深水开发的新型立管系统_钢悬链线立管_SCR_
深水开发的新型立管系统———
钢悬链线立管(SCR )Ξ
黄维平,李华军
(中国海洋大学海岸与海洋工程研究所,山东青岛266071)
摘 要: 1种全新的深水立管系统———钢悬链线立管(Steel Catenary Riser ,SCR )在墨西哥湾(G olf of Mexico )、坎普斯湾
(Campos Basin )、北海(North Sea )和西非(West Africa )得到了成功应用。它的适用水深为300～3000m ,且适用现有任何浮
式结构,从浅水的固定式平台到极深水的浮式生产储运系统(FPSO )。因此,它取代了传统的柔性立管和顶张力立管,成为深水油气开发的首选立管,被认为是深水立管系统的成本有效的解决方案。关键词: 钢悬链线立管;深水立管;海底管线;深水开发
中图法分类号: TE851 文献标识码: A 文章编号: 167225174(2006)052775207
近年来,深水开发中的油气勘探和开发活动大大增加,与前几年相比水深增加了1倍。海洋工业正在
更深的海域中建造生产系统,更多地采用新技术并较大程度地发展现有技术。这是世界上海洋石油天然气工业发展的总趋势,如墨西哥湾、坎普斯湾、北海和西非。随着水深的不断增加,深水开发的技术装备也不断面临新的挑战,海洋平台和立管系统在这一次次的挑战中得到了发展,从张力腿平台、单柱平台(S par )、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(FPSO )(见图1)。由于这些平台在海洋环境(风、浪、流)的作用下具有不同的运动特征,因此,对连
接海底管线和平台的立管系统也提出了不同的要求。如浮式结构的二阶慢漂运动在极端海况时,其最大漂
移量可达水深的6%～10%(张力腿平台和单柱平台),20%～30%(浮式生产系统或浮式生产储运系统)。顶张力立管已经没有能力顺应这样大的浮体漂移。而且,随着水深的增加,顶张力的补偿也变得越来越困难,更难以容纳浮体的升沉运动。柔性立管虽然可以顺应浮体的漂移和升沉运动,但大直径柔性立管许多技术问题目前还无法解决,且柔性立管的成本高,不适用于高温高压条件[1]。这迫使人们不得不寻求1种深水立管的成本有效的解决方案
。
图1 不同水深的平台结构
Fig.1 Platforms for different water depth
钢悬链线立管被认为是深水立管的成本有效的解
决方案,它出现于20世纪90年代中期,经过十几年的
发展,现在已经被成功应用于张力腿平台、单柱平台、半潜式平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统,水深
Ξ基金项目:教育部博士点基金项目(20050423002)资助
收稿日期:2006204206;修订日期:2006206202
作者简介:黄维平(19542),男,教授。E 2mail :wphuang @https://www.wendangku.net/doc/f64728610.html,
第36卷 第5期 2006年9月
中国海洋大学学报
PERIODICAL OF OCEAN UNIV ERSITY OF CHINA
36(5):775～780Sept.,2006
已经超过3000m ,成为深水开发的首选立管,图2是
钢悬链线立管与浮式生产储运系统。由钢悬链线立管和立管塔组成的混合立管系统(Hybrid Riser Tower ,HR T )(见图3)是钢悬链线立管向极深水的延伸。本文主要介绍钢悬链线立管的研究发展现状及我国的应用前景。
1 SCR 的结构特点
1994年壳牌公司(Shell )在墨西哥湾872m 水深的
张力腿平台Auger 上安装了世界上第1条钢悬链线立管,引起了工程界和学术界的极大关注。它以独特的优势赢得了深水开发的青睐。
钢悬链线立管集海底管线与立管于一身,一端连接井口,另一端连接浮式结构(见图2),无须海底应力接头或柔性接头的连接,大大降低了水下施工量和难度。它与平台的连接是通过柔性接头(Flexible Joint )自由悬挂在平台外侧,无需液压气动张紧装置和跨接软管,节省了大量的平台空间(见图4)。因此,与柔性立管和顶张力立管相比,钢悬链线立管的成本低,无需顶张力补偿,对浮体漂移和升沉运动的容度大[2],适用于高温高压介质环境①。这些特点使得钢悬链线立管取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水油气资源开发的首选立管系统。
