水下井口头在张力腿平台顶张式立管作用下的疲劳分析和参数比较.pdf

第2 卷第5 期 2 0 1 5 年1 0 月 海洋工程装备与技术 O C E A NE N G I N E E R I N GE Q U I P M E N TA N DT E C H N O L O G Y V 0 1 2 。N o 5 0 ct ，2 0 1 5 水下井口头在张力腿平台顶张式立管作用下的 疲劳分析和参数比较 张宁，冒家友，阳建军 中海石油( 中国) 有限公司深圳分公司，广东深圳5 1 8 0 6 7 摘要张力腿平台( T L P ) 通过顶张式立管和水下井口头的结合使用，实现了干式采油在深水浮式平台中的应用。 其中水下井口头将会受到顶张式立管给井V I 头施加的持续荷载，需要对其抗疲劳性能进行校核。以南海某T L P 项目为基础，在对该项目井V I 头系统进行简要介绍后，从长期疲劳分析和单个极端事件疲劳分析两个方面，对疲劳 分析进行阐述。然后对影响疲劳分析的几个关键要素进行对比与分析，包括导管头尺寸和焊接疲劳曲线选择等。 该研究可为其他深水油气田的开发提供参考与借鉴。 关键词顶张式立管；水下井口头；长期疲劳；单个极端事件疲劳；焊接疲劳曲线 中图分类号T E 5 3文献标志码 A 文章编号：2 0 9 5 7 2 9 7 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 2 8 5 0 7 F a t ig u eA n a l y s isa n dP a r a m e t e r sC o m p a r is o no ft h eS u b s e aW e l l h e a d u n d e rA p p l ica t io no fT L PT o pT e n s io n e dR is e r Z H A N GN in g ，M A OJ ia y o u ，Y A N GJ ia n j u n ( S h e n z h e nB r a n cho fC N O O CL t d ，S h e n z h e 札，G u a n g d o n g5 1 8 0 6 7 ，C h in a ) A b s t r a ctT e n s io nl e gp l a t f o r m ( T L P ) ca nh a v ead r yt r e ea cce s sf o rt h e r e s e r v o irb yt h eco m b in a t io no ft o p t e n s io n e dr is e ra n ds u b s e aw e l l h e a d T o pt e n s io n e dr is e rw il le x e r tco n t in u o u scy cl in gl o a do v e rs u b s e aw e l l h e a d ， w h ichw il lr e q u ir et h ef a t ig u eca p a cit ych e ck M t e rb r ie f l yin t r o d u cin gt h es u b s e aw e l l h e a ds y s t e minaT L Pp r o j e ct ， w ed e m o n s t r a t et h em a ins t e p sf o rt h el o n gt e r mf a t ig u ea n a l y s isa n ds in g l ee v e n tf a t ig u ea n a l y s is T h e n ，ap a r a m e t e r s e n s it iv it yco m p a r is o nisco n d u ct e d ，f o rw h icht h es iz es e l e ct io nf o