海洋立管课程概述课件.ppt
深海工程中的立管系统研究,April,，,26,，,2011,1,PPT,学习交流,一、概述,二、立管设计规范及标准,三、立管设计分析工具,四、立管的工程设计,五、立管的海上安装,六、涡激振动,2,PPT,学习交流,什么是,深海,？,3,PPT,学习交流,适合于不同水深的平台形式,4,PPT,学习交流,适合于深水的平台,5,PPT,学习交流,6,PPT,学习交流,7,PPT,学习交流,8,PPT,学习交流,9,PPT,学习交流,FPSO,10,PPT,学习交流,什么是,立管,？,深海立管与浅水立管的区别？,11,PPT,学习交流,?,作为深海油气田开发系统结构的重要组成部分，,海洋立管以其全新的形式、动态的特性、以及高,技术含量变得格外引人注目。,?,以往浅水立管形式根本,不能应用到深水中，这,使得立管技术更加的具,有挑战性。,12,PPT,学习交流,?,和浅水油气开发相比,海洋立管作,为连接水上浮式及水下生产系统的,唯一关键结构,其在深水中的应用更,加具有独特的挑战性,要求更强烈,的创新。,13,PPT,学习交流,?,这一点从比较海洋立管在浅水与深水中的概念上,的不同就可以看出来。,?,浅水的立管都是钢管固定在,平台的桩腿上的,?,而深水中的立管却有着各式,各样的变化,以适用于不同,的开发需要。,14,PPT,学习交流,所以，深水海洋立管是深水工程技术,的核心，,还因为：,?,深水的挑战需要新颖的海洋立管概念；,?,浅水立管技术完全不适应于深水；,?,全新的浮式结构概念需要全新的立管系统；,?,深水立管是整个深水油气田开发的最主要的,界面；,15,PPT,学习交流,?,深水立管概念的选取直接影响浮式结构及水下系,统的确定；,?,深水立管的动态特性使其成为深水开发中最具有,挑战性；,?,深水立管的实际工程经验及现场反馈很少；,?,水深，高温，高压使深水立管工程更加艰难；,?,深水立管的特性及其响应无法在实验室的环境下,模拟。,16,PPT,学习交流,目前深水立管并没有统一的分类，但根据其结构,形式及用途，可以大致主要分类如下：,?,顶部预张力立管,(Top Tension Riser),?,钢悬链立管,(Steel Catenary Riser),?,柔性立管,(Flexible Riser),?,塔式立管,(Hybrid Tower Riser),?,钻井立管,(Drilling,Riser),17,PPT,学习交流,?,顶部预张力立管,?,(Top Tension Riser),18,PPT,学习交流,TTR,立管适用的平台,19,PPT,学习交流,?,钢悬链立管,?,(Steel Catenary,Riser),20,PPT,学习交流,21,PPT,学习交流,22,PPT,学习交流,?,柔性立管,?,(Flexible Riser),23,PPT,学习交流,24,PPT,学习交流,?,塔式立管,?,(Hybrid Tower Riser),25,PPT,学习交流,26,PPT,学习交流,?,钻井立管,?,（,Drilling,Riser,）,27,PPT,学习交流,28,PPT,学习交流,?,下图是美国墨西哥湾的一个深海油田布置图,该油田采用了顶部预张力,立管,(TTR),和钢悬链立管,(SCR),作为海洋立管。,29,PPT,学习交流,?,下图是西非的一个深海油田布置图,其平台采用了立拄式和浮式生产储,油轮相结合的形式。该油田采用了顶部预张力立管,(TTR),钢悬链立管,(SCR),和塔式立管的组合作为海洋立管系统。,30,PPT,学习交流,?,下图是西非的,AKPO,深海油田立体图,其平台为浮式生产储油轮的形式。,该油田全部采用了钢悬链立管,(SCR),组合作为海洋立管系统。,31,PPT,学习交流,一、概述,二、立管设计规范及标准,三、立管设计分析工具,四、立管的工程设计,五、立管的海上安装,六、涡激振动,32,PPT,学习交流,?,尽管立管已经存在很多年了，但它只,是在近些年来随着深水技术的发展而,产生了巨大的进步。,?,早期立管的主要结构是钢铁生产管线,的简单延伸，通常在导管架腿柱上夹,紧。,?,早期的立管设计以使用不同安全系数,的独立的管道标准为基础。,33,PPT,学习交流,?,深水开发需要新方案和新技术来处,理在浅水开发中遇不到的挑战。为,了解决深水立管技术也需要一个新,型的工业立管设计标准。,?,第一个立管设计标准是美国石油协,会,RP 2RD,，然后是挪威船级社,OS,F201,。