与顶张力立管相比,30～50cm 的张力腿平台外输钢悬链线立管可降低成本1.5×106英镑;15～20cm 的导管架平台集输系统可降低成本1.0×106英镑;15～25cm 用于浮式平台系统可降低成本50%。与柔性立管相比,仅管材成本一项就可降低成本90%②。
自墨西哥湾的第1条钢悬链线立管问世以来,已经有数10条钢悬链线立管在墨西哥湾、巴西坎普斯湾、北海、挪威海、印度海和西非投入使用,开创了深水立管系统的新纪元[329]。为了适应不同水深的需要,钢悬链线立管的概念被不断地发展和延伸。已经出现了4种基本形式的钢悬链线立管———简单悬链线立管(Simple Catenary Riser )、浮力波或缓波悬链线立管(Buoyant Wave /Lazy Wave Riser )、陡波悬链线立管(Steep Wave Riser )和L 型立管(Bottom Weighted Ris 2er/L Riser )(见图5)。其中的缓波和陡波立管是为了减小立管的顶部张力而设计的,其隆起部分是由浮力来实现的,因此,它们的适用水深比简单悬链线立管更深③。
钢悬链线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课题和挑战。其中控制钢悬链线立管设计和安全服役的因素为顶部和触地点(Touch Down Point ,TDP )疲劳寿命以及流线段(Flowline )与海底的相互作用。触地点是钢悬链线立
管的特征点———特别是简单悬链线立管,它是悬垂段(Sag Bend )与流线段的连接点(见图5)。当浮体在风、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运动,从而引起触地点沿轴线变化,同时引起流线段与海底发生相互作用。触地点的疲劳损伤主要是由浮体运动和涡激振动引起的[10211],海底刚度对触地点的疲劳损伤有较大影响,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。而顶部疲劳损伤则主要是由波浪引起的
[12]。
图2 SCR 与FPSO
Fig.
2 SCR with FPSO
图3 混合立管系统
Fig.
3 Hybrid Riser Tower
图4 与平台的连接方式
Fig.4 Connected with Platform
6
77①②③Choosing the most Appropriate Rigid Cantenary Riser Design for Vari 2
ous Deepwater and Harsh Environments.Nigel Alderton and Ricky Thethi ,1998.
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中 国 海 洋 大 学 学 报2006年
图5 钢悬链线立管的基本形式
Fig.5 Configurations of SCR
2 SCR 的设计施工
钢悬链线立管的设计主要包括:(1)确定尺寸;
(2)静态设计;(3)动态设计;(4)涡激振动(V IV )分析;(5)疲劳分析;(6)柔性接点分析;(7)安装分析7个步骤。控制钢悬链线立管寿命的主要参数是顶部的疲劳寿命、极限强度和触地点疲劳寿命。SCR 的顶部张力是最大的,除平衡悬垂段及介质重力外,为了改善立管的静态和动态行为,还需施加一定的预张力以调整悬链线形状和刚度。尽管TDP 的张力最小,但引起TDP 疲劳损伤的因素较多,浮体二阶慢漂运动和涡激振动都会导致TDP 的疲劳损伤[11]。而顶部的疲劳损伤则主要是由一阶波浪荷载引起的[12]。因此,钢悬链线立管的设计包括极限应力状态设计和疲劳极限状态设计。设计规范仍参照现行的海底管线和立管设计规范———API RP 2RD ,API 5C3,API RP2A ,API RP 21111,ISO 1362827,DNV 2OS F201,ASM E B31.4and B31.8和DNV 296等[6,13214]。这些规范主要分为2类,极限状态法和工作应力法。目前已经开发出商业化的设计分析程序,包括综合的设计分析软件包———ABAQUS ,RIFL EX,DEEPL INES ,FL EXCOM3D ,FREECOM3D 和ARIANE;专业的功能分析软件———波致疲劳分析软件ORCAFL EX ,涡激振动分析软件SHEAR7,VIV A ,施工
安装分析软件OFFPIPE 等[15218]。