rco n d u ct o r ，t h ed e f in it io no ff a t ig u eS - Ncu r v e a n dt h ew e l l h e a ds e l e ct io na r eco n s id e r e d T h isa p p l ica t io ns t u d yca nb eu s e da s ar e f e r e n cef o rt h ed e s ig no fo t h e r s im il a rT L Pp r o j e ct s K e yw o r d s t o pt e n s io n e dr is e r ；s u b s e aw e l l h e a d ；l o n gt e r mf a t ig u e ；s in g l ee v e n tf a t ig u e ；S N cu r v e 0引言 张力腿平台( T L P ) 通过顶张式立管( T T R ) 和 水下井口头的结合使用实现了干式采油在深水浮 式平台中的应用，其中T L P 水下井口头可以使用常 规水下生产系统中的井口头形式 1 。但由于T I 。P 会通过顶张式立管给井口头施加持续的载荷，使得 T L P 水下井口头的疲劳响应和常规水下项目的水 下井口头的不尽相同，特别在长期疲劳和单个极端 事件疲劳分析方面。在国外，尤其是在墨西哥湾海 域，T L P 加T T R 的生产模式已经大量推行，对应的 工程分析能力已经趋于成熟化。在国内，半潜式钻 井船隔水管加水下井口头的理论分析计算已经较为 成熟，但是T L P 相对半潜式钻井船来说属于一个永 久系泊系统，T T R 施加在井口头上的疲劳响应大不 相同，再加上国内还没有使用T T R 的生产性项目， 所以国内的分析能力离实际的工程应用尚有一段 距离。 本文以南海某T L P 项目为基础，在对该项目井 口头系统进行简要介绍后，从长期疲劳分析和单个 极端事件疲劳分析两个方面，对疲劳分析进行阐述。 然后对影响长期疲劳分析的几个关键要素进行对比 与分析，包括导管头尺寸和焊接疲劳曲线选择等几 方面，并给出相应的优化方法。 收稿日期：2 0 1 5 0 9 3 0 作者简介：张宁( 1 9 8 5 一) ，男，工程师，主要从事海洋工程水下生产系统方面的工作。 海洋工程装备与技术第2 卷 1 某T L P 井口头系统简介 该T L P 位于南海东部，水深约4 0 4m ，具有1 2 个 井槽，计划使用1 2 根单层生产立管。每根生产立管通 过水下连接器和水下井口头连接，水下井口头将承受 T L P 在操作极端生存工况下的所有荷载。具体情 况参考图1 。该T L P 项目对应的井身结构为3 0 英寸 2 0 英寸一1 3 3 8 英寸9 5 8 英寸( 1 英寸一 2 5 4cm ) ，导管头出泥高度为2 2r f l ，井口头安装误 差为0 6r n ，平台和水下井口之间的间距均为 4 5m ，平台井口离水下井口头高度为4 4 0r n ，其中3 0 英寸的导管将采用两种壁厚的形式来减轻安装重量。 由于生产立管和井口头是永久连接，不能像半 潜式平台一样实现隔水管和水下防喷器的应急解 脱。所以T L P 在所有环境工况下产生的运动载荷， 均将通过T T R 施加在井口头上，虽然立管通过张 紧器，能和T L P 实现半耦合，但是和水下生产系统 中所使用的井口头相比。T I P 项目所使用的井口头 在疲劳分析上具有以下不同点： ( 1 ) 井口头需要长期承受顶张式立管底部张 力，而在水下生产系统项目中，井口头通常只承受水 下防喷器( B O P ) 施加的压力。 ( 2 ) 由于井口头将承受平台所传递的载荷，且 T T R 底部不具有球接头( 仅有应力短节) ，T L P 的 运动响应将对井口头施加很大的弯矩，其3 0 英寸导 管需要使用强度较高的管材。一般水下项目使用 A P I5 LX 5 6 ，但是本项目需要使用X T O ，这将对管 材的焊接提出较高的要求。 