( 中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

隨著裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展和高效率陸地采油裝備的大量使用，有限的陸地石油資源已經(jīng)開采殆盡，海洋油氣逐漸成為油氣資源開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。油氣運(yùn)輸是海洋油氣資源開發(fā)中的重要一環(huán)，在淺海油氣資源開發(fā)過程中，主要通過海底管道實(shí)現(xiàn)海洋油氣運(yùn)輸。在海底管線施工中最重要的就是海洋立管的安裝。海洋立管是空間三維結(jié)構(gòu)，其主要由水平方向的膨脹彎管和豎直方向的底部彎管組成，在安裝過程中保證這兩個部分順利連接并進(jìn)入立管卡的難度較大。隨著海洋科技發(fā)展速度的加快和能源消耗的急劇增長，海洋油氣運(yùn)輸需求不斷擴(kuò)大，海洋立管安裝口徑也越來越大。大口徑海洋立管的安裝成為一個亟待解決的問題，因此開展淺海大口徑海洋立管安裝技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大口徑海洋立管安裝技術(shù)

1.1 研究現(xiàn)狀

1954年，第一條海底管道在美國墨西哥灣敷設(shè)完成，在之后的60多年里，海底管道運(yùn)輸在管道敷設(shè)長度、敷設(shè)水深和最大敷設(shè)管徑等方面都取得了巨大成就[2]。而且，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和裝備的現(xiàn)代化，海洋平臺鉆井技術(shù)和采油技術(shù)都得到迅猛發(fā)展[3]。海洋立管的安裝，尤其是大口徑海洋立管的安裝是制約海洋工程技術(shù)發(fā)展的一個重要因素，同時海洋立管所處環(huán)境較為惡劣、抗腐蝕能力較弱，如何解決大口徑海洋立管的這些安裝難題引發(fā)了國內(nèi)外許多學(xué)者濃厚的研究興趣[4-6]。當(dāng)前，我國小口徑海洋立管的安裝技術(shù)較為成熟，對淺海海洋立管安裝也有較深入的研究，但淺海大口徑海洋立管的安裝技術(shù)基礎(chǔ)還較薄弱，存在許多問題。

1.2 技術(shù)要求

海洋立管口徑的加大必將導(dǎo)致其剛度急劇增加，在這種工況下，使空間海洋立管與水平海洋立管連接后順利進(jìn)入立管卡非常困難。而且，海洋立管所處的環(huán)境條件惡劣，并且所受載荷為動載荷，在安裝過程中會產(chǎn)生較大的施工應(yīng)力，因此大口徑海洋立管安裝技術(shù)要求更高。

首先，應(yīng)符合海洋立管的設(shè)計(jì)原則：總體布置上盡可能利用海洋立管所依附的結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行保護(hù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)保證立管在特殊載荷作用下能安全運(yùn)行防止可能出現(xiàn)的過度屈服、屈曲、疲勞、斷裂和加重層剝落等；在輸送高凝原油時，需考慮隔熱保溫措施。

其次，在海底管道敷設(shè)終止時，鋪管船需側(cè)過導(dǎo)管架，距管頭一定范圍內(nèi)的管道會偏離設(shè)計(jì)航線，須將其移到設(shè)計(jì)航線上來。大口徑海洋立管剛度較大，在移位時需對移船進(jìn)行嚴(yán)格控制，以免造成更大的反向誤差或不必要的施工事故。為了給后續(xù)立管預(yù)制提供數(shù)據(jù)，在平管移位完成后，潛水員需在水下測量出管頭的位置和管道的走向。對于大口徑海洋立管，較大的剛度導(dǎo)致其安裝難度更大，這就要求“平管移位”“水下測量”“立管預(yù)制”等步驟盡可能精確，其中水下測量工作的影響最大。

