李效民，崔 鵬，張 莉，郭海燕

(1. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

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深水立管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中內(nèi)波作用的分析與探討?

李效民1，崔 鵬1，張 莉2，郭海燕1

(1. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

深水立管的設(shè)計、建造以及安裝都必須依據(jù)相關(guān)規(guī)范進行，中國當(dāng)前尚未出臺專門針對立管設(shè)計的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段還是以參考國外規(guī)范為主。本文首先對立管設(shè)計、安裝中涉及的相關(guān)規(guī)范和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行介紹，論述當(dāng)前國外API、ABS和DNV設(shè)計規(guī)范中關(guān)于深水立管環(huán)境條件及其載荷的相關(guān)規(guī)定，然后針對中國南海等海域普遍存在的內(nèi)波現(xiàn)象，分析了內(nèi)波尤其是內(nèi)孤立波對頂張力立管的影響，結(jié)果表明，內(nèi)孤立波會引起立管較大的位移以及較高的應(yīng)力幅值，需要在設(shè)計分析中加以考慮。最后對中國在引入API、ABS和DNV等相關(guān)規(guī)范設(shè)計深水立管時提出相應(yīng)的建議，以期為南海海域油氣開發(fā)中立管的設(shè)計提供參考。

立管規(guī)范； 內(nèi)波； 頂張力立管； 極值響應(yīng)

隨著陸地油氣資源的不斷消耗，包括ExxonMobile、BP和Shell公司在內(nèi)的世界各大石油公司在油氣勘探的主攻方向上，已實現(xiàn)由陸地、淺水到深水海域找油的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。當(dāng)前世界已探明的油氣資源主要分布在墨西哥灣、巴西海域和西非海域，然而隨著新的深水油氣田的不斷發(fā)現(xiàn)，亞洲，尤其是南中國海和澳大利亞海域正在成為新的深水油氣產(chǎn)區(qū)。數(shù)據(jù)顯示，南海海域蘊藏含油氣構(gòu)造200多個，油氣田約180個，大概在230億～300億t之間，約占中國石油總資源量的1/3。

為適應(yīng)深海油氣勘探開發(fā)，一系列新型順應(yīng)式海洋平臺如張力腿平臺(TLP)、Spar平臺等以及各種浮式儲油裝置(FPSO)繼1950年代相繼出現(xiàn)并得到應(yīng)用。2012年5月9日，隨著中國首座自主設(shè)計、建造的第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”的鉆頭在南海荔灣6-1區(qū)域1500m深的水下探入地層，我國海洋石油工業(yè)深水戰(zhàn)略邁出了實質(zhì)性的一步。而不管采用何種類型的平臺型式開發(fā)海洋油氣田，都需要使用海洋立管，如輸送油氣的立管，平臺上的鉆探、采油、注水立管等。作為油氣資源勘探開發(fā)必不可少的立管系統(tǒng)，上端連接于海面浮式平臺，下端則連接于海底井口，除了上下端外中間部分再無其他任何固定支撐，因此整個立管完全處于各種海洋環(huán)境載荷作用中。各種海洋環(huán)境條件均會對深海立管的各種海洋各種海洋環(huán)境條件均會對深海立管的安全性和作業(yè)效率產(chǎn)生很大的影響，必須對其所處各種海洋環(huán)境下的動力響應(yīng)性能進行深入研究。

所有的浮式結(jié)構(gòu)物及其附屬管線結(jié)構(gòu)的設(shè)計、分析、建造以及安裝都必須依據(jù)相關(guān)的設(shè)計建造規(guī)范，然而中國當(dāng)前尚未出臺專門針對海洋立管設(shè)計的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段還是以參考國外API、ABS和DNV等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或推薦操作規(guī)程為主。本文首先對立管的相關(guān)規(guī)范和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行分析，探討當(dāng)前國外設(shè)計規(guī)范API、ABS和DNV中關(guān)于深水立管環(huán)境載荷的相關(guān)規(guī)定，指出各規(guī)范對內(nèi)波作用都缺乏足夠重視。然后介紹我國南海等海域常見的內(nèi)波現(xiàn)象，依據(jù)內(nèi)孤立波Kdm-KdV方程結(jié)合改進的Morison公式，分析了內(nèi)孤立波對頂張力立管的影響，最后對中國在引入API、ABS和DNV等相關(guān)規(guī)范設(shè)計深水立管時提出相應(yīng)的建議，以期為立管的設(shè)計提供參考。