图1 生产立管布置 F ig 1I 。a y o u to fp r o d u ct io nT T R 通过以上不同点可以看出T I 。P 项目中的水下 井口头需要考虑长期疲劳和短期极端事件( 例如台 风情况) 所产生的疲劳。另外由于篇幅有限，本文仅 对波浪与浮体运动引起的疲劳损伤进行评估，而对 海流引起的涡激振动疲劳不进行具体介绍。 2T L P 水下井口头长期疲劳分析 对于长期疲劳分析首先要确定水下井口头中 几个典型的疲劳热点。该项目的几个典型疲劳热点 如图2 所示，主要集中在最外部的3 0 英寸导管上。 疲劳热点l 为高压井口头和导管头的机械连接，疲 劳热点2 为导管头和导管的焊接部分，疲劳热点3 为导管和导管快速连接器之间的焊接部分，疲劳热 点4 为导管连接器之间的连接。对于疲劳热点1 和 4 ，其抗疲劳能力是由井口头厂家产品本身的能力来 决定的，其对应的疲劳曲线一般都能达到C 级以 上，应力集中系数( S C F ) 能控制在1 6 以下，根据以 往水下项目的分析经验，其往往不是起控制因素的 疲劳热点。但是对疲劳热点2 和3 ，其受焊接质量 的影响较大，所以下文将着重分析这两个疲劳热点。 该项目的3 0 英寸导管采用变壁厚设计，具体规 格如表1 所示。 热点1 热点2 热点3 I 黼一 图2 水下井几头疲劳热点 F ig 2F a t ig u ecr it ica lp o in t sf o rs u b s e aw e l l h e a d 表l3 0 英寸导管规格 T a b l e1S p e cif ica t io n so f3 0in chco n d u ct o r 通过A B A Q u s 建立水下井口头以及顶张式立 管的有限元模型，该模型从T L P 生产立管张紧器的 悬挂点开始，到海底泥面6 0r f l 以下为止，相关信息 如图3 ( a ) 所示。水下井口头、顶张式立管均认为是 管件，软件定义了不同组件的质量、刚度和拖曳力系 数，同时相对泥面一6 0r n 以上：的土壤采用非线性弹 簧单元，相应的p - y 曲线如图3 ( b ) 所示。分析采用 r卜I- 第5 期 张宁，等：水下井口头在张力腿平台顶张式立管作用下的疲劳分析和参数比较 2 8 7 时域分析的方法，通过输入船体的运动响应以及波 浪与海流对立管直接作用的荷载。通过软件计算得 到的立管与井口头运动响应历程，转化为其各节点 的弯矩( 弯曲应力) 。 下面对模型运动响应与弯曲应力的转化进行简 单介绍。应力与弯矩的关系为 ( a ) 分析模型 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 O 仃= E R s ， ( 1 ) 式中：盯为某点的应力；E 为弹性模量；Y 为管单元 节点到中性轴的距离；1 R 为曲率( 即运动响应的 二阶导数) 。这样就建立起了应力和响应之间的转 化关系。 一 _ 一一 一一 一I 1 深度1 0 0 m 深度6 0 m 0 20 3 0 4 0 5 ( b ) p - y 曲线 图3 疲劳分析模型和土壤少y 曲线 F ig 3F a t ig u ea n a l y s ism o d e la n ds o ilp - ycurve 通过参考B S7 6 0 8 9 3 版 2 ，可以根据下式对疲 劳损伤进行计算： l g N l g a m l g ( F s c NS o ) ， ( 2 ) 式中：N 为导致疲劳的循环载荷次数；a 与m 分别 为S N 曲线的特征疲劳强度常数与疲劳指数；F s c 为应力集中系数；S 。为应力变化范围( 应力幅) ，其 值可以通过上文的时历响应转换函数得出。由于每 年内不同海况的分布是已知的，所以一年内不同海 况组合所导致的长期疲劳损伤也能通过M in e r 定 理进行计算。一年内不同海况的部分组合可参考 表2 。 对于S C F ，可以通过D N V R P C 2 0 3 L3 。