钢悬链线立管的施工安装技术也趋于成熟,主要包括卧式铺设(S 2Lay )、立式铺设(J 2Lay )和绞盘铺设(Reel Lay ),如图6～8所示。绞盘铺设方法的管线焊接是在陆地上完成的,由于管线缠绕在绞盘上而引起的残余变形,铺设时需增加矫直工艺。这些方法都已成功地完成了2000m 以上水深的钢悬链线立管铺设。
目前已经投入使用的钢悬链线立管有:墨西哥湾的张力腿平台Auger ,Mars ,Ram 2Powell ,Moses ,Mor 2peth 和Allegheny ;坎普斯湾的半潜式平台P 218和P 251;北海的重力式平台Statfjord C 和挪威海的半潜式平台Asgard B 。在西非和印度也有张力腿平台和半潜式平台应用钢悬链线立管。随着钢悬链线立管设计制
造和施工安装技术的不断完善,钢悬链线立管在深水
油气资源开发中将占据越来越重要的地位
。
图6 S 2Lay 示意图
Fig.6 S 2Lay
showing
图7 J 2Lay 施工照片
Fig.7 Photo of J 2
Lay
图8 Reel Lay 施工照片
Fig.8 Photo of Reel 2Lay
3 SCR 的关键技术
国外在钢悬链线立管的设计理论、分析计算方法和施工安装技术等方法已经积累了十几年的研究成果和经验,研究工作主要集中在以下几个方面。3.1浮体运动的影响 钢悬链线立管主要用于浮式结构与海底井口的连接,而浮式结构在风浪流的作用下,往往会产生较大的运动响应。这些响应主要包括一阶高频(波浪频率)响应和二阶低频(波浪的差频)响
7
775期黄维平,等:深水开发的新型立管系统———钢悬链线立管(SCR )
应,它们构成了浮体水平运动(Surge ,Sway )的主要部
分,以及升沉运动。浮体的一阶运动是关于平衡位置的振荡,其幅度小频率高,引起立管顶部低应力疲劳循环,构成立管顶部高周疲劳损伤的主体[12]。浮体的二阶慢漂(slow drift )运动由2部分组成,一部分是风和流引起的大幅度的漂移,另一部分是波浪引起的小幅度振荡。前者引起触地点的改变,后者将引起触地点的高应力疲劳循环,尽管触地点的应力较小,但应力的累积也将造成低周疲劳损伤[19]。浮体的升沉运动也引起触地点的疲劳损伤。
现有的浮式结构中,半潜式平台和浮式生产储运系统的一阶响应较大,单柱平台的一阶响应较小[13]。张力腿平台和单柱平台的升沉运动较小,而水平漂移量较大。在极端海况时,可达水深的6%～10%[10,20]。具有悬链线系泊系统的浮式结构,最大漂移量可达水深的20%～25%[21]。
3.2与海底相互作用 钢悬链线立管随浮体运动时,其流线段将与海底发生相互作用。它是影响触地点疲劳循环的最重要参数。在管线的反复作用下,海底将形成沟槽,沟槽的宽度一般为2～3倍的管径,沟槽深度一般为0.5～1倍的管径(见图9)[22]。海底沟槽的形成对钢悬链线立管的出平面运动有较大影响,当暴风和流迫使浮体发生大幅度漂移时,流线段的拔出和出平面运动将受到沟槽的阻力作用,引起立管局部应力增大,当悬链线处于绷紧状态、立管张力较大时,沟槽的影响尤为严重
。
图9 CARISMA J IP 大比例模型试验结果
Fig.9 CARISMA J IP large scale model test
在沟槽形成的过程中,管线的运动将受到土的阻力作用。阻力的大小取决于海底的刚度,而海底刚度对钢悬链线立管触地点的疲劳寿命有较大的影响。海底刚度越大,对触地点的疲劳损伤影响越严重。深水
油气田大多具有软质粘土海底(例如墨西哥湾的海底泥线处强度为2.6kPa ,随深度呈线性增长,增长幅度为1.5kPa/m ),其压缩刚度小,当变形达到20%管径
时,刚度完全丧失,呈理想塑性的性质[12]。不过软质粘土海底的吸力较大,吸力对疲劳损伤的影响虽小,但对极限应力的影响较大[23]。而且海底吸力是个最不确定的因素,它与管线拔出的速度、反复作用的次数以及海底重塑的时间有关[11]。图10是钢悬链线立管与海底相互作用模型联合工业计划(Catenary Riser/Soil Interaction Model for G lobal Riser Analysis ,CARIS 2MA )实验所得的海底吸力模型,可以看出,管线的拔出
速度对吸力的影响非常明显。
图10 CARISMA J IP 的土吸力模型
Fig.10 CARISMA J IP Model of uplift resistance
3.3疲劳损伤与寿命预测 疲劳寿命是钢悬链线立
管设计的控制参数,其影响因素之多,使得疲劳寿命预