,34,PPT,学习交流,?,美国石油协会,RP 2RD(1998):“Design of Risers for,Floating Production Systems and Tension Leg,Platforms”,First Edition,?,挪威船级社,OS F201(2001):“Dynamic Risers”,35,PPT,学习交流,?,这两个立管的规范从原理上是不,仅相同,?,美国石油协会的,RP 2RD,是基于许,用应力方法,?,而挪威船级社的,OS F201,是基于,可靠性分析的荷载抗力系数法,(LRFD),。,36,PPT,学习交流,?,一般说来,API,的立管规范要比,挪威船级社的立管规范相对保,守一些。,?,由于美国石油协会的规范出台,比较早,因而应用的也比较广,泛。,?,另外一个原因就是墨西哥湾是,深海开发的先锋,API,的规范也,就自然采用的比较广泛。,37,PPT,学习交流,一、概述,二、立管设计规范及标准,三、立管设计分析工具,四、立管的工程设计,五、立管的海上安装,六、涡激振动,38,PPT,学习交流,?,立管的分析可以分为静力和动力分析。,?,静力分析：使用,ABAQUS,等软件进行的管道模型静力,分析利用大位移效应、材料非线性、边界非线性来处,理非线性问题，如连接、滑动和摩擦（管道,/,海床相互,作用）。,39,PPT,学习交流,?,对于立管系统，静力分析,确定了整体结构如顶端悬,挂角度、总悬挂长度、着,陆点（,TDP,）。这些可以通,过使用,ABAQUS,或前面所,述的专用立管软件来完成。,40,PPT,学习交流,?,对于立管系统，由于浮式装置的运动、动力环境条件,（风、浪、流）动力影响始终存在。,?,动力分析：动力分析通常研究管道或立管系统的非线,性动力响应。,?,动力分析应该在动力影响存在的情形下进行，如渔船,拖网板与管道相撞、管道热膨胀、地震对管道影响。,41,PPT,学习交流,立管的,FEA,模型中应该特别注意下列非线性特性：,?,材料非线性,?,几何非线性,?,边界非线性（摩擦、,滑动、管道土壤相互,作用等）,42,PPT,学习交流,下面列出的是用于立管分析的已高度商业化和知,名的工业软件：,?,Riflex:Norwegian Marine Technology Center,(Marintek),?,Flexcom 3D:MCS International(Ireland),?,Orcaflex:Orcina Ltd.(UK),?,SHEAR7:MIT(USA),43,PPT,学习交流,一、概述,二、立管设计规范及标准,三、立管设计分析工具,四、立管的工程设计,五、立管的海上安装,六、涡激振动,44,PPT,学习交流,4.1,设计的目标,?,满足政府、规范要求，满足功,能和运行要求,?,选择最简单、成本最低的类型,?,避免立管之间的碰撞,?,安装方便,45,PPT,学习交流,?,4.2,设计阶段,?,1,、概念设计,?,该阶段设计的主要目的是确定技,术可行性，确定下一设计阶段所,需的信息，进行资本和进度估计。,这经常称作“方案选择”。,46,PPT,学习交流,?,2,、初步设计,?,该阶段的主要任务是进行材料选择,和确定壁厚；确定生产管线和立管,的尺寸；执行设计标准检查；准备,MTO,和授权应用。基本方案需要在,这个阶段定稿，也称作“定义阶,段”。,47,PPT,学习交流,?,3,、详细设计,?,该阶段的所有设计工作需要足,够详细以进行采购和制造。而,且，工程过程、说明书、准备,MTO,、测试、勘测和制图需要,全面开展。这个阶段也称作工,程“执行阶段”。,48,PPT,学习交流,?,4.3,设计流程,?,设计流程的主要目的是以运行数据,（如设计压力和温度、油田数据和,处理数据）为基础确定最优化的管,道和立管设计参数。,49,PPT,学习交流,50,PPT,学习交流,51,PPT,学习交流,52,PPT,学习交流,1,、,设计基础文件,设计基础文件（,DBD,）提供了管,理管道、立管系统设计的手段，,重点控制设计的改变。设计原理,的目的是提供基本原理、一系列,一致的数据、用于指定工程开发,的合理要求和设计。,4.4,设计过程中的关键组成部分,53,PPT,学习交流,2,、材料选择,立管最常用的材料是从碳钢（如美国石油协会,5L,规格，等级,X52-X70,和更高）到特种钢（也就,是合金钢，如,13%,铬）的钢材。下列因素决定了材,料的选择：,?,成本,?,抗侵蚀能力,?,重力要求,?,焊接性能,54,PPT,学习交流,3,、强度分析,所有依据极限状态用公式表达的相关失效公式,都应在管道和立管设计中考虑。