海洋立管課程概述課件

深海工程中的立管系統(tǒng)研究April，26，2011海洋立管課程概述一、概述二、立管設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)三、立管設(shè)計分析工具四、立管的工程設(shè)計五、立管的海上安裝六、渦激振動海洋立管課程概述什么是深海？海洋立管課程概述適合于不同水深的平臺形式海洋立管課程概述適合于深水的平臺海洋立管課程概述海洋立管課程概述海洋立管課程概述海洋立管課程概述海洋立管課程概述FPSO海洋立管課程概述什么是立管？

深海立管與淺水立管的區(qū)別？海洋立管課程概述作為深海油氣田開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，海洋立管以其全新的形式、動態(tài)的特性、以及高技術(shù)含量變得格外引人注目。以往淺水立管形式根本不能應(yīng)用到深水中，這使得立管技術(shù)更加的具有挑戰(zhàn)性。海洋立管課程概述和淺水油氣開發(fā)相比,海洋立管作為連接水上浮式及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的唯一關(guān)鍵結(jié)構(gòu),其在深水中的應(yīng)用更加具有獨特的挑戰(zhàn)性,要求更強(qiáng)烈的創(chuàng)新。海洋立管課程概述這一點從比較海洋立管在淺水與深水中的概念上的不同就可以看出來。淺水的立管都是鋼管固定在平臺的樁腿上的,而深水中的立管卻有著各式各樣的變化,以適用于不同的開發(fā)需要。海洋立管課程概述所以，深水海洋立管是深水工程技術(shù)的核心，還因為：深水的挑戰(zhàn)需要新穎的海洋立管概念；淺水立管技術(shù)完全不適應(yīng)于深水；全新的浮式結(jié)構(gòu)概念需要全新的立管系統(tǒng)；深水立管是整個深水油氣田開發(fā)的最主要的界面；海洋立管課程概述深水立管概念的選取直接影響浮式結(jié)構(gòu)及水下系統(tǒng)的確定；深水立管的動態(tài)特性使其成為深水開發(fā)中最具有挑戰(zhàn)性；深水立管的實際工程經(jīng)驗及現(xiàn)場反饋很少；水深，高溫，高壓使深水立管工程更加艱難；深水立管的特性及其響應(yīng)無法在實驗室的環(huán)境下模擬。海洋立管課程概述目前深水立管并沒有統(tǒng)一的分類，但根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式及用途，可以大致主要分類如下：頂部預(yù)張力立管(TopTensionRiser)鋼懸鏈立管(SteelCatenaryRiser)柔性立管(FlexibleRiser)塔式立管(HybridTowerRiser)鉆井立管(Drilling

Riser)海洋立管課程概述頂部預(yù)張力立管(TopTensionRiser)海洋立管課程概述TTR立管適用的平臺海洋立管課程概述鋼懸鏈立管(SteelCatenaryRiser)海洋立管課程概述海洋立管課程概述海洋立管課程概述柔性立管(FlexibleRiser)海洋立管課程概述海洋立管課程概述塔式立管(HybridTowerRiser)海洋立管課程概述海洋立管課程概述鉆井立管（Drilling

