水下懸浮管匯總體布局及設(shè)計(jì)方案

韋龍貴,王瑩瑩 ,陳 幸, 楊 超,趙維青,關(guān)清濤,郭 鑫

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津,300452;2.中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院,北京102249;3.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)公司,?？?570100)

隨著海上油氣開發(fā)的不斷發(fā)展,我國油氣資源開發(fā)也在逐漸由近海轉(zhuǎn)向深海[1]。水下管匯作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分,其主要功能是匯集各個(gè)采油樹產(chǎn)出的水、油、氣,并通過海底管道將產(chǎn)出的流體分離后輸送到海洋平臺或陸地處理設(shè)施,因此,水下管匯在深水油氣開發(fā)中占有重要地位[2]。如圖1所示,傳統(tǒng)的水下管匯主要由管系結(jié)構(gòu)、連接器、結(jié)構(gòu)框架和底座等組成,質(zhì)量從幾十噸到幾百噸不等[3]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以減少海洋平臺上立管的數(shù)量,節(jié)約平臺空間。在浮式裝置到達(dá)之前,水下生產(chǎn)系統(tǒng)可以提前安裝[4],從而縮短油田建設(shè)工期[5],在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的同時(shí),還能節(jié)約成本,提高經(jīng)濟(jì)性[6]。水下管匯作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系到生產(chǎn)系統(tǒng)的效率,具有重要的意義。

圖1 傳統(tǒng)水下管匯示意圖

傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)雖然具有很多的優(yōu)點(diǎn),在海洋油氣開發(fā)過程中扮演著重要的角色。但是,傳統(tǒng)水下管匯需要安裝吸力錨[7],安裝過程復(fù)雜且耗時(shí)長,施工難度大,消耗人力物力多,達(dá)到使用壽命時(shí)不易回收。這些缺點(diǎn)使水下生產(chǎn)管匯的應(yīng)用存在著一定的局限性。本文針對傳統(tǒng)水下管匯的弊端,開展了新一代懸浮管匯創(chuàng)新性設(shè)計(jì),形成了懸浮叢式管匯的設(shè)計(jì)方案,提出“易回收,可重復(fù)利用”的新一代水下懸浮叢式管匯的新概念,可以很大程度上減少深海生產(chǎn)的作業(yè)工序,提高海上油氣的生產(chǎn)效率。

1 水下懸浮管匯總體布局方案

1.1 新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)

新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)是對傳統(tǒng)水下系統(tǒng)的改進(jìn),整體設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。通過在傳統(tǒng)管匯上增加浮筒結(jié)構(gòu),使水下管匯能夠懸浮在距離海床一定高度處[9]。在下放管匯時(shí),對浮筒進(jìn)行進(jìn)水、排氣工作,使管匯在纜繩拉力與自身重力的作用下勻速下放。在回收管匯時(shí),通過對浮筒進(jìn)行進(jìn)氣、排水工作,使管匯浮力增大,進(jìn)而使得回收時(shí)纜繩的拉力減小。水下懸浮叢式管匯去除了傳統(tǒng)管匯的吸力錨結(jié)構(gòu),從而節(jié)省了下放安裝過程的成本與時(shí)間,同時(shí)使水下管匯達(dá)到使用壽命時(shí)能夠被安全可靠地回收[10],減少資源的浪費(fèi)和對海洋環(huán)境的污染。 新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

1.2 水下懸浮管匯總體布局優(yōu)選

水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置靈活,適用水深范圍廣泛,在深水油氣田開發(fā)中具有很大優(yōu)勢[11]。水下管匯的整體布局設(shè)計(jì)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,首先需要進(jìn)行懸浮管匯總體設(shè)計(jì),在確定了懸浮管匯的布局方案以后,深水功能艙、管道終端等才能更好的布局,以此來減少布局時(shí)間。本文參考了南海某油氣田數(shù)據(jù),根據(jù)需求設(shè)計(jì)出以水下叢式懸浮管匯為中心,含有6個(gè)功能艙的水下生產(chǎn)系統(tǒng),并根據(jù)從管匯到功能艙下放的柔性管數(shù)量的不同,提出了2種懸浮管匯整體布局方案。

