涠洲68平台立管和膨胀弯运行期应力分析

1、吕伟吕伟20092009年年1212月月实习期间工作汇报实习期间工作汇报2目目 录录项目背景项目背景海管结构设计概述海管结构设计概述立管分析的目的、方法立管分析的目的、方法分析过程中关键参数的选取分析过程中关键参数的选取分析中遇到的问题及解决办法分析中遇到的问题及解决办法经验总结经验总结3涠洲涠洲6-86-8油田位于涠洲半岛西南部的北部湾，需要在油田位于涠洲半岛西南部的北部湾，需要在WZ6-8 WHPAWZ6-8 WHPA和和WZ12-1 WHPBWZ12-1 WHPB之间铺设一条海底管线。之间铺设一条海底管线。目目的的管管线线描描述述背景背景管线类型直径(in)长度 (km)多相流混输管道W

2、Z6-8 WHPA WZ12-1 WHPB双钢管保温结构6/104.24海底钢制管道海底钢制管道海底钢制管道包括平台间海底钢制管道包括平台间管道和外输管道。管道和外输管道。按输送介质分为输油海底按输送介质分为输油海底管道、输气海底管道、输管道、输气海底管道、输水海底管道以及油、气、水海底管道以及油、气、水三相或其中两相混输的水三相或其中两相混输的海底管道。海底管道。5海海管管结结构构设设计计工工作作范范围围1.1.协助总体专业选择确定管道系统路由和立管位置及布置；协助总体专业选择确定管道系统路由和立管位置及布置；2.2.根据规范对管道系统进行施工期和运行期强度和稳定性分析，确定管道根据规范对管

3、道系统进行施工期和运行期强度和稳定性分析，确定管道 和立管的材质和壁厚，并提出保证稳定性的措施。和立管的材质和壁厚，并提出保证稳定性的措施。3.3.编制相关的计算书和报告。编制相关的计算书和报告。4.4.编制材料、管道（包括弯管）预制、海上安装、水压试验等技术规书。编制材料、管道（包括弯管）预制、海上安装、水压试验等技术规书。5.5.绘制海底管道结构设计图纸，包括总布置图，管道沿路由分段配置图，绘制海底管道结构设计图纸，包括总布置图，管道沿路由分段配置图， 管道、立管结构图，管道海上连接图，立管、膨胀弯吊装图以及立管保管道、立管结构图，管道海上连接图，立管、膨胀弯吊装图以及立管保 护、挖沟埋设

4、等图纸。护、挖沟埋设等图纸。6海管结构设计阶段海管结构设计阶段从技术角度讨论各方从技术角度讨论各方案是否可行；案是否可行；对各方案进行经济评对各方案进行经济评价；价；根据评价结果确定推根据评价结果确定推荐方案；荐方案；确定管道基本数据，确定管道基本数据，如管道的管径、壁厚、如管道的管径、壁厚、材质等。材质等。按预选路由调查资料确按预选路由调查资料确定管道的路由；定管道的路由；按规范对管道施工、运按规范对管道施工、运行等阶段的不同工况进行等阶段的不同工况进行计算分析；行计算分析；确定管道主体部分的各确定管道主体部分的各种参数；种参数；编制规格书、绘制相关编制规格书、绘制相关图纸图纸编制管道主体部

5、分的料编制管道主体部分的料单。单。对管道做最终的分析和校核；对管道做最终的分析和校核；对管道的附属构件做详细的对管道的附属构件做详细的分析、计算；分析、计算；对一些特殊的工况做详细的对一些特殊的工况做详细的分析、计算；分析、计算；编制全部的规格书和图纸；编制全部的规格书和图纸；编制管道主体和附属构件的编制管道主体和附属构件的全部料单。全部料单。概念设计概念设计基本设计基本设计详细设计详细设计78分析目的：分析目的：保证立管在安装期和运行期能够承受来保证立管在安装期和运行期能够承受来自管道内压，由波浪、流、地震以及平台的偏移所自管道内压，由波浪、流、地震以及平台的偏移所引起的荷载。引起的荷载。分

6、析方法：分析方法：利用利用AutopipeAutopipe软件建立立管膨胀弯系统软件建立立管膨胀弯系统的模型，考虑以上荷载在不同工况的组合。对计算的模型，考虑以上荷载在不同工况的组合。对计算出的结果用出的结果用DNV OS F101中的相关公式进行校核。中的相关公式进行校核。9整体模型整体模型10荷载组合工况荷载组合工况组合工况组合工况水压测试水压测试运行期（重现期为运行期（重现期为100100年的波浪和流）年的波浪和流）运行期（重现期为运行期（重现期为500500年的地震）年的地震）自重自重压力压力温度温度波浪和流（重现期为波浪和流（重现期为1 1年）年）波浪和流（重现期为波浪和流（重现期为

7、100100年）年）地震地震 ( (重现期为重现期为200200年年) )1 1年重现期波浪和流引起的平台位移年重现期波浪和流引起的平台位移100100年重现期波浪和流引起的平台位移年重现期波浪和流引起的平台位移500500年地震引起的平台位移年地震引起的平台位移管道的膨胀位移管道的膨胀位移11水动力系数水动力系数dC拖曳力系数拖曳力系数振荡流中圆柱体的拖曳力系数振荡流中圆柱体的拖曳力系数DTUKmc/ )(*由流速，波浪周期和管道由流速，波浪周期和管道直径算出直径算出KCKC数，按照长有数，按照长有海生物的粗糙度的曲线，海生物的粗糙度的曲线，选取初始拖曳力系数为选取初始拖曳力系数为1.21.