Riser）海洋立管課程概述海洋立管課程概述下圖是美國墨西哥灣的一個深海油田布置圖,該油田采用了頂部預(yù)張力立管(TTR)和鋼懸鏈立管(SCR)作為海洋立管。海洋立管課程概述下圖是西非的一個深海油田布置圖,其平臺采用了立拄式和浮式生產(chǎn)儲油輪相結(jié)合的形式。該油田采用了頂部預(yù)張力立管(TTR),鋼懸鏈立管(SCR)和塔式立管的組合作為海洋立管系統(tǒng)。海洋立管課程概述下圖是西非的AKPO深海油田立體圖,其平臺為浮式生產(chǎn)儲油輪的形式。該油田全部采用了鋼懸鏈立管(SCR)組合作為海洋立管系統(tǒng)。海洋立管課程概述一、概述二、立管設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)三、立管設(shè)計分析工具四、立管的工程設(shè)計五、立管的海上安裝六、渦激振動海洋立管課程概述盡管立管已經(jīng)存在很多年了，但它只是在近些年來隨著深水技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步。早期立管的主要結(jié)構(gòu)是鋼鐵生產(chǎn)管線的簡單延伸，通常在導(dǎo)管架腿柱上夾緊。早期的立管設(shè)計以使用不同安全系數(shù)的獨立的管道標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。海洋立管課程概述深水開發(fā)需要新方案和新技術(shù)來處理在淺水開發(fā)中遇不到的挑戰(zhàn)。為了解決深水立管技術(shù)也需要一個新型的工業(yè)立管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。第一個立管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是美國石油協(xié)會RP2RD，然后是挪威船級社OSF201。海洋立管課程概述美國石油協(xié)會RP2RD(1998):“DesignofRisersforFloatingProductionSystemsandTensionLegPlatforms”,FirstEdition挪威船級社OSF201(2001):“DynamicRisers”海洋立管課程概述這兩個立管的規(guī)范從原理上是不僅相同,美國石油協(xié)會的RP2RD是基于許用應(yīng)力方法,而挪威船級社的OSF201是基于可靠性分析的荷載抗力系數(shù)法(LRFD)。海洋立管課程概述一般說來,API的立管規(guī)范要比挪威船級社的立管規(guī)范相對保守一些。由于美國石油協(xié)會的規(guī)范出臺比較早,因而應(yīng)用的也比較廣泛。另外一個原因就是墨西哥灣是深海開發(fā)的先鋒,API的規(guī)范也就自然采用的比較廣泛。海洋立管課程概述一、概述二、立管設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)三、立管設(shè)計分析工具四、立管的工程設(shè)計五、立管的海上安裝六、渦激振動海洋立管課程概述立管的分析可以分為靜力和動力分析。靜力分析：使用ABAQUS等軟件進(jìn)行的管道模型靜力分析利用大位移效應(yīng)、材料非線性、邊界非線性來處理非線性問題，如連接、滑動和摩擦（管道/海床相互作用）。海洋立管課程概述對于立管系統(tǒng)，靜力分析確定了整體結(jié)構(gòu)如頂端懸掛角度、總懸掛長度、著陸點（TDP）。這些可以通過使用ABAQUS或前面所述的專用立管軟件來完成。海洋立管課程概述對于立管系統(tǒng)，由于浮式裝置的運(yùn)動、動力環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流）動力影響始終存在。動力分析：動力分析通常研究管道或立管系統(tǒng)的非線性動力響應(yīng)。動力分析應(yīng)該在動力影響存在的情形下進(jìn)行，如漁船拖網(wǎng)板與管道相撞、管道熱膨脹、地震對管道影響。海洋立管課程概述立管的FEA模型中應(yīng)該特別注意下列非線性特性：

材料非線性幾何非線性邊界非線性（摩擦、滑動、管道土壤相互作用等）海洋立管課程概述下面列出的是用于立管分析的已高度商業(yè)化和知名的工業(yè)軟件：Riflex:NorwegianMarineTechnologyCenter(Marintek)Flexcom3D:MCSInternational(Ireland)Orcaflex:OrcinaLtd.(UK)SHEAR7:MIT(USA)海洋立管課程概述一、概述二、立管設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)三、立管設(shè)計分析工具四、立管的工程設(shè)計五、立管的海上安裝六、渦激振動海洋立管課程概述4.1設(shè)計的目標(biāo)滿足政府、規(guī)范要求，滿足功能和運(yùn)行要求選擇最簡單、成本最低的類型避免立管之間的碰撞安裝方便海洋立管課程概述4.2設(shè)計階段1、概念設(shè)計該階段設(shè)計的主要目的是確定技術(shù)可行性，確定下一設(shè)計階段所需的信息，進(jìn)行資本和進(jìn)度估計。這經(jīng)常稱作“方案選擇”。海洋立管課程概述2、初步設(shè)計該階段的主要任務(wù)是進(jìn)行材料選擇和確定壁厚；確定生產(chǎn)管線和立管的尺寸；執(zhí)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)檢查；準(zhǔn)備MTO和授權(quán)應(yīng)用?；痉桨感枰谶@個階段定稿，也稱作“定義階段”。海洋立管課程概述3、詳細(xì)設(shè)計該階段的所有設(shè)計工作需要足夠詳細(xì)以進(jìn)行采購和制造。而且，工程過程、說明書、準(zhǔn)備MTO、測試、勘測和制圖需要全面開展。這個階段也稱作工程“執(zhí)行階段”。海洋立管課程概述4.3設(shè)計流程設(shè)計流程的主要目的是以運(yùn)行數(shù)據(jù)（如設(shè)計壓力和溫度、油田數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)確定最優(yōu)化的管道和立管設(shè)計參數(shù)。海洋立管課程概述海洋立管課程概述海洋立管課程概述海洋立管課程概述1、設(shè)計基礎(chǔ)文件