1.2.1 布局方案一

圖3所示為第1種布局方案。在這種設(shè)計(jì)方案中,主臍帶纜一端與水上臍帶纜終端單元相連,另一端下放至水下,連接到水下分配單元,經(jīng)過水下分配單元,分成包含液壓飛線、電飛線和備用化學(xué)藥劑注入線的若干根油田內(nèi)部臍帶纜和1根含有控制水下懸浮管匯控制單元電信號與液壓信號的柔性跨接管。油田內(nèi)部臍帶纜與水下生產(chǎn)單元相連接,控制水下功能艙相應(yīng)閥門的開關(guān)與化學(xué)藥劑的注入;與懸浮管匯相連的柔性跨接管包含有電信號控制線路,高低壓線路,以及放空管線,用于調(diào)節(jié)水下控制模塊的運(yùn)行;水下功能艙則通過柔性跨接管與水下懸浮管匯的支管相連接,將采出的地下油氣流體傳輸至水下懸浮管匯。懸浮管匯的匯管經(jīng)柔性跨接管與管道終端(PLET)相連接。PLET則與油田內(nèi)部流動管線相連,并通過剛性跨接管連接水下處理系統(tǒng)。油氣流體在管道中流動至水下處理系統(tǒng),經(jīng)過簡單分離后經(jīng)外輸管線輸送至地面處理系統(tǒng)。

圖3 水下懸浮管匯系統(tǒng)布局方案一

1.2.2 布局方案二

圖4所示為第2種布局方案。主臍帶纜從平臺下放,連接到水下懸浮管匯并在其中分為若干支。臍帶纜包含高壓管線路2條,低壓線路2條,藥劑注

入線路1條,保護(hù)線路2條以及若干電信號控制線路。其中高壓線路、低壓線路、放空管線、電線及藥劑注入管線在水下懸浮管匯中分成6支,構(gòu)成電液飛線,通過接頭與飛線連接在一起,飛線另一端連接至水下功能艙,從而實(shí)現(xiàn)對功能艙內(nèi)部的液壓閥門及電控閥門的控制。水下功能艙與水下懸浮管匯通過柔性跨接管相連接,將采出的地下油氣流體輸送至支管,并通過管匯系統(tǒng)匯集到匯管。匯管與柔性跨接管相連,并通過柔性跨接管將油氣流體輸送至PLET。PLET設(shè)置有油田內(nèi)部流動管線,實(shí)現(xiàn)了油氣流體在海底的長距離運(yùn)輸,而輸送至水下處理系統(tǒng)附近時(shí),PLET與水下處理系統(tǒng)之間采用剛性跨接管連接,并通過外輸管線將油氣流體輸送至地面。

1.2.3 布局方案對比

方案二的布局結(jié)構(gòu)緊湊,可以依托已有設(shè)施,實(shí)現(xiàn)多口井的布置,生產(chǎn)效率高,具有傳統(tǒng)水下管匯布置方法的優(yōu)點(diǎn)。但此方案需要從懸浮管匯上下放較多管線,由于管匯懸浮,不僅使得安裝過程復(fù)雜,還易造成管道之間相互碰撞,從而導(dǎo)致管線破損,還使得懸浮管匯不利于回收,而且由于管線過多,在洋流的作用以及自身重力的影響下,增加懸浮管匯的負(fù)重,不利于提高海洋油氣的生產(chǎn)率。方案一與懸浮管匯連接的管線數(shù)量少,結(jié)構(gòu)簡潔,便于安裝,同時(shí)管線對于懸浮管匯的牽扯力影響較小,對功能艙的控制更精確,但管線總長度會相對增加。綜上,在對比經(jīng)濟(jì)性、安全性以及可靠性等因素后,選用方案一的布局形式,并在管匯的管道設(shè)計(jì)中保留藥劑注入管道。

