顶部张紧力立管的初步规划设计.doc

顶部张紧力立管初步设计
摘要
立管 (Riser)系统是指连接海底井口与浮式平台之间导管，重要用途是生产、采油、注水和修井、完井等。本文重要在对顶部张紧力立管存基本构造简介基本上，对其存在力学问题进行了阐述。在此基本上，以顶部张紧力立管概念设计为基本，重要阐述了顶部张紧力立管顶部张力拟定和立管振动问题。可觉得后来详细设计提供支持和保障，进而为设计与制造打下基本。
引言
深水油气立管系统是油气开发系统中最薄弱构件之一。立管具备各种构造，如顶部张紧力立管（TTR），自由悬链线立管（SCR）等。
深水顶部张紧力立管有干式和湿式两种生产形式。重要种类有钻井立管，生产立管，注水管和及输入输出管虽然立管用途不同，但立管构成构造基本相似。由于TLP和Spar平台垂荡运动较小，因而TTR立管多用在TLP和Spar平台中。世界上最早顶部张紧力立管在1984年服役于英国北海浮式产油系统中张力腿平台，到当前为止世界上已有29给平台使用顶部张紧力立管，其中17个应用于TLP平台，12个应用于Spars平台。
在深水中，立管不但要合用于深海石油开发所采用浮体装置，并且要保证水深达到几千米复杂海洋环境下具备一定可靠性，并且立管所受荷载相称复杂且很难拟定，会对立管导致破坏。这不但使工程自身蒙受损失，并且也许导致严重次生灾害，导致石油泄漏，污染环境。因而，开展深水立管系统研究和设计对于深水油田安全高效开发具备重要经济意义。

正文
1.立管基本构造
深水立管是通过各段立管节连接起来。为了变化立管力学性能，其中某些节要通过特殊设计。普通TTR立管节一根长大概50-70尺。TTR主体构造由中级别高强度钢建造。由于钛力学性能，机械性能优越，在某些核心部位使用钛建造。TTR重要由张力系统、原则立管节、张力节、伸缩节(telescopic joint)、keel节、锥形节/应力节（TSJ）、tie-back连接等构成。

图1.1 TTR构成
TTR区别于SCR是需要足够顶张力来保持立管垂直，水太深时张紧系统无法提供所需要顶张力。1500m水深也许是TTR一种瓶颈问题。TTR设计中要考虑顶张力多大，如果不能提供或者响应不满足如何规定浮筒以及浮筒配备。
1.1构成
1.原则立管节
原则立管节由主管和辅助管线构成。
2 张力系统
平台或钻井船和立管连接是张力连接。张力系统功能是维持立管张力规定和补偿立管竖向运动缺失张力。张紧装置中张力环和张力节都是一种局部加强构造。张力环作用是连接主管和张力装置。张力节是传递张力到立管顶部。
3 Keel joint
Keel joint作用是防止立管受到由于浮体水平位移而引起过大弯矩及过大弯曲应力。
4 锥形节/应力节（taper/stress joint）
TSJ是一种锥形变截面立管节，开始一段是直管，与原则立管直径相似，然后逐渐变厚。重要作用在于在一种可控制限度范畴内分散弯曲荷载，是弯曲应力减少到可接受范畴内。
5 柔性节（flexible joint）
柔性节提供了一种柔性连接，平台或钻井船在移动时，可以使柔性节下管段减小位移或相对保持不动，可以起到减小力矩作用。

图1.2 完整立管节 1.3 液压气动式张紧装置 图1.4 Keel节
6 涡激振动抑制装置
深水立管涡激振动抑制装置有strake和fairing两种。Strake价格便宜，但它增长了阻力。Fairing阻力比，拖曳力也比较小，但是价格比较贵。