設(shè)計基礎(chǔ)文件（DBD）提供了管理管道、立管系統(tǒng)設(shè)計的手段，重點控制設(shè)計的改變。設(shè)計原理的目的是提供基本原理、一系列一致的數(shù)據(jù)、用于指定工程開發(fā)的合理要求和設(shè)計。4.4設(shè)計過程中的關(guān)鍵組成部分海洋立管課程概述2、材料選擇立管最常用的材料是從碳鋼（如美國石油協(xié)會－5L規(guī)格，等級X52-X70和更高）到特種鋼（也就是合金鋼，如13%鉻）的鋼材。下列因素決定了材料的選擇：成本抗侵蝕能力重力要求焊接性能海洋立管課程概述3、強(qiáng)度分析所有依據(jù)極限狀態(tài)用公式表達(dá)的相關(guān)失效公式都應(yīng)在管道和立管設(shè)計中考慮。極限狀態(tài)的分類如下：工作極限狀態(tài)（SLS）最大極限狀態(tài)（ULS）疲勞極限狀態(tài)（FLS）意外極限狀態(tài)（ALS）海洋立管課程概述工作極限狀態(tài)（SLS）：如果超越就會導(dǎo)致管道不能正常運(yùn)行的狀態(tài)。海洋立管課程概述最大極限狀態(tài)（ULS）：如果超越就會危及管道和立管完整性的狀態(tài)。包括爆裂、局部彎曲、整體彎曲、不穩(wěn)定破裂和塑性破壞。海洋立管課程概述疲勞極限狀態(tài)（FLS）：計算由環(huán)境載荷、運(yùn)行條件、VIV、浮式裝置運(yùn)動等引起的累積循環(huán)載荷。意外極限狀態(tài)（ALS）：由意外載荷引起，如漁船拖網(wǎng)板撞擊、墜落物體等。海洋立管課程概述進(jìn)行極限狀態(tài)設(shè)計檢查時應(yīng)考慮不同階段和考慮事項，包括：暫時安裝階段；壓力測試（充水和水壓測試）；管道運(yùn)行（產(chǎn)品輸送、設(shè)計壓力和溫度）；海洋立管課程概述設(shè)計中的關(guān)鍵問題接觸面（Interface）設(shè)計總體布置設(shè)計疲勞分析耦合分析海洋立管課程概述海洋立管課程概述一、概述二、立管設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)三、立管設(shè)計分析工具四、立管的工程設(shè)計五、立管的海上安裝六、渦激振動海洋立管課程概述最常用的海上安裝方法包括：J型鋪設(shè)

S型鋪設(shè)卷筒鋪設(shè)拖曳海洋立管課程概述J型鋪設(shè)焊接在浮式裝置上進(jìn)行，但由于在一個場所進(jìn)行，速度慢。管道脫離角度非常接近于垂直，所以張力較小。主要用于深水。不需船尾托管架。所有操作都在垂直方向完成，穩(wěn)定性是一個難題。典型鋪設(shè)速度是1-1.5千米/天。海洋立管課程概述管道在浮式裝置上使用單或雙接頭進(jìn)行裝配。需要一個可達(dá)100米長的托管架，它可以具有單一的部件是剛性的，或者具有2個或3個鉸接的部件。必須處理非常高的張力。有水深限制，因為：更大水深＝更長的托管架＝穩(wěn)定性喪失更大水深＝更高的張力＝更大的風(fēng)險典型鋪設(shè)速度約3.5千米/天。

S型鋪設(shè)海洋立管課程概述卷筒鋪設(shè)管道在岸上的受控環(huán)境中焊接，然后連續(xù)地纏繞在浮式裝置上直到全部完成或達(dá)到最大容量。張力減少很多，因此與S型鋪設(shè)相比可以更好地控制。對可處理的覆層類型有限制。存在局限性，通常是由關(guān)系到裝載能力的容積引起。需要岸上基地的支持。典型鋪設(shè)速度可高達(dá)1千米/小時，平均約600米/小時。海洋立管課程概述管道或立管束在岸上制造（垂直和平行）。在車間里可以獲得很好的焊接質(zhì)量。靈活的制造進(jìn)度表與海上進(jìn)度表沒有沖突。可使用非常廉價的拖船?？墒褂酶鞣N各樣的拖曳方法（水面、水面下、CDTM、底部拖曳）。可安裝長度有限制。需要三艘拖船用于安裝（但是廉價）。由于它非常大的重力所以在海床上非常穩(wěn)定（不需挖溝）。

拖曳海洋立管課程概述海洋立管課程概述安裝設(shè)備概述海洋立管課程概述海洋立管課程概述一、概述二、立管設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)三、立管設(shè)計分析工具四、立管的工程設(shè)計五、立管的海上安裝六、渦激振動海洋立管課程概述什么是渦激振動（VIV）？

立管渦激振動是導(dǎo)致立管疲勞破壞的主要原因海洋立管課程概述不同雷諾數(shù)條件下的渦放圖海洋立管課程概述非洲西北部佛得角群島附近天空出現(xiàn)的馮·卡門渦街。這種云漩渦在風(fēng)穿過佛得角群島時形成。海洋立管課程概述渦