2 水下懸浮管匯設(shè)計(jì)方案

水下懸浮管匯的總體布局方案設(shè)計(jì)完成之后,需要對各結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于去掉了底部支撐結(jié)構(gòu),懸浮管匯的設(shè)計(jì)不需要考慮土壤參數(shù)與上部載荷的作用,同時(shí)也除去了對吸力錨的需求。水下懸浮管匯基本設(shè)計(jì)方案包括水下閥門與生產(chǎn)管道設(shè)計(jì)、支撐框架設(shè)計(jì)和浮筒設(shè)計(jì)。生產(chǎn)管道收集來自采油樹的油氣產(chǎn)物,通過柔性跨接管匯總至處理加工中心;支撐框架為水下閥門和生產(chǎn)管道等設(shè)備提供支撐和保護(hù);浮筒則為整個(gè)懸浮管匯提供浮力,使其能夠懸浮在距離海床一定高度處。

2.1 懸浮管匯總體設(shè)計(jì)方案

懸浮管匯區(qū)別于傳統(tǒng)水下管匯之處在于取消了底座的設(shè)計(jì)與吸力錨的使用,依靠浮筒提供的浮力以及系輸兩用柔性跨接管系泊,并最終使管匯結(jié)構(gòu)懸浮于海床某一高度。取消底座改用浮筒提供浮力的設(shè)計(jì),使懸浮管匯擺脫了對錨泊系統(tǒng)的依賴,在對其進(jìn)行安裝時(shí),無需再進(jìn)行吸力錨的安裝,這樣縮減了安裝作業(yè)時(shí)間,并且節(jié)約了使用吸力錨的費(fèi)用。管匯與水下功能艙通過系輸兩用跨接管連接,通過浮筒提供浮力,使其保持懸浮狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障需要將管匯整體回收時(shí),懸浮管匯可以通過拆除柔性跨接管,向浮筒內(nèi)部注入氣體改變浮力,使管匯漂浮至海平面,從而達(dá)到回收利用或者維修的目的。懸浮管匯的整體示意圖如圖5所示。

2.2 懸浮管匯基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的懸浮管匯的基本參數(shù)為:水深1 000 m,設(shè)計(jì)工作溫度100 ℃,最大設(shè)計(jì)溫度130 ℃,最小設(shè)計(jì)溫度3 ℃,工作壓力10.1 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,將管匯主管直徑設(shè)計(jì)為304.8 mm(12英寸),支管直徑為152.4 mm(6英寸),同時(shí)將管匯井槽設(shè)計(jì)為6個(gè),4口生產(chǎn)井的流體通過中152.4 mm(6英寸)柔性跨接管與懸浮管匯相連接,并在接口處預(yù)留了箍座方便固定鵝頸管;每一處接口設(shè)置了ROV操作的控制閥;管匯設(shè)置有清管回路,服務(wù)于清管作業(yè)[12]。

懸浮管匯的注入管線包括乙二醇注入管線,化學(xué)藥劑注入管線,放空管線等。在布局方案一中,乙二醇注入管線、化學(xué)藥劑注入管線、高低壓供液管線包含在主臍帶纜中,從地面設(shè)施下放,在水下分配單元中完成到各個(gè)井口的分配。主臍帶纜同時(shí)包含放空管線,用來降低因故障帶來的異常流體壓力,放空管線在水下分配單元中分配出1根到水下懸浮管匯,并同時(shí)連接到兩根匯管,可以單獨(dú)或同時(shí)排出匯管內(nèi)的高壓流體。乙二醇管線設(shè)計(jì)為?63.5 mm(2.5英寸)管;放空管線和化學(xué)藥劑注入管線設(shè)計(jì)為?31.75 mm(1.25英寸)管。在注入管線分支末端保留有接頭用的連接固定裝置,同時(shí)在注入線路的主管道末端留有溫度壓力傳感器,可以隨時(shí)記錄注入管線的溫度、壓力變化,對工作時(shí)出現(xiàn)的異常狀態(tài)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控,確保注入管線的正常工作。在注入管線上存在著相應(yīng)的隔離閥,用于控制注入管線流體的流通。