极限状态的分,类如下：,?,工作极限状态（,SLS,）,?,最大极限状态（,ULS,）,?,疲劳极限状态（,FLS,）,?,意外极限状态（,ALS,）,55,PPT,学习交流,?,工作极限状态（,SLS,）：如果超越就会导致,管道不能正常运行的状态。,56,PPT,学习交流,?,最大极限状态（,ULS,）：如,果超越就会危及管道和立管,完整性的状态。包括爆裂、,局部弯曲、整体弯曲、不稳,定破裂和塑性破坏。,57,PPT,学习交流,?,疲劳极限状态（,FLS,）：计算由环境载荷、运行条,件、,VIV,、浮式装置运动等引起的累积循环载荷。,?,意外极限状态（,ALS,）：由意外载荷引起，如渔船,拖网板撞击、坠落物体等。,58,PPT,学习交流,进行极限状态设计检查时应考虑不同阶段和考虑,事项，包括：,?,暂时安装阶段；,?,压力测试（充水和水压测试）；,?,管道运行（产品输送、设计压力和温度）；,59,PPT,学习交流,设计中的关键问题,?,接触面（,Interface,）设计,?,总体布置设计,?,疲劳分析,?,耦合分析,60,PPT,学习交流,61,PPT,学习交流,一、概述,二、立管设计规范及标准,三、立管设计分析工具,四、立管的工程设计,五、立管的海上安装,六、涡激振动,62,PPT,学习交流,最常用的海上安装方法包括：,?,J,型铺设,?,S,型铺设,?,卷筒铺设,?,拖曳,63,PPT,学习交流,J,型铺设,?,焊接在浮式装置上进行，但由于,在一个场所进行，速度慢。,?,管道脱离角度非常接近于垂直，,所以张力较小。,?,主要用于深水。,?,不需船尾托管架。,?,所有操作都在垂直方向完成，稳,定性是一个难题。,?,典型铺设速度是,1-1.5,千米,/,天。,64,PPT,学习交流,?,管道在浮式装置上使用单或双接头,进行装配。,?,需要一个可达,100,米长的托管架，,它可以具有单一的部件是刚性的，,或者具有,2,个或,3,个铰接的部件。,?,必须处理非常高的张力。,?,有水深限制，因为：,?,更大水深更长的托管架稳定性,丧失,?,更大水深更高的张力更大的风,险,?,典型铺设速度约,3.5,千米,/,天。,S,型铺设,65,PPT,学习交流,卷筒铺设,?,管道在岸上的受控环境中焊接，,然后连续地缠绕在浮式装置上直,到全部,?,完成或达到最大容量。,?,张力减少很多，因此与,S,型铺设,相比可以更好地控制。,?,对可处理的覆层类型有限制。,?,存在局限性，通常是由关系到装,载能力的容积引起。,?,需要岸上基地的支持。,?,典型铺设速度可高达,1,千米,/,小时，,平均约,600,米,/,小时。,66,PPT,学习交流,?,管道或立管束在岸上制造（垂直和平行）。,?,在车间里可以获得很好的焊接质量。,?,灵活的制造进度表与海上进度表没有冲突。,?,可使用非常廉价的拖船。,?,可使用各种各样的拖曳方法（水面、水面下、,CDTM,、底,部拖曳）。,?,可安装长度有限制。,?,需要三艘拖船用于安装（但是廉价）。,?,由于它非常大的重力所以在海床上非常稳定（不需挖沟）。,拖曳,67,PPT,学习交流,68,PPT,学习交流,安装设备概述,69,PPT,学习交流,70,PPT,学习交流,一、概述,二、立管设计规范及标准,三、立管设计分析工具,四、立管的工程设计,五、立管的海上安装,六、涡激振动,71,PPT,学习交流,什么是,涡激振动（,VIV,）,？,立管涡激振动是导致立管疲劳破坏的主,要原因,72,PPT,学习交流,?,不同雷诺数条件,下的涡放图,73,PPT,学习交流,?,非洲西北部佛得角群岛附近天空出现的冯,卡门涡街。,?,这种云漩涡在风穿过佛得角群岛时形成。,74,PPT,学习交流,涡激运动（,VIM,）,75,PPT,学习交流,76,PPT,学习交流,?,对于立管的,VIV,，纵,向和垂向上都会有,涡激振动现象出现。,?,立管的振动轨迹表,现为“,8,字形”,77,PPT,学习交流,78,PPT,学习交流,?,现在以三维模型进行计算，以得到漩涡发放的,涡,管,形式。,79,PPT,学习交流,?,剪切流条件下的涡放图,80,PPT,学习交流,?,深海立管的涡放图,81,PPT,学习交流,?,SCR,涡放计,算结果,82,PPT,学习交流,立管涡激振动抑制装置示意图,83,PPT,学习交流,84,PPT,学习交流,85,PPT,学习交流,86,PPT,学习交流,87,PPT,学习交流,
