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第3期
图1  气田总体布置及钢悬链立管布置图
深水钢制悬链线立管疲劳敏感性分析研究
杨伟，李旭，任翠青，苑健康，张薇
（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）
[摘  要] 南海某深水项目是国内首个采用钢悬链线立管的深水工程项目。本文以该气田10寸钢悬链立管（SCR）为例，结合工程经验确定了影响疲劳的主要因素，利用Flexcom软件建立了疲劳分析模型并进行了敏感性分析。通过对比所有敏感性分析结果可知，立管重量制造公差、系泊锚链预张紧力对立管触底区域的疲劳有明显影响。通过本文的研究，为项目及后期类似项目的钢悬链立管分析设计提供了参考和借鉴。[关键词] 钢悬链线立管；敏感性分析；疲劳分析
作者简介：杨伟（1983—），男，河北人，硕士研究生，高级
工程师，海洋石油工程股份有限公司立管结构工程师。
近年来，深海开发中的油气勘探和生产活动大大增加，与几年前相比水深增加了一倍[1]。钢制悬链线立管（SCR ）由于其成本低、对浮体运动有较大的适应性，且适用高温高压工作环境，因此逐渐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[2]。
南海某深水项目是国内首个采用深水钢质悬链线立管的深水工程项目，因此从立管构型设计、关键部件选择、立管计算分析，管土作用评估、安装分析、管材确定都面临挑战。本文从南海某深水项目实际工程出发，针对实施中遇到的影响SCR 疲劳分析的不确定因素开展敏感性分析，给出了在南海特有环境条件下的立管动力分析结果，为其他南海类似工程的SCR 分析设计提供了参考和借鉴。1 项目概述
南海某深水油气田是我国首个自营开发的深水气田。气田水深范围1220～1560m ，其中SCR 应用水深范围1430～1470m 。该气田开发示意图如图1所示，由一座深水半潜平台（SEMI ）、水下生产系统、SCR 和海底管道组成。
该工程共有6根SCR ，分别为一根18寸外输天然气SCR （GE ），两根12寸生产SCR （P1和P2），两根10寸生产SCR （P3和P4），以及一根6寸MEG 注入SCR （MEG1）。
2 深水悬链线立管分析模型及疲劳分析方法2.1 深水悬链线立管分析模型
本文采用Flexcom 软件创建SCR
立管分析模
型，分析包括静态分析和动态分析两部分。SCR 静态分析将立管上的附属构件如strake 、涂层、内部介质、压力、管线重量公差等进行准确的模拟，用以得到准确的立管静态构型，以保证立管动态分析中响应的准确性。SCR 动态分析采用Flexcom 软件按时域方法进行模拟，船舶运动通过在SCR 模型中施加船舶中心六自由度的运动时程实现，较采用船舶RAO 的方法，考虑了波浪二阶力引起的船舶运动。SCR 动态分析保守考虑认为波浪、风、流作用同向，波浪选用JONSWAP 谱模型进行模拟，立管管材和底部海床均采用弹塑性模拟。
Flexjoint 是SCR 立管上的关键部件，典型的
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石油和化工设备
2021年第24卷图2  Flexjoint典型图及刚度曲线
表1  SCR设计用SN曲线
Flexjoint及其刚度曲线如图2所示，其内部的弹性体保证了立管顶部能够在小范围内转动（转动角度一般不超过25°），从而避免了立管顶部与船体的刚性连接所导致的受力集中、疲劳寿命短的问题[4]。
2.2 深水悬链线立管疲劳分析方法
深水SCR立管长期疲劳分析包括波致疲劳分析、VIM疲劳分析、VIV疲劳分析，SCR的联合寿命应满足如下
公式：
(1-β)/[（SF wave×D wave)+(SF VIM×D VIM)+(SF VIV ×D VIV]>Design life              (1)