2.3 懸浮管匯的P&ID圖

根據(jù)布局方案一可以設(shè)計(jì)出懸浮管匯的P&ID圖,如圖6所示。水下管匯目前有單管和雙管2種形式,單管管匯與雙管管匯區(qū)別在于單管管匯適用于清管作業(yè)不頻繁的情況,初始投資低,而雙管管匯操作靈活性大,即可以降低起輸壓力,又可以降低氣田最小輸量,方便清管。本設(shè)計(jì)在分析南海某油氣田氣藏壓力較大,且含有一定砂石等環(huán)境條件影響因素后,采用雙管管匯的形式,以方便清管作業(yè)及防止泥沙的堆積[13]。雙匯管的布局能夠讓油井中氣體通過采油樹、跨接管、支管進(jìn)入管匯中的任何一根匯管,實(shí)現(xiàn)高低壓運(yùn)輸,并且在任何1根匯管出現(xiàn)故障后仍然可以進(jìn)入另1根匯管繼續(xù)生產(chǎn),達(dá)到冗余的目的。

水下懸浮管匯的生產(chǎn)管線包括2條并行匯管、6條支管和1條清管回路彎管。2條并行匯管可以滿足高壓、低壓井隔離集輸,方便清管作業(yè),并且使生產(chǎn)管線具有一定的冗余度,在1條匯管故障時(shí)可以使用另一條匯管繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。每條支管線同時(shí)連接在2條匯管上,通過液壓/ROV控制閘閥控制流體流向哪條匯管,從而實(shí)現(xiàn)高、低壓隔離集輸。在單井故障時(shí)可將該井支管關(guān)閉,而不影響其它井的生產(chǎn),或者在某條匯管故障時(shí),可以控制流體進(jìn)入另一條匯管,而不必完全停產(chǎn)。生產(chǎn)管線包括2條匯管、6條支管,還有匯管隔離閥、支管隔離閥、跨接管接頭等。

圖6 漂浮式水下管匯P&ID圖

管匯上的閥門控制方式與水下采油樹相同,需要對水下球閥、閘閥和藥劑閥等[14]進(jìn)行控制,管匯上有電液控制閥門, SCM控制水下閥門的開閉,并將懸浮管匯的壓力、溫度等數(shù)據(jù)傳輸至水上控制單元[15]。SCM使用高低壓液壓控制系統(tǒng),為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的高壓和低壓流體,低壓用來控制采油樹和管匯中的水下功能閥門,而高壓線路則用來控制井下安全閥,通常低壓為21～35 MPa,高壓為52～105 MPa[16]。

3 浮筒布置方案分析

懸浮管匯承載浮筒本身為一種潛沒浮體,用于為集輸管匯提供人造海底,解決海底土質(zhì)不佳引起的管匯安裝問題。浮筒的體積及尺寸經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算,使其能在為管匯提供足夠浮力的同時(shí)保持管匯穩(wěn)定性,維持管匯正常工作。管匯與水下功能艙通過系輸兩用跨接管連接,通過浮筒提供浮力,使管匯保持懸浮狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障需要將管匯整體回收時(shí),向浮筒內(nèi)部注入氣體改變浮力,使管匯漂浮至海平面,從而達(dá)到回收利用或者維修的目的。

為了使圓柱殼浮筒能夠承受工作水深處的靜水壓力,在浮體下水前往耐壓浮筒內(nèi)部充入足夠氣壓的氣體,使耐壓浮筒承受內(nèi)壓,然后隨懸浮管匯下放。由于耐壓浮筒內(nèi)部的氣壓會隨著下放深度的增加而增大,因此內(nèi)部氣壓并不是全程都與外部氣壓平衡的[17],需要通過幾次內(nèi)部氣體與水壓的調(diào)節(jié)作業(yè),使其到達(dá)工作水深后抵消靜水壓力,并使浮筒內(nèi)外壓差平衡[18]。