测问题成为钢悬链线立管设计的难点。已经研究认定的影响因素有:波浪力、流、浮体的一阶响应、二阶响应和升沉运动。这些影响因素引起钢悬链线立管不同位置的疲劳损伤,因此,钢悬链线立管的疲劳损伤分为两大类———浪致振动疲劳和涡激振动疲劳。浪致振动主要造成立管顶部疲劳损伤,损伤的性质是低应力循环的高周疲劳损伤。其影响因素包括:一阶波浪力、浮体的一阶和二阶运动以及柔性接头的刚度等。图11和图12分别示出了浮体一阶和二阶运动引起的疲劳损伤,可以看出,二阶运动造成的顶部疲劳损伤远远大于一阶运动。通过减小柔性接头的刚度,可以降低顶部
的疲劳损伤[1]。
图11 浮体一阶运动引起的疲劳损伤
Fig.11 Fatigue damage caused by first order motion of vessel
8
77中 国 海 洋 大 学 学 报2006年
图12 浮体二阶运动引起的疲劳损伤
Fig.12 Fatigue damage caused by second order motion of vessel
涡激振动引起的疲劳损伤主要集中在静态触地
点,损伤的性质是高应力循环的低周疲劳损伤。其主要影响因素包括;浮体的升沉运动和二阶响应中的脉动分量、海底刚度、涡激力的动力特性[11213,18,24225]。钢悬链线立管的涡激振动可以采用焊接螺旋筋板的方法得到有效的控制,螺旋筋板焊接在悬垂段的前半段,如图13所示。研究表明,适度的筋板高度可以有效地控制边界层的分离,防止交替的涡旋脱落,最佳高度为0.1～0.2倍的管径,否则,拖曳力将大大增加。适度的
螺距可以有效地改变边界层分离的位置,干扰其轴向相关性,一般为5倍的管径。较大的螺距同样会导致拖曳力的大幅度增加[26]
。
图13 钢悬链线立管减振螺旋筋板
Fig.13 Helical strake of suppressing V IV
4 SCR 的应用前景
据估计,世界石油极限储量1.0×1012t ,可采储量
3.0×1011t ,其中海底石油1.35×1011t ;世界天然气储量2.55～2.80×1010m 3,海洋储量占1.4×1010m 3。上世纪末,海洋石油年产量已达3.0×109t ,占世界石油总产量的50%。近10年来,国外的海洋油气资源开发活动已从水深300m 的浅水区扩展到3000m 的深水区。据专家预测,未来世界油气总储量的44%将来自海洋的深水区。
我国近海海域发育了一系列沉积盆地,总面积达近106km 2,具有丰富的含油气远景。这些沉积盆地自北向南包括:渤海盆地、北黄海盆地、南黄海盆地、东海盆地、冲绳海槽盆地、台西盆地、台西南盆地、台东盆
地、珠江口盆地、北部湾盆地、莺歌海2琼东南盆地、南
海南部诸盆地等。珠江口盆地、琼东南盆地的深水陆坡区将成为我国南海北部今后主要的勘探开发接替领域;东沙群岛以东、西沙海槽陆坡区、莺歌海盆地深水区以及南沙海域广阔的陆缘深水区等,也将成为极具潜力的油气勘探领域。
“十五”期间,我国的深水油气勘探技术又有了重大突破,已经在南海首次发现了厚度超过104m 的巨
厚前生代沉积层,这标志着我国的海洋资源开发活动将走出陆架的浅水区,挺进深水区。“十一五”期间,我国原油产量中的增量部分将主要来自海洋石油。目前,我国的海上油气勘探主要集中于渤海、黄海、东海及南海北部大陆架,预测石油资源量为2.753×1010t ,天然气资源量为1.06×1013m 3。原油的发现率仅为18.5%,天然气发现率仅为9.2%,极具勘探开发潜力。
可见,钢悬链线立管的应用前景十分广阔,可以预测,随着钢悬链线立管技术的不断成熟,它将在我国的经济建设,特别是能源开发中扮演重要的角色。
5 结语
本文介绍的1种新型的深水立管系统———钢悬链线立管,由于成本低、适用深水油田的高温高压介质环境和对浮体运动的顺应能力强等特点而成为深水油气开发的首选立管形式。国外的研究和工程经验表明,借助于浮力波(Buoyant wave )和立管塔(Riser tower )等结构形式,可以进一步提高钢悬链线立管的适用水深和对浮体运动的容度,而成为深水和极深水立管系统的成本有效解决方案。参考文献:
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Correlation Between Wave Heights and the Accumulative Probability
of Wave Height in the Wave Group
WEN Fan,G AO Zhi2Y i
(Physical Oceanography Laboratory,Ocean University of China,Qingdao266003,China)