其中：D wave为由波浪载荷引起的立管疲劳损伤（包含船舶1阶2阶运动引起的疲劳损伤）；D VIM 为由船体VIM运动引起的疲劳损伤；D VIV为由流引起的立管涡激振动产生的疲劳损伤；SF wave为波致疲劳安全系数，取10；SF VIM为VIM疲劳安全系数，取10；SF VIV为VIV疲劳安全系数，取20；β为SCR安装阶段产生的疲劳损伤，一般取10%。2.2.1 波致疲劳分析
长期波致疲劳分析采用有义波高及谱峰周期的联合概率分布的波浪散布图，针对每个海况进行1小时动态分析，基于疲劳损伤累积的等效组合方法得到最终波致疲劳损伤。波浪散布图包含8个方向波浪有义
波高和谱峰周期的概率统计，一般工况数量较多，为了提高分析效率，一般需要对波浪散布图进行压缩，波浪散布图的压缩一般根据波浪谱峰周期进行压缩，压缩区间内波浪有义波高如式(2)：
(2)
其中：H S mean,i为散布图中每个区间中的有义波高平均值；Prob(i)为散布图中与H S mean,i对应的发生概率。
SCR立管波致疲劳分析包括静态分析、动态分析和疲劳分析三部分，其中动态分析时长调整为1小时，每个波浪散布区间（BIN）采用1个随机种子。通过动态分析能够得到每个bin下立管截面上8个分布点应力时程数据，疲劳分析采用雨流计数的方法统计出各个分布点应力范围直方图，利用如下S-N曲线计算出各分布点的最大损伤，针对所有分析BIN，利用Miner 准则对损伤进行线性累计，进而得到疲劳寿命。
N=α(∆σ)-m                  (3)
其中：N为应力循环范围对应的允许应力循环次数；∆σ为应力循环范围；α，m为疲劳曲线参数。
疲劳计算位置设计S-N曲线mα（ksi）焊缝根部BS7608(1993)E3  3.17E+09焊缝顶部BS7608(1993)D3  4.54E+09
FLEXJOINT焊缝DNV C
3.0
4.74E+09
5.0  1.34E+12 2.2.2 VIM疲劳分析
深水钢质悬链线型立管VIM疲劳是由于海流经过船体立柱产生的低频漩涡泄放，导致船体在垂直流方向上震动，进而带动立管运动而产生的疲劳。立管VIM疲劳分析的关键是确定船体在流作用下的无量纲运动响应幅值A/D与约化流速V r的关系曲线，该曲线一般由水池试验得到。约化流速定义如下：
V r=(V c×T n)/D                                (4)
其中：V c为表面最大流速；T n为船体自振周期，D
为立柱宽度。
图3  无量纲运动响应幅值A/D与约化流速的关系图
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图4  流速剖面特征图表2  10寸生产SCR设计参数
2.2.3 VIV疲劳分析
立管涡激振动疲劳（VIV），由流直接作用在立管上产生的漩涡泄放产生，一般需要进行平面内和平面外疲劳分析。SCR立管VIV分析由SHEAR7和Flexcom软件共同完成，通过Flexcom软件获得SCR立管的平面内外的自振频率和模态，由SHEAR7软件根据计算的模态和频率文件采用频域计算方法得到立管上没点的损伤。SCR模态计算模型与强度计算模型不同的是，立管海床上的平管段部分可仅模拟200ft长度。
在SHEAR7中，立管VIV假定发生在结构自身的固有频率上，同时立管沿长度被划分为能量输入区和能量耗散区。在能量输入区，流体力对柱体做功，而在能量耗散区，流体力作为阻尼的一部分耗散系统能量。其中值得注意的是，立管在发生VIV时，其振动频率一般不等于结构固有频率，振动频率满足如下关系：
St=fD/V                              (5)
其中：St为斯特劳哈尔数；f为漩涡泄放频率；D为立管直径；V为流速。
流速剖面长期分布VIV分析中的基础数据，保
守考虑分析中不对流速方向进行分解。
3 影响钢悬链线立管疲劳寿命的相关因素及敏感性分析工况
影响钢制悬链线立管强度和疲劳寿命的影响因素较多，根据工程项目经验可划分为以下几类：
（1）管道重量
管线出厂存在重量制造公差，范围在3%~8%之间，此外在正常生产过程中立管内部的介质密度也存在着一定的变化，立管重量的变化直接影响着动力响应特性，因此在分析过程中应当对管线重量进行敏感性分析。
（2）平台吃水变化
flex软件项目半潜平台在寿命周期内尺寸在35m、37m、40m间调整，平台吃水的变化直接影响着船舶运动响应和立管形态，上述变化对立管疲劳寿命影响较为明显。