浮筒內(nèi)壓控制系統(tǒng)工作的基本原理是:當(dāng)浮筒在深水狀態(tài)下工作的時(shí)候,內(nèi)部的壓力傳感器會將壓力信號傳給控制中心,并由控制中心發(fā)出控制指令。隨著水壓增大,則需控制并打開進(jìn)氣閥,向浮筒內(nèi)部輸送氣壓以平衡外部水壓;當(dāng)浮筒逐漸上升時(shí),水壓漸漸變小,內(nèi)部氣壓過大會使浮筒從內(nèi)部被“撐”破,因此當(dāng)收到壓力傳感器的指示時(shí),控制中心需要打開排氣閥排出氣體以減小浮筒內(nèi)氣壓。

按照浮筒與管匯的位置關(guān)系,本文設(shè)計(jì)出3種方案。

3.1 浮筒位于管匯下方(方案一)

浮筒位于管匯下的設(shè)計(jì)方案如圖7所示。浮筒位于管匯結(jié)構(gòu)的下方,從下面為管匯提供浮力。從管匯下放的飛線可以通過鵝頸管從浮筒外側(cè)連接到功能艙,也可以從浮筒中間下放,通過柔性跨接管與水下功能艙連接。這種方案使柔性跨接管與管匯的連接較為方便,而且從整體上看,是由浮筒支撐著管匯主體,二者之間接觸面積較大,穩(wěn)定性較好。但是由于浮筒結(jié)構(gòu)位于管匯的下部,容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的浮心位于重心下方,從而使得結(jié)構(gòu)整體傾覆,導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,需要在浮筒結(jié)構(gòu)底端增加配重塊的方式使整體結(jié)構(gòu)的重心下移,從而使結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定;浮筒本身需要設(shè)計(jì)安裝許多傳感器與電磁閥,當(dāng)管匯放置在陸地上而不受浮力時(shí),會因自身重力對浮筒產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力,可能會導(dǎo)致浮筒的損壞以及電子器件的失效,從而降低結(jié)構(gòu)整體的可靠性。

圖7 浮筒位于管匯下方

3.2 浮筒位于管匯上方 (方案二)

浮筒位于管匯上方的設(shè)計(jì)方案如圖8所示,浮筒置于管匯主體的上方,通過提供對管匯主體的拉力使管匯結(jié)構(gòu)達(dá)到懸浮的狀態(tài)。由于浮筒結(jié)構(gòu)在管匯的上方,整體結(jié)構(gòu)的浮心位于重心的上方,抗波浪載荷能力強(qiáng),無需增加配重塊以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。但浮筒與管匯主體之間需要高強(qiáng)度抗拉連接件,對強(qiáng)度要求較高,在陸地上時(shí)由于浮筒自重會對管匯主體產(chǎn)生壓力,同時(shí)需要從管匯下方對柔性跨接管進(jìn)行安裝,給安裝過程增加了難度。

圖8 浮筒位于管匯上方

3.3 浮筒位于管匯側(cè)方 (方案三)

將浮筒位于管匯主體側(cè)面,使浮筒與管匯處于同一水平面內(nèi)。此時(shí),需要考慮浮筒是否干擾到跨接管的安裝,因此將單個(gè)大浮筒拆分成若干小浮筒,成對稱狀分布在管匯四周,如圖9所示,這樣重心與浮心位于同一條垂線上,使結(jié)構(gòu)更加平穩(wěn)。同時(shí)浮筒高度略高于管匯的結(jié)構(gòu),使得浮心位于重心上方,提高了管匯主體的氣浮穩(wěn)定性。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是:浮筒設(shè)計(jì)成多個(gè)小浮筒,減小了單個(gè)浮筒的體積,降低了運(yùn)輸和加工的難度;懸浮管匯結(jié)構(gòu)分布均勻,氣浮穩(wěn)定性較好;在陸地上時(shí)管匯主體和浮筒之間不受彼此重力的相互作用,提高了整體的可靠性。但是這種方案也有明顯的缺點(diǎn),浮筒的固定鋼架強(qiáng)度要求較高,在工作時(shí)需要承受浮筒向上的拉力,同時(shí)也要支撐起管匯主體產(chǎn)生的向下的重力,對浮筒與剛性框架之間的連接方式以及管匯主體與剛性框架之間的連接方式提出了較高的要求,增加了制造成本。整體結(jié)構(gòu)示意如圖10所示,浮筒與管匯通過焊接方式連接在一起。