图1.6 stake 图1.7 fairing 图1.9 法兰连接
7 立管连接
TTR连接方式重要是法兰连接和螺纹连接。其中最惯用是法兰连接。
1.2 管径选取
米到2500米水深管道普通选用6寸至10寸管径；1500米到米选用12寸管径；1000米到1500米选用14寸管径；1000米到1500米管径为16寸。（1寸=3.33厘米）
1.3立管间距
在极限流、浪状况下影响，相邻立管发生碰撞。普通管与管距离为管2-5倍管径（表面间距离）。
2．顶部张紧力立管基本概念
2.1 立管所受重要荷载
深水立管重要受到波浪、海流、风暴涌、自重、平台（或船体）水平漂移，平台（或船体）吃水误差、损伤条件等各种环境因素和极端工况影响。立管内部尚有高压油或气流通过。在冰区水面附近，立管还受到海冰冲击作用。
立管受到这些荷载中既有横向尚有纵向荷载，因而立管受到是拉伸与弯曲组合变形及轴力和弯曲应力。

图2.1 TTR所受荷载 图2.2 TTR力学模型
2.1 TTR立管力学模型
由于立管在水下是基本垂直，可以将立管当作是有压力薄壁细长杆件，TTR立管模型简化成欧拉压杆力学模型。
在浅水区域，由于采用固定式平台并且立管比较短，普通将立管固定在平台腿上。在深水条件下，立管弯曲刚度很小（），固有频率变小，立管变柔，自重将使其失稳。无论管内压力与否变化，临界力不变，就像软水管，给内部水加压并不能使软水管直立。
经计算得，当水深超过150米时，此时立管自重将使其失稳。随着水深增长及立管最小许用直径和壁厚限制，为了避免立管屈服和使立管保持平衡，由安装在平台上拉力装置在立管顶部施加较大拉力，即顶部张紧力。
2.1.1 顶部张紧力
顶张力作用一是可以支持立管重量，使立管保持垂直状态，避免立管在外力下失稳；二是防止立管底部压力过大，增长顶部张紧力可明显减小立管弯矩、立管底部球铰转角，立管横向变形，变化立管固有频率；三是抑制涡击振动，避免由于涡激振动而导致立管过大弯曲应力等作用。四是立管竖向运动也规定顶张力补偿缺失张力。当水深更深时，达到1000米或不不大于1000米深水钻井而言，只是单纯增长顶部张紧力将使立管顶端局部产生过大轴向应力，增长立管应力水平。发生强度破坏等问题。
2.1.2 浮筒
由于受立管强度限制，立管可承受顶张力有限。因而，除了采用顶部张紧力外，还要为立管添加浮筒。浮筒通过自己浮力为立管提供竖直向上拉力。同步，浮筒能削弱立管竖向和水平位移。但是浮筒将导致立管受到更大涡激振动影响，同步给立管安装导致诸多不以便，导致工程费用增长。
3. 立管顶部张紧力拟定
普通有两种办法拟定立管顶部张紧力，一是将立管顶部张力分为两某些，静张力和动张力；另一种办法就是依照影响立管顶部张力有关参数，直接拟定顶部张力。
3.1 办法一
顶部张力可看作两某些，静张力和动张力。动张力是一种随时间变化力。
3.1.1 静张力
静张力分为两某些：
（1）由自重和立管浮力引起立管张力
（3.1）
（2）作用在立管上流体内外压
（3.2）
而管壁面积，为钢密度，为海水密度。

图3.1 立管构造
立管水上某些相对较小，假设代入[A.1]和[A.2]得
（3.3）
3.4）
整顿（3.3）和（3.4）得，静张力为
（3.5）
普通来说，静张力以立管在水中自重倍数来表达。这个倍数叫顶部做张力因数。[3.5]写为
（3.6）
3.1.2 动张力
动张力是一随时间变化力，是由平台或船体运动而引起，它频率与只船体或平台运动频率关于，与海流或波浪频率无关。顶部静张力对立管轴向振动没有影响，它只是引起立管一种伸长量，相称于一种初始静位移。动张力则是外勉励项。
3.1.2.1 固端立管动张力
立管被简化成一种有无穷轴向刚度刚性直杆，轴向以为是无限刚度，顶部轴向力变化是平台轴向运动完全线性函数。有效张力动张力
（3.7）
其中是立管张力系统纵向劲度系数。
因而总有效张力为
（3.8）

3.2 固支立管沿立管轴向有效张力
其中，假定平台垂向运动
3.1.2.2 自由悬挂立管动张力
平台垂向运动给立管一种质量加速度。这可以解释为一种作用在立管上附加重力加速度。令为平台垂向运动。
（3.9）
因而总有效张力为
（3.10）
其中，为水中立管单位长度重量，为干式立管单位长度重量。

