之后靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的加載參數(shù)均不超過(guò)六自由度振動(dòng)平臺(tái)的加載能力，滿足靜態(tài)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求。

表1 六自由度振動(dòng)平臺(tái)加載能力

頂部連接裝置樣機(jī)主體尺寸可控制在1.1 m×0.7 m×1.575 m的范圍內(nèi)，底部連接裝置樣機(jī)主體尺寸可控制在0.76 m×0.28 m×0.65 m的范圍內(nèi)，頂部連接裝置樣機(jī)質(zhì)量縮比后為113.4 kg，底部連接裝置樣機(jī)質(zhì)量縮比后為35.9 kg。按照相似準(zhǔn)則，得到原型與原理樣機(jī)的相似比見表2。

表2 模型試驗(yàn)各物理量的相似比

2 模型試驗(yàn)裝置的研制

2.1 總體設(shè)計(jì)

圖1 自由站立式立管頂部連接裝置原理樣機(jī)試驗(yàn)裝置

圖2 自由站立式立管底部連接裝置原理樣機(jī)試驗(yàn)裝置

自由站立式立管頂部和底部連接裝置原理樣機(jī)試驗(yàn)裝置分別如圖1、2所示，該套裝置包括加載裝置、原理樣機(jī)角度調(diào)節(jié)裝置、鵝頸管張力角度調(diào)節(jié)裝置、恒張力裝置、彎矩加載裝置及邊界固定裝置。其中，加載裝置包括六自由度振動(dòng)平臺(tái)、伺服電機(jī)、減速機(jī)、輥筒及控制裝置，加載裝置通過(guò)鋼絲繩與原理樣機(jī)相連接；原理樣機(jī)角度調(diào)節(jié)裝置包括手搖絞盤和調(diào)節(jié)架；鵝頸管張力角度調(diào)節(jié)裝置包括滑輪與導(dǎo)軌；恒張力裝置包括立架、滑輪與配重桶；彎矩加載裝置包括2個(gè)配重桶和連接架；邊界固定裝置由2個(gè)三角架及水平放置的2根彈簧組成。

2.2 試驗(yàn)加載系統(tǒng)

2.2.1運(yùn)動(dòng)加載系統(tǒng)

試驗(yàn)所用六自由度振動(dòng)平臺(tái)如圖3所示，通過(guò)該平臺(tái)可加載試驗(yàn)過(guò)程中頂部及底部連接裝置的位移載荷。根據(jù)所提供的頂部浮筒及底部立管在海水中的響應(yīng)情況，將各個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況輸入到振動(dòng)臺(tái)，即可模擬浮筒和立管的運(yùn)動(dòng)。

圖3 六自由度振動(dòng)平臺(tái)

2.2.2力加載系統(tǒng)

模型試驗(yàn)自主設(shè)計(jì)了恒張力加載系統(tǒng)(圖4)，保證在六自由度振動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加載到樣機(jī)上的張力恒定。加載系統(tǒng)由同步伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、行星減速機(jī)及輥筒組成。該系統(tǒng)通過(guò)控制同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制張力大小，可加載張力大，產(chǎn)生載荷穩(wěn)定可靠，控制精度高。

圖4 恒張力加載裝置

2.3 輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)

原理樣機(jī)角度調(diào)節(jié)裝置如圖5所示，該裝置由手搖絞盤、調(diào)節(jié)架和鋼架組成，通過(guò)手搖絞盤的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)鋼架與調(diào)節(jié)架的距離，從而調(diào)節(jié)樣機(jī)的角度。該裝置可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)角度的連續(xù)變化，控制精度高。

鵝頸管張力角度調(diào)節(jié)裝置如圖6所示，通過(guò)滑輪在導(dǎo)軌上的不同位置實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的角度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)張力角度的調(diào)節(jié)。

圖5 原理樣機(jī)角度調(diào)節(jié)裝置

圖6 鵝頸管張力角度調(diào)節(jié)裝置

3 試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用與數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

3.1 自由站立式立管頂部及底部連接裝置試驗(yàn)參數(shù)

采用所研制的試驗(yàn)裝置對(duì)自由站立式立管頂部及底部連接裝置開展運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何獲取試驗(yàn)所需的自由站立式立管頂部及底部連接裝置的關(guān)鍵受力情況。考慮自由站立式立管總體偏轉(zhuǎn)角度、跨接管在頂部連接裝置和FPSO側(cè)的懸掛角度以及環(huán)境載荷，選擇從遠(yuǎn)向、近向、左橫向和右橫向等4個(gè)方向角入射時(shí)不同工況組合共88種，通過(guò)OCAFLEX數(shù)值模擬計(jì)算88種工況，分析頂部及底部連接裝置的關(guān)鍵受力情況，將88中工況中頂部及底部連接裝置的最危險(xiǎn)工況作為試驗(yàn)工況，從而得到試驗(yàn)所需的自由站立式立管頂部及底部連接裝置的關(guān)鍵受力情況如圖7所示，具體工況的參數(shù)值見表3。

圖7 自由站立式立管頂部及底部連接裝置的關(guān)鍵受力情況

參數(shù)數(shù)值T1/kN10 83θ1/(°)3 06T2/kN0 65θ2/(°)159T3/kN5 2872T4/kN0 1990M1/(kN·m)0 0179

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

自由站立式立管頂部連接裝置有限元計(jì)算模型如圖8所示。修正前模型主體框架采用四面體實(shí)體單元SOLID285，鵝頸管簡(jiǎn)化為剛體梁?jiǎn)卧狹PC184；修正后的計(jì)算模型主體框架采用梁?jiǎn)卧狟EAM188，框架兩端端部采用殼單元SHELL281。修正后模型增加AB立管段防止邊界效應(yīng)，將CD鵝頸管段由優(yōu)化前的剛體單元改為梁?jiǎn)卧獏⑴c計(jì)算。修正后的模型網(wǎng)格數(shù)量較修正前少，計(jì)算資源占用少。