圖9 浮筒與管匯位于同一水平面

3.4 方案比較

3種方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),但是通過對比不難看出,方案三的設(shè)計(jì),使得浮筒對管匯施加的力分散在4個(gè)角落,增加了相互連接處的可靠性。在管匯進(jìn)行回收以后,浮筒與管匯之間并不會像方案一或者方案二那樣,因自重而向?qū)Ψ疆a(chǎn)生向下的壓力,從而在多次安裝回收后使得懸浮管匯的可靠性、抗疲勞強(qiáng)度越來越差。因此,為了延長懸浮管匯的使用壽命,同時(shí)貫徹新一代課題提出的“易回收,可重復(fù)利用”的新概念,最終采用了方案三的布置形式,并設(shè)計(jì)出了如圖10所示的整體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中,每個(gè)浮筒分為五層,每一層都設(shè)計(jì)有進(jìn)水/出水閥、進(jìn)氣/排氣三通閥,這樣設(shè)計(jì)有助于調(diào)節(jié)壓力,同時(shí)也達(dá)到了冗余目的。當(dāng)某一層被破壞以后導(dǎo)致浮力喪失時(shí),其余層也不會受到干擾,浮筒仍能提供足夠的浮力[19],懸浮管匯并不會馬上發(fā)生傾覆,為管匯的回收修復(fù)爭取了時(shí)間。

圖10 浮筒位于側(cè)面時(shí)管匯整體結(jié)構(gòu)示意

4 浮筒位置布置方案數(shù)值分析

為了更準(zhǔn)確地描述浮筒布置位置對新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)中水下懸浮叢式管匯系泊能力的影響,本文利用海洋工程模擬軟件OrcaFlex模擬分析浮筒在側(cè)方時(shí),浮筒充水?dāng)?shù)值、懸浮叢式管匯中浮筒破損承受能力和偏轉(zhuǎn)能力[20-21]。

4.1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)商用計(jì)算機(jī)軟件OrcaFlex,將立管分為一系列線段,然后通過直線無質(zhì)量模型段(在兩端具有一個(gè)節(jié)點(diǎn))對其進(jìn)行建模,如圖11所示。僅這些模型段表示管道的軸向和扭轉(zhuǎn)特性,而其他特性(例如質(zhì)量,重力,浮力和流體力學(xué))集中在節(jié)點(diǎn)處。

圖11 管線模型

在實(shí)際工程中,懸浮管匯的特征總力受許多因素影響。由于難以估計(jì)懸浮管匯的作用力,因此可以根據(jù)Det Norske Veritas規(guī)范簡化模型。在本文中,假設(shè)管匯由鋼框架結(jié)構(gòu)和完全剛性的結(jié)構(gòu)組成,這意味著管匯的響應(yīng)只是剛性結(jié)構(gòu)位移,而忽略了自身變形。因此,系泊過程中管匯中的特征總力可以表示為:

F1=F2+F3

(1)

F2=mg-ρ0Vdg

(2)

(3)

式中:F1為管匯中的特征總力;F2為管匯在水中的靜態(tài)重力;F3為管匯特征阻力;Vd為管匯的體積;Vr為管匯與水顆粒之間的特征垂直相對速度;CD為管匯阻力系數(shù);A為投影面積;g為重力加速度。

將管匯懸浮在水中的預(yù)定位置,同時(shí)根據(jù)力平衡公式確定系泊位置。管匯受到的柔性跨接管拉力如圖12所示。管匯建立在全局坐標(biāo)系(x,y)中,其原點(diǎn)為點(diǎn)O。當(dāng)前方向與x軸方向平行。

根據(jù)牛頓第二定律:

Fa+Fb+Fc+Fd+Fe+Ff+Fg+Fh+F2+F3=0

(4)