1 立管規(guī)范和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)介紹

1.1 API規(guī)范

API是美國石油學(xué)會(American Petroleum Institute)的英文縮寫，關(guān)于海洋立管的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要有APIRP2RD[1]。APIRP2RD是關(guān)于浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(FPS)和張力腿平臺立管的設(shè)計規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)第四章設(shè)計荷載和環(huán)境(Design loads and conditions)指出了需要考慮的各種荷載(見表1)。

從表1中以及APIRP2RD中4.2條指出在設(shè)計FPS立管時需考慮的環(huán)境荷載有表面波浪、海流、船體運動、地震和冰荷載。其中對前3種載荷進行了較為詳細的介紹?！?.2.2.1波浪(Surface waves)”節(jié)指出由于海面狀況的不規(guī)律特性，常用一些波浪的統(tǒng)計參數(shù)來描述海況，例如浪高、峰值周期譜(Spectral peak period)、形狀譜(Spectral shape)和方向性。波浪也會引起與立管相連的的FPS船體的振動，船體的運動又會對立管產(chǎn)生影響。“4.2.2.2 流(Current)”節(jié)中指出來流對立管產(chǎn)生橫向作用，對FPS產(chǎn)生偏移。流可能是由風(fēng)、潮汐、海洋環(huán)流、渦泄以及內(nèi)部波浪產(chǎn)生。設(shè)計者應(yīng)該將各種流和浪進行組合以獲取設(shè)計荷載?！?.2.2.3 駁船運動(Vessel motions)”節(jié)指出FPS操作船將環(huán)境荷載的響應(yīng)直接傳遞給立管的頂端，船體偏移和運動組成立管的靜力荷載和動力荷載。

表1 立管載荷Table 1 Riser loads

1.2 船級社規(guī)范

除了API外，還有相當(dāng)多國家的船級社對立管的設(shè)計有相關(guān)規(guī)定，如美國船級社(ABS)的Subsea Riser System[2]以及挪威船級社(DNV)的DNV-RP-C205 Environmental Conditions and Environmental Loads[3]、DNV-OS-F201 Dynamic Riser[4]和DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems[5]等同樣適用于立管的設(shè)計。

美國船級社成立于1862年，屬非政府組織，主要致力于為公共利益和客戶需求服務(wù)，通過開發(fā)和驗證海洋相關(guān)設(shè)施的設(shè)計、建造和操作標(biāo)準(zhǔn)，保護生命、財產(chǎn)和自然環(huán)境的安全。 Subsea Riser System中對水下立管系統(tǒng)的設(shè)計進行了詳細規(guī)定，其中第二章第二節(jié)關(guān)于環(huán)境載荷中指出立管所受主要載荷包括風(fēng)、浪、流及其風(fēng)浪流聯(lián)合作用、潮汐、附著微生物、地震、海冰等。

挪威船級社的海洋標(biāo)準(zhǔn)系列是建立在挪威船級社長期積累的經(jīng)驗和研究工作上的中立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，代表了挪威船級社在近海結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計和施工上成功經(jīng)驗。挪威船級社海洋標(biāo)準(zhǔn)可以獨立使用，也可作為挪威船級社海洋工程分類和認證服務(wù)的基本要求。DNV-RP-C205對海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計中需要考慮的環(huán)境狀況和環(huán)境荷載進行了最為詳細的論述，文中指出海洋結(jié)構(gòu)物所受到的最主要荷載包括風(fēng)、浪、流、潮汐，同時也強調(diào)在某些特殊情況下，海冰、地震、海床條件、溫度、結(jié)垢、能見度成為設(shè)計中考慮的重要因素。DNV-OS-F201是關(guān)于海洋立管動力分析的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，指出對于立管的動力設(shè)計主要包括波、流以及浮體運動。DNV-OS-F101對水下管線系統(tǒng)設(shè)計中需考慮的因素、設(shè)計前提和文件、載荷及相關(guān)設(shè)計判別標(biāo)準(zhǔn)等進行了詳細論述；在SEC.3章C節(jié)環(huán)境條和SEC.4章C節(jié)環(huán)境載荷對需要考慮的環(huán)境條件風(fēng)、潮汐、波浪、海流、海冰、空氣和海水溫度、附著微生物及其引起的載荷進行了說明。