（3）系泊缆预张紧力
船体系泊缆的预张紧力决定了系泊缆绳的张紧程度直接影响着船体的运动响应，进而影响立管的强度和疲劳分析结果。由于施工误差，系泊缆的实际张紧力与设计值存在差距，因此在SCR 分析中需要对此进行敏感性分析
考虑上述敏感性分析因素，以10寸SCR生产立管为例，进行敏感性分析。10寸SCR相关设计参数及敏感性分析工况如表2、表3所示。
序号设计参数数值
1悬挂角12deg
2朝向角190deg
3材料API X65
4管径10.75inch
5壁厚  1.00inch
6触地点水深4696.92ft
7悬挂点距基线高度20.18ft
8土壤刚度20000psf
Strake覆盖范围75%
工况序号工况描述
Wave
heavy
基本工况，考虑37m吃水，8%重量
公差
Light
考虑37m吃水，4%重量公差，介质
密度考虑轻值
Heavy+35m基本工况，考虑35m吃水
Heavy+40m基本工况，考虑40m吃水
Heavy+
5%pretension
基本工况，考虑增加系泊缆增加5%
预张力
VIV
heavy
基本工况，考虑37m吃水，8%重量
公差
marine
基本工况，考虑立管顶部100ft范
围内strake失效并生长海生物
表3  10寸生产SCR敏感性分析工况
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石油和化工设备2021年第24卷
表4  10寸立管疲劳敏感性分析结果
VIM
heavy
基本工况，考虑37m吃水，8%重量公差
Heavy-5%pretension 基本工况，考虑增加系泊缆减少5%
预张力
4 敏感性分析结果及对比
10寸生产管线极端工况下的疲劳敏感性分析结果如表4所示。
疲劳分类
敏感性分析工况最小疲劳寿命(year)疲劳关键区域
触底区柔性节点根部
S-N曲线DOE-D DNV-C 应力集中系数
1.2  1.2Wave Fatigue
Heavy 72.881.9Light
74.277.0Heavy+35m 57.469.4Heavy+40m 104.3161.5Heavy+5%pretension
69.490.1VIV Heavy 3090.0>50000VIM
Heavy 425.42078.6Heavy
-5%pretension
204.1
2005.6
由分析结果可知，对波致疲劳，重管子对立管底部疲劳不利，轻管子对立管顶部疲劳不利；船舶吃水对立管疲劳寿命影响明显，吃水浅船舶运动增大，立管疲劳更为不利；对于立管触底区域，系泊锚链预张力的增加对于波致疲劳不利，反之对VIM 疲劳不利，因此在实际张紧过程中应
严格控制误差，并根据实际张紧情况对立管进行安装后分析，此外项目运行中应对系泊锚链的张紧力进行监测并定期进行调整，以保障锚泊系统的长期刚度变化满足设计要求。5 结语
(1)管线的重量制造公差对钢制悬链线立管触地区的疲劳有明显影响。因此在立管选材时，要综合考虑分析结果、管材厂家制造能力、制造成本合理确定管材公差。
(2)系泊锚链的预张紧力的变化直接影响着浮体运动性能，从而影响触地区立管疲劳寿命，因此在实际张紧过程中应严格控制误差，同时应根据实际张紧情况对立管进行安装后分析。(3)本文通过敏感性分析给出了影响钢质悬链立管疲劳的主要因素，为钢悬链线立管的工程分析设计提供了参考和借鉴。
收稿日期：2020-11-16；修回日期：2021-01-29
◆参考文献
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[3] Sparks,Charles P.Fundamentals of Marine Riser Mechanics-Basic Principles and Simplified Analysis[M].PennWell 2007.
[4] 周灿丰，焦向东，曹静，等. 深水立管柔性节点选型设计研究[J].北京石油化工学院学报，2012，20(1)：30-33.

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