式中:Fi,分別代表懸鏈線的頂張力,i=a,b,c,d,e,f,g,h。

圖12 懸浮管匯受力分析

4.2 坐標(biāo)系建立

使用全局坐標(biāo)系(G-xyz)確定坐標(biāo)軸,其中G表示全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)。不同的浮標(biāo)具有相應(yīng)的局部坐標(biāo)系(B-xyz)。 如果浮標(biāo)是自由的或固定的,則通過給出浮標(biāo)原點(diǎn)B相對于全局軸的x,y和z坐標(biāo)來指定其初始位置。此外,通過提供3個(gè)角度(即縱搖、橫搖和艏搖)來指定其初始方向,這3個(gè)角度是定義浮標(biāo)軸方向的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。風(fēng),波和流向相對于全局坐標(biāo)系中的Gx軸和Gy軸,如圖13所示。圖示箭頭方向均是每個(gè)參數(shù)的正方向。

圖13 總體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系

4.3 懸鏈線參數(shù)

圖14為懸鏈線分別與懸浮叢式管匯和深水功能艙連接的模型示意圖。其中,懸鏈線頂端與懸浮叢式管匯的連接點(diǎn)為懸掛點(diǎn),該點(diǎn)處的懸鏈線切線方向與y軸負(fù)方向的夾角為懸掛角,懸鏈線與海床接觸的部分懸鏈線為觸地段。從圖14中可知,觸地段左端為觸地端,右端連接深水功能艙。懸鏈線主要參數(shù)如表1～2所示。

圖14 懸鏈線模型參數(shù)示意圖

表1 懸鏈線主要參數(shù)

表2 懸鏈線主要應(yīng)用參數(shù)

4.4 耦合模型建立

水下懸浮管匯主要由管匯和浮筒組成,而系泊系統(tǒng)包括柔性立管和外部立管。使用6D浮標(biāo)模型創(chuàng)建水下懸浮管匯?；趲缀魏瓦\(yùn)動學(xué)相似性,簡化了水下懸浮管匯,但其總體結(jié)構(gòu)保持不變。 將質(zhì)量(例如水下懸浮管匯中的管道)分配給水下懸浮管匯的主體,以確保簡化模型中的重心保持不變。內(nèi)徑為152 mm(6英寸)的柔性立管的端點(diǎn)連接到水下懸浮管匯的側(cè)面,而柔性立管的底部端點(diǎn)連接到井口。根據(jù)規(guī)則的六邊形對稱性分布6個(gè)井口點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)水下懸浮管匯的力平衡。內(nèi)徑為305 mm(12英寸)的外部提升管的端點(diǎn)連接到水下懸浮管匯的右側(cè)。 水下懸浮管匯的主要參數(shù)如表3所示。調(diào)整4個(gè)浮筒的浮力,以使水下懸浮管匯平穩(wěn)地懸掛在預(yù)定的高度。

考慮到極端情況,如艙壁破裂等,采取分艙(分層)設(shè)計(jì),由于此方案浮筒整體較為“細(xì)長”,故浮筒進(jìn)行分層設(shè)計(jì),可以有效地減小靜水壓差。同時(shí)為了防止在極端環(huán)境下浮筒部分破裂,對浮筒進(jìn)行分層設(shè)計(jì),且保證在系泊階段?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)偏移旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行微調(diào),“扶正”管匯。因此將浮筒模型劃分為5層來保證極端環(huán)境下的持續(xù)作業(yè)性。在系泊過程中,浮筒的5個(gè)艙體同時(shí)均勻注水,即5個(gè)艙內(nèi)的水量和氣量是相同的。4個(gè)浮筒分別安裝在框架的4個(gè)頂點(diǎn),浮筒中心到管匯中心的水平距離為9.55 m,浮筒內(nèi)部分層布置如圖15所示,管匯建模如圖16所示。

表3 水下懸浮管匯主要參數(shù)

圖15 浮筒分艙結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 管匯建模示意圖

4.5 模擬結(jié)果分析

4.5.1 浮筒質(zhì)量

建立模型后,通過調(diào)節(jié)4個(gè)浮筒的浮力,使管匯調(diào)平在距離海床100 m高度上,可得浮筒主要參數(shù)值,如表4所示。

表4 浮筒質(zhì)量參數(shù)

4.5.2 管匯偏轉(zhuǎn)