Abstract: The study is made on the correlation between wave heights and the accumulative probability of wave height in the wave group by analyzing wind wave data in the laboratory.It is found that the correlation between wave heights exists mainly in consecutive waves.However,in the case of waves separated by one or two waves correlation still exists.The correlation is influenced by spectral width.The effects of spectral width on the correlation are different in the cases of consecutive waves and waves separated by one or two waves.In the case of consecutive waves the effect of s pectral width on the correlation is mainly in the high wave range. The effect on the overall correlation is very weak.In the case of waves separated by one or two waves,the ef2 fect of spectral width on the overall correlation is remarkable.A wave height accumulative probability distribu2 tion containing correlation parameter is proposed.
Key words: wind waves;correlation;spectral width
责任编辑 庞
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A New Type of Deepwater Riser in Offshore Oil&Ga s Production:
the Steel Catenary Riser,SCR
HUAN G Wei2Ping,L I Hua2J un
(Institute of Coastal&Offshore Engineering,Ocean University of China,Qingdao266071,China)
Abstract: Steel catenary risers,which have been installed and in service safely in offshore oil and gas fields in the Gulf of Mexico,Campos Basin,Brazil,the North Sea and West Africa since1994,are introduced in the paper.They are connected to TL Ps,Spars,semi2submersibles and FPS in deepwaters from300m to3000m in oil and gas fields.SCR is considered over both flexible riser and TTRs in deepwater development and is a cost effective solution to deepwater oil and gas production.
Key words: SCR;marine riser;subsea pipeline;deepwater development
责任编辑 陈呈超
国外深水钢悬链线立管研究发展现状