中给出 的公式进行计算。由于3 0 英寸导管采用不等壁厚 进行计算，需要对原公式进行修正： FS c= 一1 + 业d 掣，( 3 ) tX H 等 式中：艿。为最大错位距离( 约为3m m ) 斌为壁厚不 一致所导致的偏心；& 为对焊所导致的最大错位距 离；丁为最大壁厚；t 为最小壁厚。 通过上述计算方法，可以得出井口头几个疲劳 热点对应的疲劳寿命，如表3 所示。其中安全系数 取1 0 ，每口井最小设计寿命为2 0 年。从表3 可以 看出，热点2 的疲劳寿命最低，略低于2 0 年的设计 寿命要求。另外可以看出疲劳主要发生在相对泥面 一1 0m 以上的地方，例如热点3 和热点4 虽然是疲 劳热点，但是因为其入泥深度较大，疲劳寿命大大高 于平均水平。 3T L P 水下井口头单个极端事件疲 劳分析 如A P IR P2 T 4 J 所述，T L P 的设计还需要进行 单个极端事件的疲劳校核。所谓单个极端事件引起 的疲劳，指的是单个的极端环境条件( 例如台风) ，作 用在T L P 或者T L P 的某个组件上，而引起的短时 间高强度疲劳。需要注意的是该疲劳损伤不和长期 疲劳损伤相叠加，仅作为一个能力校核。 对于本项目中的水下井口头，单个极端事件定 义为1 0 0 年一遇的波浪施加在船体上引起的船体运 动响应施加在生产立管七后，进而耦合到井1 ：3 头上 的事件。在单个极端事件下，井口头在短时间内将 承受高强度以及高频次的循环载荷，虽然强度校核 能通过，但是往往会发生疲劳，有关单个极端事件的 部分疲劳载荷如表4 所示。流虽然也会引起船体的 涡激运动和立管的涡激振动，但是耦合到井口头上 的载荷会比较小，所以在本文中不考虑。 2 8 8 海洋工程装备与技术 第2 卷 表2 长期疲劳分析海况组合 T a b l e2S e as t a t eco m b in a t io nf o rl o n gt e r mf a t ig u ea n a l y s is 因子海况 不同方向上的概率( 来向) ( # ) H ，m T p s G 哪瑚2 北东北东东南南 西南 西 风驯 流速( m s _ 1 ) ( m s 1 ) 酏鲥。慨。品，z 泥线 4 5 4 0 95 4 4 3 90 0 5 177 O 1 7 07 7 2 51 4 0 0l _ 0 0 7 7 51 4 0 01 0 0 O 0 2 59 0 1 7 59 O 0 2 34 0 1 8 8 7 51 4 0 0I 3 60 1 0 24 0 0 1 920 0 0 670 1 2 82 3 2 7 1 4 30 7 10 3 8 表33 0 英寸导管疲劳损伤情况 T a b l e3 F a t ig u ed a m a g ef o r3 0in chco n d u ct o r 相对泥面高度m对应疲劳曲线S C F 年度疲劳损伤疲劳寿命年 2 2 3 ( 热点1 )B 曲线2 0 1 6 2 ( 热点2 ) 一1 4 3 2 9 5 1 0 5 7 ( 热点3 ) F 曲线 F 曲线 F 曲线 F 曲线 1 3 l - 0 1 0 1 3 2 2 8 l 1 0 。3 5 2 1 1 1 0 。3 4 2 3 5 1 0 3 4 4 7 3 1 0 3 4 6 8 7 1 0 4 3 8 4 1 9 1 9 2 3 6 2 2 2 3 6 21 3 3 4 1 1 1 8 ( 热点4 )B 曲线1 5 3 1 8 0 i0 31 4 5 0 本项目单个极端事件疲劳分析的环境条件如图 4 所示，该事件为最大波高为百年一遇极值的一条 时程曲线，总持续时间为1 4 4h ，最大有义波高为 1 3 6m 。分析方法可以参考上文的长期疲劳分析 方法。分析结果如表5 所示，其中安全系数取1 0 。 每口井最小设计寿命为6 天。从表5 可以看出，该 井口头在单个极端事件下的疲劳寿命能满足要求， 并且分布大致也与长期疲劳寿命类似，疲劳热点2 仍是疲劳分析中的最薄弱点。 。0 O O。