最后，也是最關(guān)鍵的是大口徑海洋立管與平管的連接和安裝。由于大口徑海洋立管剛度較大，平管與立管對接時焊接難度增大，如何順利、高效地連接平管與立管并在連接后使其順利進(jìn)入立管卡，是大口徑海洋立管安裝的關(guān)鍵。在一般情況下，平管起吊時管頭需高出甲板1 m左右，管道仰角為10°，考慮大口徑立管的剛度較大，需按照《平管起吊計(jì)算分析》調(diào)節(jié)平管起吊操作，使平管的仰角小于10°，確保不損害平管。為使空間立管與水平管連接后順利進(jìn)入立管卡完成安裝，要求施工船舶具有穩(wěn)定的定位能力以保證吊裝的精準(zhǔn)性。剛度的增大使水下旋轉(zhuǎn)立管全部進(jìn)入立管卡的難度相應(yīng)增大，一般先在腿柱內(nèi)預(yù)裝內(nèi)立管，并通過平臺建造時預(yù)留的巷道(或隧道)作為平管與海洋立管連接的入口，通過平臺上的絞車和巷道口的導(dǎo)向裝置，用纜索牽引拖拉平管，使之進(jìn)入巷道一定長度后密封巷道，然后抽干巷道內(nèi)的水，在常壓下將巷道內(nèi)的平管與海洋立管焊接起來。外立管與平管在水下連接的步驟：首先用鋪管船的高架吊吊起立管并沿導(dǎo)管架將其垂直放至海底，用立管卡把立管固定在導(dǎo)管架上；然后將駁船錨泊定位，通過固定在立管彎頭處的定滑輪，把平管連到立管彎頭處，再由潛水員將立管與平管焊接起來。綜上所述，海洋立管安裝工序復(fù)雜、技術(shù)含量高，在淺海海洋立管安裝中，導(dǎo)管架上的海洋立管安裝是最關(guān)鍵和最復(fù)雜的一環(huán)，其安裝流程可以簡化為圖1所示的幾個步驟。

圖1 導(dǎo)管架上海洋立管安裝步驟

1.3 安裝方式

海洋立管安裝的大部分作業(yè)依賴大型海上起重施工船。根據(jù)施工船的種類和施工方式，可將立管安裝分為以下3種：

圖2 DSV將立管傳遞至平臺絞車

(1) 大型起重施工船+深潛船 (Deep Submergence Vehicle， DSV)。大型起重施工船須有足夠大的甲板并裝有大型吊機(jī)同時具有穩(wěn)定的定位能力，用來轉(zhuǎn)運(yùn)、起吊海洋立管并保證吊裝的精確性。在吊裝時其通過大型吊機(jī)與浮袋的配合來保持海洋立管在水中的平衡，通過牽引繩將海洋立管移至指定位置，再由潛水員下水完成最后的安裝。

(2) 動力定位船+DSV。該方式通過在定位船上加裝3個吊柱來實(shí)現(xiàn)對定位船的改裝。在吊裝時，通過吊機(jī)與絞車的相互配合，使立管到達(dá)指定位置，最后由潛水員下水完成最后的安裝。其中，DSV定位船只負(fù)責(zé)飽和潛水作業(yè)。

(3) DSV單船立管安裝。該方式綜合比較了前兩種安裝方法的優(yōu)缺點(diǎn)并由我國相關(guān)人員結(jié)合工程實(shí)踐提出[7]。其通過合理設(shè)計(jì)DSV船上2個吊機(jī)和安裝絞車的位置，使其相互配合完成立管起吊、扶正、傳遞及安裝工作，從而控制和調(diào)整立管在空中的狀態(tài)。這種吊裝方法不僅節(jié)約吊裝成本而且大幅度提高吊裝的效率。海洋立管起吊和傳遞過程如圖2所示。立管安裝過程由水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicle， ROV)全程監(jiān)控，通過ROV反饋的情況來操縱平臺絞車和DSV調(diào)整立管位置，使其到達(dá)指定位置，最后由潛水員下水完成最后的安裝。

2 海洋立管工作狀態(tài)及吊裝狀態(tài)有限元分析

有限元分析方法作為一種有力的工程數(shù)值分析方法，可將立管這種連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組按照一定規(guī)律聯(lián)結(jié)成的單元組合體，從而把連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)換為離散的有限自由度問題，使海洋立管的研究更加明了化和科學(xué)化。ANSYS有限元操作軟件因其強(qiáng)大的功能和簡單方便的操作受到國際學(xué)者的普遍認(rèn)可[8]。采用ANSYS軟件分別對914 mm海洋立管和813 mm海洋立管的工作狀態(tài)及安裝狀態(tài)進(jìn)行有限元模擬受力分析。

2.1 海洋立管工作狀態(tài)受力分析

海洋立管在海中的工況較為復(fù)雜，主要受疲勞腐蝕和強(qiáng)度屈服兩方面的影響。海洋立管受到的應(yīng)力可分解為3個相互正交的應(yīng)力，即軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力[9]。不考慮環(huán)向應(yīng)力，立管所受的工作載荷可根據(jù)以下條件進(jìn)行模擬。