综 述 国外深水钢悬链线立管研究发展现状 Ξ 黄维平,白兴兰,李华军 (中国海洋大学海洋工程系,山东青岛266100) 摘 要: 介绍国外在新型深水立管系统———钢悬链线立管关键技术方面的研究发展现状,论述浮体一、二阶运动对钢悬链线立管疲劳寿命的影响、浮体升沉运动对钢悬链线立管触地点疲劳寿命的影响;钢悬链线立管与海底相互作用机制的实验研究及结果;钢悬链线立管涡致振动与疲劳的研究现状。并简要论述钢悬链线立管触地点问题的研究结论。关键词: 钢悬链线立管;深水立管;海洋油气开发;深水开发 中图法分类号: TU312 文献标识码: A 文章编号: 167225174(2009)022290205 随着海洋油气资源开发活动不断向深水发展,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。柔性立管不仅成本高,而且不适应深水油气田高温高压的生产条件,同时大直径柔性立管的制造受到技术的限制,其发展空间微乎其微[122]。顶张力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补偿也变得越来越困难,同时气动液压张紧装置占用较大的平台空间,对于比较紧凑的平台空间来说是不经济的[324]。为此,人们一直在寻求1种深水开发的有效解决方案。 钢悬链线立管(Steel Caternary Riser ,SCR )是国外近年来研究发展起来的一种新型深水立管系统,它不仅成本低、对浮体运动有较大的适应性,而且适用高温高压工作环境。因此,取代了柔性立管和顶张力立管而成为深水开发的首选立管形式,被誉为深水开发的成本有效解决方案。自1994年shell 公司在墨西哥湾的张力腿平台Auger 上安装了世界第一条钢悬链线立管以来,在墨西哥湾(G olf of Mexico )、坎普斯盆地(Campos Basin )、北海(North Sea )和西非(West Africa )等几大海上油气田,已经有数十条钢悬链线立管投入使用[5] 。由于钢悬链线立管是1个全新的深水立管概念,为了保证它的安全经济运行,美国、英国、挪威和巴西等国发起了联合工业计划(STRIDE J IP 和CARISIMA J IP 等),工业界与大学合作开展了大量的研究工作[627]。本文介绍其中几项钢悬链线立管关键技术的研究发展现状。 1 浮体运动及其影响 深水油气田的生产装备是浮式结构系统,如张力 腿平台(TL P )、单柱式平台(Spar )、半潜式平台和浮式生产系统(FPSO )。浮式结构系统在风浪流的作用下将产生较大的漂移运动,其运动幅度的大小取决于它们的锚固形式。TL P 和Spar 平台的运动幅度较小,其最大漂移量为水深的6%～10%,垂荡运动很小[5,8]。FPSO 的运动幅度远远大于TL P ,其最大漂移量可达 水深的20%～30%[9],如此大的浮体运动对钢悬链线立管的影响是不容忽视的。除了较大的漂移运动之外,浮体运动的动力特征是影响钢悬链线立管疲劳寿命的主要因素。 浮体对波浪的动力响应主要表现为一阶波浪响应和二阶非线性响应[5,10],它们构成了浮体水平运动(Surge ,Sway )的主要部分。一阶波浪响应是关于平衡位置的小幅(相对于二阶非线性响应而言)振荡,其频率与波浪频率相同[1]。它引起钢悬链线立管顶部的低应力疲劳循环,构成立管顶部高周疲劳损伤的主体[11]。由于它与波浪引起的钢悬链线立管振动响应同频率同相位,从而增大了钢悬链线立管顶部疲劳应力循环。因此,浮体的一阶运动影响钢悬链线立管顶部的疲劳寿命。Spar 平台的一阶运动较小,而半潜式平台和FPSO 的一阶运动幅度较大。与半潜式平台对简单悬链线立管(Simple Catenary Riser )顶部造成的疲劳损伤相比,FPSO 对浮力波/缓波立管(Buoyant Wave /Lazy Wave Riser )顶部造成的疲劳损伤更严重[12]。 浮体的二阶非线性响应由静态分量和动态分量组成,其准静态分量是由定常风荷载引起的,而动态分量是由波浪和频或差频成分和脉动风荷载引起的。前者引起钢悬链线立管触地点(Touch Down Point )变化,有 Ξ基金项目:博士点基金项目(20050423002);国家自然科学基金重点项目(50639030);国家自然科学基金重点项目(50739004)资助 收稿日期:2007211208;修订日期:2008210211 作者简介:黄维平(19542),男,教授,博导,主要从事海洋工程结构动力分析与疲劳研究。E 2mail :w phuang @https://www.wendangku.net/doc/f64728610.html, 第39卷 第2期 2009年3月 中国海洋大学学报 PERIODICAL OF OCEAN UNIV ERSITY OF CHINA 39(2):290～294Mar.,2009
课程设计实例-海底管道立管.