1.3 各規(guī)范相關(guān)內(nèi)容分析

從以上提及的各個規(guī)范或操作規(guī)程中可以看出，在進行立管設(shè)計時需要考慮的環(huán)境條件雖然各有差異，但歸納起來主要有風(fēng)、浪、流、潮汐、浮體運動以及海冰、地震、海床條件、溫度、附著微生物等，然而在這些環(huán)境條件中都未考慮內(nèi)波的影響。需要指出的是，DNV-OS-F101中SEC.3章C節(jié)201條指出能夠削弱立管系統(tǒng)功能或者降低立管可靠性和安全性的環(huán)境現(xiàn)象都應(yīng)該給予考慮，雖然有提及內(nèi)波及其他由于水密度差異引起的效應(yīng)，但并未對該環(huán)境現(xiàn)象及其對引起的立管載荷進行論述。APIRP2RD中4.2.2.2條“流(Current)”中對由內(nèi)波(Internal wave)引起的海流亦有提及，但同樣沒有關(guān)于內(nèi)波的進一步闡述。

DNV-RP-C205指出那些能夠?qū)Y(jié)構(gòu)引起強度破壞、影響操作或者干擾航行的自然現(xiàn)象都應(yīng)該進行考慮。同時也強調(diào)在特殊情況下，某些現(xiàn)象如海冰、地震、海床條件、溫度、結(jié)垢、能見度可能成為設(shè)計中考慮的重要因素。那么內(nèi)波同樣可能成為必不可少的考慮因素之一，然而這些并沒有包含在該推薦規(guī)程中。

當(dāng)前國外規(guī)范中之所以未對內(nèi)波引起足夠重視，主要原因在于當(dāng)前世界主要海洋石油產(chǎn)區(qū)墨西哥灣、巴西海域和西非海域內(nèi)波很少發(fā)生。然而中國南海海域廣闊、海底地形復(fù)雜，水深較深，海面和海底存在溫差，密躍層和溫躍層常年存在，海水穩(wěn)定均勻?qū)踊?，?dāng)有內(nèi)潮波經(jīng)過劇烈變化的地形時，就會形成內(nèi)孤立波，中國南海北部海域內(nèi)孤立波十分活躍，南海深水油氣田開發(fā)必須考慮內(nèi)波對海洋結(jié)構(gòu)物的作用。

2 內(nèi)波及其對立管的作用

2.1 內(nèi)波

實際上海洋中海水密度在垂向上是連續(xù)分層的，當(dāng)有擾動源存在時，不僅會產(chǎn)生表面模態(tài)的波浪，而且在流體的內(nèi)部還會產(chǎn)生內(nèi)波模態(tài)的水波。海洋內(nèi)波可以同時向深海區(qū)和淺水區(qū)傳播，在特殊地形下，內(nèi)波會裂變產(chǎn)生大振幅內(nèi)孤立波。內(nèi)孤立波在傳播過程中產(chǎn)生的擾動將會導(dǎo)致海水的強烈福聚和突發(fā)性的海流，上層海流速度可達2.5m/s，下層海流每達也可達1.5m/s，上下反向強烈海流對水中結(jié)構(gòu)物引起巨大剪切力，將會對各種海洋結(jié)構(gòu)物造成嚴(yán)重威脅。

中國南海內(nèi)孤立波具有流速較強、振幅較大的特點。孫文俊和沈斌堅[6]描述了 “東方紅2”號試驗船漂航狀態(tài)下的軌跡圖(見圖1)。2007年7月20日2∶45～3∶20, 一個強度很大的內(nèi)孤立波自東向西傳播, 3000t 的試驗船在短短的20min內(nèi)向西漂航1160m左右, 平均漂流速度達到近1m/s。

圖1 漂航狀態(tài)下內(nèi)波經(jīng)過時的軌跡圖(單位:°)Fig.1 GPS track when internal wave passing by

立管貫穿于整個海洋水深范圍內(nèi)，因此不論其發(fā)生深度如何，必然經(jīng)受包括內(nèi)孤立波在內(nèi)的內(nèi)波作用。海洋內(nèi)孤立波在其傳播過程中會引起海水的強剪切流動，不僅會對海洋立管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的沖擊載荷，而且還會導(dǎo)致其產(chǎn)生大幅度的運動，當(dāng)內(nèi)波引起立管的這種大變形效應(yīng)與海流引起的立管大變形效應(yīng)疊加等耦合現(xiàn)象時，很可能會引發(fā)立管的突然斷裂等災(zāi)難性事故，對立管的安全和正常運行造成直接的破壞作用。下文將主要針對內(nèi)孤立波對深水頂張力立管的作用展開分析。