8、212水动力系数水动力系数mC惯性力系数惯性力系数对圆柱体附加质量系数的推荐值对圆柱体附加质量系数的推荐值右图为右图为DNV1981-FIG.A.7DNV1981-FIG.A.7其中的其中的CmCm是对圆柱体附加质量是对圆柱体附加质量系数的推荐值，不是拖曳系系数的推荐值，不是拖曳系数，应该表示成数，应该表示成CaCa，取值范围，取值范围在在1.0-2.291.0-2.29，一般取，一般取1.01.0。所以初始的所以初始的Cm=Ca+1Cm=Ca+1，我们选取，我们选取2.02.0DH /13水动力系数的修正水动力系数的修正由于立管是绑在导管架平台的腿柱由于立管是绑在导管架平台的腿柱上，距离较近

9、，所以水流过立管时会上，距离较近，所以水流过立管时会产生涡旋放大效应，立管受到的惯性产生涡旋放大效应，立管受到的惯性力和拖曳力会变大，所以要对初始的力和拖曳力会变大，所以要对初始的系数进行修正。系数进行修正。14土壤参数模型土壤参数模型利用一个简化的弹利用一个简化的弹- -塑性土壤约束模塑性土壤约束模型来代表土壤的参数。型来代表土壤的参数。K1-K1-土壤的初始刚度土壤的初始刚度K2-K2-土壤的最终刚度，可以认为土土壤的最终刚度，可以认为土壤在抗力达到壤在抗力达到P1P1后直接进入塑性后直接进入塑性阶段，一般取值为阶段，一般取值为0 0。P1-P1-土壤的屈服力土壤的屈服力土壤的抗力和位移的

10、关系土壤的抗力和位移的关系15土壤标识符土壤标识符给一个土壤属性的名称给一个土壤属性的名称 横移横移这个参数是限制管道侧移，垂直于管道（沿局部坐标的这个参数是限制管道侧移，垂直于管道（沿局部坐标的Z Z轴正向）轴正向） 纵移纵移限制管道沿管道轴向（沿局部坐标限制管道沿管道轴向（沿局部坐标X X轴），管道和土壤的摩擦力。轴），管道和土壤的摩擦力。 垂直上移垂直上移限制管道垂直向上的位移（局部坐标的限制管道垂直向上的位移（局部坐标的Y Y轴正向）轴正向） 垂直下移垂直下移限制管道垂直向下的位移（局部坐标的限制管道垂直向下的位移（局部坐标的Y Y轴正向）轴正向） K1K1初始刚度，初始刚度，P1P1

11、屈服力，屈服力，K2K2最终刚度度。最终刚度度。 具体计算公式选用具体计算公式选用AutopipeAutopipe的帮助中提供的公式和表格的帮助中提供的公式和表格16基本设计中对膨胀弯的角度选取与以往不基本设计中对膨胀弯的角度选取与以往不同，弯曲夹角偏大，导致膨胀弯对位移的吸同，弯曲夹角偏大，导致膨胀弯对位移的吸收不够。收不够。基本设计在建模中采取的基本设计在建模中采取的BULKHEADBULKHEAD的类型为的类型为第一种，而详设中选取了第二种类型。内管第一种，而详设中选取了第二种类型。内管被裸露出来，局部弯矩过大。被裸露出来，局部弯矩过大。弯矩过大弯矩过大171.1.增加两个膨胀弯之增加两

12、个膨胀弯之间的长度，希望靠间的长度，希望靠土壤的摩擦力来抵土壤的摩擦力来抵消部分弯矩，但是消部分弯矩，但是效果不明显效果不明显2.2.在不改变路由的情在不改变路由的情况下，减小两个膨况下，减小两个膨胀弯的夹角，弯矩胀弯的夹角，弯矩明显降低明显降低尝试调整膨胀弯尺寸尝试调整膨胀弯尺寸181.1.立管膨胀弯的第一个弯的弯曲程度一定要足够大，这样才可以承受来自膨胀位移立管膨胀弯的第一个弯的弯曲程度一定要足够大，这样才可以承受来自膨胀位移导致的弯矩。导致的弯矩。2.2.平台的位移对立管膨胀弯的影响很小，经多次验证得到。平台的位移对立管膨胀弯的影响很小，经多次验证得到。3.3.由于膨胀弯上面覆盖混凝土压块，计算出的等效土壤轴向刚度很小，所以通过缩由于膨胀弯上面覆盖混凝土压块，计算出的等效土壤轴向刚度很小，所以通过缩小管土间距来降低局部弯矩效果不明显，且容易不收敛。小管土间距来降低局部