前言 经济的高速发展必然带来能源的大量消耗，寻求廉价而供应充足的能源已经成为各国经济发展的重大问题。科学技术的发展的现状表明：太阳能、地热能利用和开发还处于初级阶段，在能源消耗总额中占的比重也很少；核能正在发展，所占的比重正在逐渐提高，但也受到技术水平、铀矿资源的限制；在核聚变能量被工业大量实际应用以前，石油天然气等燃料仍然是社会使用的主要资源；而石油由于比较容易开采、运输和利用，就必然成为现代国民经济的重要支柱。世界上大量的政治、军事、经济的运动都是围绕石油问题进行的。勘探表明，在大陆架的39%地区含有油气构造，其储量占全世界石油的30%~40%。而美国的墨西哥湾、欧洲的北海、西亚的波斯湾、北非海域以及南中国海域、渤海海域都已成世界各国开发海洋石油资源的重要场所。目前在各大洲大陆架的不同工作水域有各种类型的近海工程结构物，主要应用于海底油气资源的勘探和开发。 海洋立管是浮式海洋平台与海底井口间的主要连接。作为海面与海底的一种连接通道，它也可用于固定式平台及勘探船。下端通过万向节与海底井口连接，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合，这样，平台或船舶在波浪作用下发生任何可能的运动时，立管有足够的运动自由度随之运动，并在平台或船舶发生垂直震荡是改变其长度。立管本质上有两种，即刚性立管和柔性立管。海洋立管具有多种可能的结构，如顶张力立管（TTP）、自由悬挂的钢悬链线立管（SCR），惰性S立管，陡峭型S立管，惰性波浪立管、陡峭型波浪立管等。 立管的设计应该满足实际的海洋环境载荷，小直径的立管通常被固定在隔水套管中，海洋环境在核对其影响较小。较大直径立管科直接由平台支持置于海洋环境载荷中，此时，立管将同时承受内流体流动的作用和管外海洋环境载荷作用。立管所承受的海洋环境载荷主要有风、浪、流、冰和地震载荷等，其中波浪和海流是最重要的海洋荷载。并且受水流作用的工程结构都有可能发生涡激振动。 目前海中立管的动力设计计算并不考虑内流体的流动作用，这样设计是不合理的，也是不安全的。但由于知识与数据的缺乏，本设计将不对内流体的流动作用进行设计。
深水开发的新型立管系统_钢悬链线立管_SCR_黄维平
深水开发的新型立管系统 钢悬链线立管(SCR) 黄维平,李华军 (中国海洋大学海岸与海洋工程研究所,山东青岛266071) 摘 要: 1种全新的深水立管系统 钢悬链线立管(Steel Catenar y Riser,SCR )在墨西哥湾(Golf of M ex ico )、坎普斯湾(Campos Basin)、北海(N orth Sea)和西非(West Africa)得到了成功应用。它的适用水深为300~3000m,且适用现有任何浮式结构,从浅水的固定式平台到极深水的浮式生产储运系统(FP SO)。因此,它取代了传统的柔性立管和顶张力立管,成为深水油气开发的首选立管,被认为是深水立管系统的成本有效的解决方案。关键词: 钢悬链线立管;深水立管;海底管线;深水开发 中图法分类号: T E851 文献标识码: A 文章编号: 1672-5174(2006)05-775-07 近年来,深水开发中的油气勘探和开发活动大大增加,与前几年相比水深增加了1倍。海洋工业正在更深的海域中建造生产系统,更多地采用新技术并较大程度地发展现有技术。这是世界上海洋石油天然气工业发展的总趋势,如墨西哥湾、坎普斯湾、北海和西非。随着水深的不断增加,深水开发的技术装备也不断面临新的挑战,海洋平台和立管系统在这一次次的挑战中得到了发展,从张力腿平台、单柱平台(Spar )、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(FPSO)(见图1)。由于这些平台在海洋环境(风、浪、流)的作用下具有不同的运动特征,因此,对连 接海底管线和平台的立管系统也提出了不同的要求。 如浮式结构的二阶慢漂运动在极端海况时,其最大漂移量可达水深的6%~10%(张力腿平台和单柱平台),20%~30%(浮式生产系统或浮式生产储运系统)。顶张力立管已经没有能力顺应这样大的浮体漂移。而且,随着水深的增加,顶张力的补偿也变得越来越困难,更难以容纳浮体的升沉运动。柔性立管虽然可以顺应浮体的漂移和升沉运动,但大直径柔性立管许多技术问题目前还无法解决,且柔性立管的成本高,不适用于高温高压条件[1]。这迫使人们不得不寻求1种深 水立管的成本有效的解决方案。 图1 不同水深的平台结构F ig.1 Platforms for different water depth 钢悬链线立管被认为是深水立管的成本有效的解决方案,它出现于20世纪90年代中期,经过十几年的 发展,现在已经被成功应用于张力腿平台、单柱平台、半潜式平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统,水深 基金项目:教育部博士点基金项目(20050423002)资助 收稿日期:2006-04-06;修订日期:2006-06-02 作者简介:黄维平(1954-),男,教授。E -mai l:w phuang@https://www.wendangku.net/doc/f64728610.html, 第36卷 第5期 2006年9月 中国海洋大学学报 PERIODICAL OF OCEAN UNIVERSITY OF CHINA 36(5):775~780Sept.,2006