3.3 自由悬挂立管沿轴线有效张力
其中，假定平台垂向运动
3.2 办法二
立管顶部张力（）与轴向伸长量（）、立管表重和立管内部压力温度关系为
（3.11）
其中，是立管轴向刚度，是立管表重函数（，，为立管管重，为内部流体重量，为排开液体重量），是立管压力和温度变化函数（，为热膨胀系数）。（5.17）可写成
（3.12）
3.2.1 立管伸长量

图3.4
由图3.4可得立管升降（）、立管伸长量（）和平台升降()关系为
（3.13）
从小角度位移理论得，平台升降为：
在常张力作用下，偏移引起立管升降为：
其中，和是立管顶部和底部张力，w是立管单位长度表重。代入（3.13）中，得到由于平台运动引起立管伸长量为
（3.14）
其中为张力因素，。
通过计算立管伸长量就可以计算出立管顶部张力。若考虑立管添加浮筒，就在式中减去浮筒浮力，其中 浮筒净浮力， 由于浮筒弹性变形，长期海水吸取和制造误差导致浮筒损失和公差系数（普通为0.96）。
3.3 顶部张紧力应用
3.3.1 计算管壁张力
计算出顶部张力后，依照立管垂向平衡，计算出立管断面上有效张力，再由公式，进而得出管壁上张力。
图3.5 有效张力示意图 图3.6 管壁张力 图3.7 立管最大下垂点
3.3.2 最大下垂点
一旦最后张力（）拟定，最大下垂点位置和大小可以得出。在最大下垂点张力（）为
（3.15）
最大下垂点位置（L）为
（3.16）
最大下垂值为
（3.17）
弯曲刚度（EI）对立管外形和升沉没有影响。
3.3.3 立管顶部张力变化引起立管伸长量.
平台水平位移（）将引起立管张力从初始张力（）增长到最后张力（）。张力增长到是，立管伸长量为
（3.18）
其中是带有张力装置立管轴向刚度（）。
4. 立管振动问题
4.1 立管横向运动方程
假设：立管倾斜和弯曲较小；立管变形较小；应力应变关系式线性关系。则运动控制方程写为
(4.1)
其中，EI是弯曲刚度，是真实张力（重力减浮力），横截面面积，流体压力，立管单位长度质量（，钢密度），内部流体单位长度上质量（，内部流体密度），单位长度附加质量（， 附加质量系数，海水密度），作用在立管上单位长度外加力。
方程中第一项为由于立管弯曲引起水平力，第二项为由于为重力和浮力提供张力一起水平力，第三项为作用在立管上内外压引起水平力，第四项为立管惯性和环流引起水平力。
由前面阐述，有效张力由两某些构成，，真实张力和作用在立管上静水压力。因而，代入（4.1）中得，
（4.2）
对于不同立管模型构造，有效张力表达方式不同，运动方程有不同形式，计算出立管振动频率和各阶模态也不同。
模型
模型1（常张力）
模型2
模型3（自由悬挂立管）
运
动
方
程

边
界
条
件

（参数：外直径0.48米，壁厚0.015米，立管长1500米）
表 4-1
模型1是一种纯抱负状态，但是由于模型简朴，与真实状况相差不大，惯用模型1做立管关于计算。
长度（m）
1500
1500
1500
顶部张力(KN)
2197.32
2856.50
3955.18
固有频率（rad/s）
0.136
0.155
0.182
通过算例可以看到顶部张力T对弯曲振动固有频率影响。在深水条件下，立管弯曲刚度变小，固有频率变小，也就是变柔了。通过在轴向施加顶张力可增大固有频率，相称于增大了弯曲刚度。
结论
以上通过对国内外石油开发设计过程分析，简介了张紧力立管（TTRs）在深水开发初步设计和分析流程及在初步设计中需要考虑某些核心因素。当前在国内海洋石油工业由浅水走向深水过程中，但愿本文提出设计流程和分析办法、设计理念能对海洋石油管道设计者有所协助。
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