建立模型后,模擬得到所有管線輸送不同密度的油氣時(shí),懸浮管匯6個(gè)自由度數(shù)值如表5所示。由表5可知,管匯的懸浮高度和x坐標(biāo)隨油氣密度的增加而逐漸降低。由于生產(chǎn)系統(tǒng)總體布局結(jié)構(gòu)是關(guān)于y軸對稱,因此懸浮管匯的y坐標(biāo)始終保持不變。懸浮管匯的3個(gè)偏轉(zhuǎn)角度在不同油氣密度下變化微小,可認(rèn)為懸浮管匯在輸送不同密度油氣時(shí)可平穩(wěn)下降。

表5 懸浮管匯位置參數(shù)隨油氣密度變化的仿真數(shù)據(jù)

不同管線輸送不同密度油氣會導(dǎo)致管匯發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為此,需要分析2種方案在該種狀態(tài)下管匯的偏轉(zhuǎn)情況。根據(jù)圖12,穿過懸浮管匯中心的x軸將xy平面分為上下2個(gè)區(qū)域。上部區(qū)域的懸鏈線,和下部區(qū)域的懸鏈線分別輸送密度0 和1.0 t/m3油氣,可得到橫搖的偏轉(zhuǎn)角度。穿過懸浮管匯中心的y軸將xy平面分為左右2個(gè)區(qū)域,左部區(qū)域的懸鏈線和右部區(qū)域的懸鏈線分別輸送密度0 和1.0 t/m3油氣,可得到縱搖的偏轉(zhuǎn)角度。仿真分析的結(jié)果如表6所示。從表6中可知,懸浮管匯受不均勻油氣密度的影響較小,可認(rèn)為水下懸浮管匯在該種極端狀態(tài)下可保持相對穩(wěn)定。

表6 懸浮管匯偏轉(zhuǎn)角度

4.5.3 浮筒破損承受能力模擬結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ),模擬在懸浮管匯輸送密度為0 t/m3油氣時(shí)浮筒1和2分別在一層破損和二層破損情況下,懸浮管匯6個(gè)自由度的變化情況。模擬懸浮管匯輸送密度為1.025 t/m3油氣時(shí),浮筒1和2分別在一層破損時(shí),懸浮管匯6個(gè)自由度的變化情況,這2種方案的模擬結(jié)果如表7所示。

表7 不同浮筒艙破損時(shí)管匯自由度變化情況

由表7可知,當(dāng)浮筒破損以后,懸浮管匯會下降一定的高度,并且管匯本身將發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)輸送油氣密度為0 t/m3時(shí),浮筒破損時(shí)的下降高度小于輸送油氣密度為1.025 t/m3時(shí)的下降高度,并且縱搖、橫搖和艏搖的變化量也較小。通過數(shù)值模擬結(jié)果可知,在浮筒一層破損的情況下,管匯的偏轉(zhuǎn)值仍然處于較小值,同樣也可繼續(xù)保持一定位姿。

6 結(jié)語

水下管匯位于深水環(huán)境中,安裝過程復(fù)雜,不易操作。本文依托新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目,針對傳統(tǒng)管匯的不足之處,提出了新一代水下叢式懸浮管匯的設(shè)計(jì)概念,并進(jìn)行了以下分析:

1) 對比了2種基于懸浮管匯的水下生產(chǎn)系統(tǒng)布置形式,最終確定了分配單元-功能艙-管匯的設(shè)計(jì)方案。

2) 設(shè)計(jì)了懸浮管匯的內(nèi)部管線結(jié)構(gòu),并繪制了PID圖,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

3) 對基于懸浮管匯的水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化,使其能夠滿足懸浮管匯的功能要求。

4) 提出3種水下懸浮管匯浮筒位置布局方案,并分析其優(yōu)缺點(diǎn),選擇浮筒位于管匯側(cè)面的方案作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)方案。

5) 對浮筒位于管匯側(cè)面的方案進(jìn)行Ocerflex的數(shù)值模擬,證明其在輸送不同密度的油氣時(shí)擁有一定的穩(wěn)定性,并且在浮筒破損一層的情況下仍然能夠保持一定的懸浮姿態(tài)。