圖8 自由站立式立管頂部連接裝置的有限元模型

圖9為自由站立式立管底部連接裝置有限元計(jì)算模型，修正前模型框架采用BEAM188，修正后的計(jì)算模型主體框架采用梁?jiǎn)卧狟EAM188，框架兩端端部采用殼單元SHELL281。修正后模型增加FG立管段防止邊界效應(yīng)；修正前E點(diǎn)的應(yīng)力接頭存在過(guò)度簡(jiǎn)化，修正后采用過(guò)渡接頭更加符合實(shí)際結(jié)構(gòu)；修正后H點(diǎn)邊界條件由固定邊界改為固定扭轉(zhuǎn)剛度的球形接頭。修正后的模型各部件功能更完整，更加接近真實(shí)結(jié)構(gòu)。

圖9 自由站立式立管底部連接裝置的有限元模型

3.3 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

開展自由站立式立管頂部和底部連接裝置靜態(tài)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算，分別在頂部連接裝置及底部連接裝置布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖10，引線指示處為測(cè)點(diǎn))測(cè)其應(yīng)變，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值，最終得到自由站立式立管頂部和底部連接裝置的靜態(tài)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見表4、5。從表4、5可以看出，該試驗(yàn)裝置在進(jìn)行自由站立式立管頂部及底部連接裝置靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)結(jié)果穩(wěn)定性較好，表明可以通過(guò)該裝置測(cè)得關(guān)鍵位置應(yīng)力，從而為優(yōu)化自由站立式立管系統(tǒng)頂部及底部關(guān)鍵設(shè)備提供參考。通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，修正后的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差不超過(guò)6.82%，表明修正后的數(shù)值模型能夠較準(zhǔn)確地反映頂部與底部靜態(tài)響應(yīng)。

圖10 自由站立式立管頂部及底部連接裝置測(cè)點(diǎn)分布

測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力/MPa試驗(yàn)1試驗(yàn)2試驗(yàn)3試驗(yàn)均值數(shù)值模擬試驗(yàn)均值與數(shù)值模擬相對(duì)誤差/%1214 95217 30214 67215 64227 005 272-109 16-105 84-108 53-107 84-113 004 78333 5635 9333 6234 3736 405 91462 4862 2560 4161 7165 906 795-216 92-216 35-217 34-216 87-228 005 136204 61206 66204 47205 24216 005 247-124 22-126 01-128 03-126 08-133 005 49

表5 自由站立式立管底部連接裝置靜態(tài)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖11 自由站立式立管頂部連接裝置不同測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力隨時(shí)間變化

圖12 自由站立式立管底部連接裝置不同測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力隨時(shí)間變化

自由站立式立管頂部和底部連接裝置不同測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別如圖11、12所示。從圖11、12可以看出，該試驗(yàn)裝置在進(jìn)行自由站立式立管頂部及底部連接裝置的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)所得結(jié)果充分反映了關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力在外力作用下的變化，為自由站立式立管關(guān)鍵設(shè)備的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)證及優(yōu)化提供了計(jì)算方法與依據(jù)。通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好，表明修正后的數(shù)值模型能夠較準(zhǔn)確地反映出自由站立式立管頂部及底部連接裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

在頂部連接裝置樣機(jī)7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)1、5、6主應(yīng)力較大，可以適當(dāng)增加管徑和壁厚或減小鵝頸管曲率半徑來(lái)降低該點(diǎn)應(yīng)力；測(cè)點(diǎn)3、4主應(yīng)力較小，可以適當(dāng)減小管徑和壁厚來(lái)減小頂部連接結(jié)構(gòu)自重，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，頂部連接裝置樣機(jī)測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力隨時(shí)間變化非常大，在疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮。在底部連接裝置樣機(jī)7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)2主應(yīng)力較大，可以適當(dāng)增加管徑和壁厚來(lái)實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力；測(cè)點(diǎn)4的主應(yīng)力較小，可以適當(dāng)減小管徑或壁厚來(lái)減小自重，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)；在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)1、2、7的應(yīng)力隨時(shí)間變化非常大，在疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮。

4 結(jié)論

1) 以相似理論為基礎(chǔ)，研制出了適用于自由站立式立管頂部及底部連接裝置原理樣機(jī)試驗(yàn)裝置，利用六自由度振動(dòng)平臺(tái)可以真實(shí)模擬實(shí)際工況下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，利用自主設(shè)計(jì)的恒張力裝置能夠真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)的受力。

2) 使用該試驗(yàn)裝置對(duì)自由站立式立管頂部及底部連接裝置進(jìn)行了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，所得靜態(tài)及動(dòng)態(tài)結(jié)果穩(wěn)定性較好，表明可以通過(guò)該裝置測(cè)得關(guān)鍵位置的主應(yīng)力，進(jìn)而優(yōu)化自由站立式立管系統(tǒng)頂部及底部關(guān)鍵設(shè)備。

3) 使用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證后的數(shù)值模型能夠很好地反映自由站立式立管頂部及底部連接裝置靜態(tài)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以為自由站立式立管關(guān)鍵設(shè)備的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)證及優(yōu)化提供可靠的計(jì)算方法和依據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析表明，對(duì)于頂部連接裝置，可通過(guò)增加與立管連接處的管徑和壁厚或減小鵝頸管曲率，減小主框架管徑和壁厚，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)于底部連接裝置，可通過(guò)增加與立管連接處的管徑和壁厚，減小與跨接管連接處管徑或壁厚，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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