2.2 內(nèi)孤立波作用力數(shù)值模擬

在大多數(shù)情況下，海洋中海水密度的垂向分布可以近似認為是兩層結(jié)構(gòu)，即水體由密度不同的兩層構(gòu)成，兩層之間的密度躍層厚度很小從而可以忽略。這種近似雖然簡單，但卻是一般中、低緯度淺海區(qū)域春夏秋三季層化狀況的粗略近似[7]。本文采用兩層密度分布模型來模擬內(nèi)孤立波，假定上層海水密度和深度分別為ρ1和h1，下層海水密度和深度分別為ρ2和h2，水深h=h1+h2，內(nèi)孤立波振幅為η0(見圖2)，設(shè)定未擾動的兩層流體界面處為OXY平面，坐標(biāo)原點在兩層流體界面處，內(nèi)孤立波沿OX軸正向傳播。

圖2 內(nèi)孤立波及其參數(shù)定義Fig.2 Schematic of internal solitary wave and its parameters

在大多數(shù)情況下, 內(nèi)孤立波的波長遠大于立管的直徑,于是對于模態(tài)數(shù)較低的內(nèi)孤立波，其特征波長L較大,使得D/L≤0.15 能夠滿足，可以采用Morison公式模擬內(nèi)孤立波對立管的作用，如下式所示。

(1)

3 內(nèi)孤立波作用下頂張力立管動力響應(yīng)分析

3.1 立管運動方程

假定頂張力立管在初始位置時垂直，以立管未變形的位形為Z軸，向上為正，取立管底部為坐標(biāo)原點，X軸水平向右為正，Y軸垂直紙面向里為正。僅考慮立管受內(nèi)孤立波來流向的荷載，因而立管的變形和內(nèi)孤立波引起的流速都在XOZ平面發(fā)生。同時假定管內(nèi)流體以恒定速度V流動，內(nèi)孤立波沿OX軸正向傳播。立管運動方程可寫為如下形式[8-9]：

(2)

其中：mr,mi和ma分別為單位長度立管質(zhì)量,內(nèi)部流體質(zhì)量,外部流體附加質(zhì)量；C為結(jié)構(gòu)阻尼；C′為水動力阻尼，C′=ρeCDDu，u為周圍流體的速度(這其中包括了波浪、內(nèi)孤立波引起的水質(zhì)點的運動速度以及海流速度)；Te為立管的有效張力；f′為流體作用力，

(3)

3.2 立管動力響應(yīng)分析

本文以蔡樹群等[10]1992年在南海北部一孤立子內(nèi)波的實測資料為參數(shù)計算立管動力響應(yīng)。具體參數(shù)如下：上層水深h1=60m，密度ρ1=1025kg/m3；下層水深h2=412m、密度ρ2=1028kg/m3，內(nèi)孤立波振幅η0=75m，持續(xù)時間T=1100s。在計算的初始時刻，內(nèi)孤立波波谷距立管軸線1250m。立管參數(shù)見表2。

表2 頂張力立管參數(shù)Table 2 Parameters of top tension riser

引入上述內(nèi)孤立波和立管參數(shù)，編制Matlab程序計算南海實測內(nèi)孤立波作用下頂張力立管的動力響應(yīng)。圖3是頂張力立管3個不同節(jié)點位置(分別為上層流體中點、兩層交界面和下層流體中點)的順流向位移時程圖，水平坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為相對立管位移值。從圖中可以看出，立管的順流向位移在波谷到達之前，隨著內(nèi)孤立波速度的增大而逐漸增大；當(dāng)內(nèi)孤立波波谷傳播至立管處時 (即T/2)，立管全長位移達到最大；之后由于內(nèi)孤立波作用的逐漸減小，內(nèi)孤立波引起的上下層流速均逐漸減小，立管的位移也逐漸減小，直至最后回到靜力平衡的位形。在此內(nèi)孤立波作用時間內(nèi)，內(nèi)孤立波作用像是一個緩慢但巨大的沖擊力，會引起立管較大的位移，從而對立管安全造成很大的威脅。

圖4為立管在3個不同深度處節(jié)點上的應(yīng)力時程圖，可以看到在內(nèi)孤立波經(jīng)過時，立管的應(yīng)力發(fā)生明顯波動。上層流速范圍內(nèi)立管應(yīng)力比下層流速范圍內(nèi)立管應(yīng)力大。當(dāng)內(nèi)孤立波波谷經(jīng)過立管時，在深度32m處出現(xiàn)了全長的最大應(yīng)力121.6MPa。立管位移最大和應(yīng)力最大并未出現(xiàn)在同一深度處。