選擇作業(yè)水深為3.5～30.0 m，海水流速為4 kn，有效波高為2.5 m的海洋環(huán)境。假設(shè)海洋立管在海中受到的軸向載荷包括自重和井口的壓載，其中軸向力為分布力；立管所受的橫向載荷主要包括風(fēng)、浪、流載荷。由于立管入泥較深，取3倍管徑固支。把各種載荷放在一個平面上，假設(shè)立管的受力狀況最為惡劣。風(fēng)力按照12級計(jì)算，即風(fēng)速為33.6 m/s，迎風(fēng)面積按照立管的最大截面積計(jì)算，海面以上高度為18 m，井口壓載取3 t。

由上述條件可計(jì)算得到914 mm立管所受風(fēng)載為9 172 N，813 mm立管所受風(fēng)載為8 158 N。分別對914 mm和813 mm立管的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬受力分析，得到圖3和圖4的受力分布圖。表1為兩種海洋立管的受力和變形情況比較。

圖3 914 mm海洋立管工作時受力分布圖 圖4 813 mm海洋立管工作時受力分布圖

表1 914 mm和813 mm海洋立管工作狀態(tài)的受力和變形情況

出現(xiàn)這樣的結(jié)果是因?yàn)椋核娓浇呛Ｑ罅⒐芘R空與在海面的臨界點(diǎn)，受力情況復(fù)雜，容易發(fā)生變形；泥線下部固定處是海洋立管與海床接觸的臨界點(diǎn)，不僅受海洋立管位移載荷的作用，還需承受海床土體的抵抗作用，受到的應(yīng)力較大，是立管彎矩變化最大的部位。由于工作環(huán)境不同，海洋立管選擇的材料也不一樣，通常鋼材選用從X42(碳鋼)到X65(特種鋼)。API-5L是針對天然氣、石油等管線鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[10]，我國海洋立管的產(chǎn)品規(guī)范選用SPI-2，根據(jù)規(guī)范要求本文選取產(chǎn)品等級為X60的鋼材作為大口徑海洋立管的材料，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可得其最小屈服強(qiáng)度為414 MPa，最小抗拉強(qiáng)度為517 MPa。對比可知工作狀態(tài)下的大口徑海洋立管所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于該鋼材所能承受的強(qiáng)度要求，所以該海洋立管材料可滿足大口徑海洋立管的工作要求。

2.2 吊裝狀態(tài)受力分析

海洋立管的吊裝狀態(tài)不同于其工作狀態(tài)，吊裝時主要受自身重力的影響。用直徑為80 mm的鋼絲繩來模擬立管吊裝過程。在吊裝過程中所受的力主要來自于自身重力和鋼絲繩的拉力，圖5和圖6分別為914 mm和813 mm海洋立管吊裝狀態(tài)的應(yīng)力分布圖。表2為兩種海洋立管的受力和變形情況。

圖5 914 mm海洋立管吊裝受力圖 圖6 813 mm海洋立管吊裝受力圖

表2 914 mm和813 mm海洋立管吊裝狀態(tài)的受力和變形情況

由表2可知：兩種大口徑海洋立管在吊裝狀態(tài)下的最大變形和最大應(yīng)力都來自于立管底部；由于813 mm海洋立管口徑相對較小，自重較低，因此其最大變形和最大應(yīng)力比914 mm海洋立管小，而914 mm海洋立管安裝時所受的的最大應(yīng)力又遠(yuǎn)低于當(dāng)前海洋立管材料的強(qiáng)度要求，所以當(dāng)前海洋立管材料能滿足大口徑海洋立管的吊裝要求。

綜合比較914 mm與813 mm海洋立管吊裝和受力狀態(tài)可知，這種大口徑立管的吊裝能夠滿足材料的強(qiáng)度和變形要求，在淺海安裝是可行的。

3 結(jié) 論

淺海大口徑海洋立管能很好地滿足能源市場對海洋油氣的開發(fā)需求。海洋立管在海洋環(huán)境中承受著風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，是工程結(jié)構(gòu)中最薄弱易損的構(gòu)件之一。對大口徑海洋立管進(jìn)行合理的環(huán)境載荷設(shè)計(jì)，選取914 mm和813 mm兩種不同型號的大口徑海洋立管進(jìn)行對照研究，并對其相應(yīng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)仿真結(jié)果可知，大口徑海洋立管的應(yīng)用有很高的可行性，為提升海洋油氣運(yùn)輸速度提供了一個新思路，同時對海上采油技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。