圖3 不同深度節(jié)點處的位移時程圖

表3 計算了振幅從45～85m的內(nèi)孤立波作用下立管的最大位移和應(yīng)力，從表中可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)孤立波的振幅對立管的響應(yīng)有顯著影響，大振幅內(nèi)孤立波作用下立管會產(chǎn)生較大的位移響應(yīng)和應(yīng)力幅值，這將會對立管的在位安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

圖4 不同深度節(jié)點處的應(yīng)力時程圖

表3 不同振幅下立管最大位移和應(yīng)力Table 3 Max displacement and stress for different amplitude of internal solitary wave

4 結(jié)語

從當(dāng)前API、ABS和DNV各個規(guī)范或操作規(guī)程中對立管的相關(guān)規(guī)定內(nèi)容可以看出，都未對內(nèi)波現(xiàn)象及其對立管的作用引起足夠重視。本文通過對內(nèi)孤立波作用下深水頂張力立管的動力響應(yīng)分析，可以看出頂張力立管在內(nèi)孤立波經(jīng)過時，相對較薄層流體部分的順流向位移和應(yīng)力明顯大于較厚層流體部分的位移和應(yīng)力。立管鄰近兩層流體的交界面處發(fā)生最大順流向位移，發(fā)生剪切破壞的可能性較大。因此內(nèi)波尤其是內(nèi)孤立波對立管的作用不可忽視，建議中國在引用API、ABS和DNV相關(guān)規(guī)范在對立管進行設(shè)計時要充分考慮內(nèi)波尤其是內(nèi)孤立波的影響。

[1] American Petroleum Institute. API RP 2RD. Design of Risers for Floating Production Systems (FPSs) and Tension-Leg Platforms (TLPs) [S]. American：American Petroleum Institute, 2006.

[2] American Bureau of Shipping. Guide For Building and Classing Subsea Riser System [S]. American：American Bureau of Shipping, 2008.

[3] Det Norske Veritas. Recommended Practice DNV-RP-C205, Environmental Conditions and Environmental Loads [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2010.

[4] Det Norske Veritas. Offshore Standard DNV-OS-F201, Dynamic Riser [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2010.

[5] Det Norske Veritas. Offshore Standard DNV-OS-F101, Submarine Pipeline Systems [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2012.

[6] 孫文俊, 沈斌堅.海洋內(nèi)波ADCP 監(jiān)測技術(shù)研究 [J]. 熱帶海洋學(xué)報, 2010, 29(4): 170-173.

[7] 方欣華, 杜濤. 海洋內(nèi)波基礎(chǔ)和中國海內(nèi)波 [M]. 青島： 中國海洋大學(xué)出版社, 2005.

[8] Guo Haiyan, Li Xiaomin, Liu Xiaochun. Numerical prediction of vortex induced vibrations on top tensioned riser in consideration of internal flow [J]. China Ocean Engineering, 2008,22(4): 675-682.

[9] 張莉, 郭海燕, 李效民.南海內(nèi)孤立波作用下頂張力立管極值響應(yīng)研究 [J].振動與沖擊, 2013, 32(10): 100-104.

[10] 蔡樹群, 甘子鈞, 龍小敏.南海北部孤立子內(nèi)波的一些特征和演變 [J].科學(xué)通報, 2001, 46(15): 245-250.

責(zé)任編輯 陳呈超

Analysis and Discussion on the Effect of Internal Wave in the Design Standard of Marine Risers

LI Xiao-Min1, CUI Peng1, ZHANG Li2, GUO Hai-Yan1

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2. College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

The design, construction and installation of marine risers must be based on related specifications. While there are no related specifications in China at present and mainly reference for foreign standards. The related codes and industrial standards in the design and installation of marine risers are introduced and the environmental conditions and environmental loads related to deep-sea riser in the code of API, ABS and DNV are introduced. Then the attentive focus is put on the internal wave phenomenon commonly exist in South China Sea and the effect of internal wave especially the internal solitary wave on the top tension riser (TTR) is analyzed. The results indicate that the internal solitary wave may cause extreme response on the riser and should be considered in the design. Finally, the recommended suggestions are proposed when we introduce the codes of API, ABS and DNV and provide reference for the design of deep-sea riser.

riser code; internal wave; top tension riser (TTR); extreme response

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2010AA09Z303)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎勵基金項目(BS2013HZ014)；青年教師科研專項基金項目(201313020)；國家自然科學(xué)基金項目(51279187)；中央高?；究蒲匈M項目(201262005)資助

2013-10-14；

2014-06-25

李效民(1982-)，男，博士，講師，研究方向：流固耦聯(lián)振動。E-mail：lxm0318@ouc.edu.cn

P731.21

A

1672-5174(2015)02-121-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20130263