0 O；1 n 惦 叽 嘶 们 弛 蛇 吼 如 n ” ni：；|；2 i 1 6 2 3 0 0 0 ， 8 0 加 ” H 第5 期 张宁，等：水下井口头在张力腿平台顶张式立管作用下的疲劳分析和参数比较 2 8 9 表4 单个极端事件的部分疲劳载荷 T a b l e4P a r to ff a t ig u el o a du n d e r1 0 0y e a rs in g l ee v e n t w a v ef a t ig u e ，：、 ； F一 |I l ? 、 J 夕 卜 厂 2- 10l2 时间天 图4 单个极端事件时程曲线 F ig 4 R u n u p d o w np e r io df o rs in g l ee v e n t 表53 0 英寸导管单个极端事件疲劳损伤情况 T a b l e5S in g l ee v e n tf a t ig u ed a m a g ef o r3 0in chco n d u ct o r 4 疲劳分析关键参数比选 通过上述的长期疲劳分析和单个极端事件的疲 劳分析，可以看出以下参数对疲劳分析有影响：导管 尺寸选择、焊接处疲劳曲线、焊缝的位置、井口形式 等。下面从导管尺寸选择、焊接疲劳等级选择、井口 形式选择三个方面来进行比选，并给出相应的优化 方案。 4 1导管尺寸选择 为了说明导管尺寸对井口头长期疲劳的影响， 选择4 种不同外径和壁厚的导管来进行敏感性分 析，同时考虑D 和F 两种疲劳曲线，疲劳热点选择 热点2 。分析结果如图5 所示。4 种导管的规格分 别为：3 0 英寸( 外径) 1 5 英寸( 壁厚) ；3 6 英寸( 外 径) 1 5 英寸( 壁厚) ；3 6 英寸( 外径) 2 0 英寸 ( 壁厚) ；3 8 英寸( 外径) 2 0 英寸( 壁厚) 。 由图5 可以看出，通过增大导管外径和壁厚，可 以降低热点2 处的疲劳寿命，尤其是外径从3 0 英寸 变为3 6 英寸后，其疲劳损伤减少了8 2 。然而壁 厚的增加，对于长期疲劳寿命的贡献比较小，从图中 可以看出，同样是3 6 英寸外径的导管，1 5 英寸壁 厚变为2 英寸壁厚仅能减少5 0 的疲劳损伤。对 于该T L P 项目，3 0 英寸导管一k 部采用1 5 英寸壁 厚的主要原因是为了增加井壁稳定性以及满足强度 计算要求。如果未来对长期疲劳强度有更高的要 求，那么可以考虑通过增加上部导管的外径至3 6 英 寸，然后再通过大小头和下部3 0 英寸导管连接即 可。由于使用大小头也会导致应力集中，尤其是大 小头焊缝附近，可以考虑使用2 根3 6 英寸导管，将 大小头以及相应的焊缝布置在相对泥面一1 0m 以 D 曲线，S C F 13 F 曲线，S C F3 Ll 一一一 3 0 英寸Xs 英寸3 6 英寸X15 英寸3 0 英寸2 ( 蠖寸3 8 英寸1 2 蟆寸 图5 不同尺寸导管的长期疲劳损伤 F ig 5L o n gt e r mf a t ig u ed a m a g ef o rv a r io u s co n d u ct o rs iz e s 7 6 5 4 3 2 ， O 。_o【$鞲献谋划廿 海洋工程装备与技术第2 卷 下，远离疲劳高发区。 需要注意的是，目前几个主要厂家的导管头均 能和3 0 英寸以及3 6 英寸的导管进行焊接，唯一的 区别是导管头下方焊接短节的尺寸导管头上部已 经实现了两个尺寸的通用设计。 4 2焊接疲劳等级选择 从上文可以看出，焊接处的疲劳对整个井口头 的疲劳分析影响最大，尤其是热点2 处的疲劳。为 了说明焊接疲劳等级和S C F 对井口头长期疲劳的 影响，该部分选择热点2 作为分析点，对应的导管尺 寸为3 0 英寸1 5 英寸，疲劳等级选择为B S7 6 0 8 9 3 中的F C 级4 种规格，同时S C F 也选择了1 3 和1 1 两种规格，分析结果如图6 所示。可以看出 在相同的S C F 下等级F 所对应的疲劳损伤为等级 n 宝 $ 强 嘏 铡 型 C 的2 5 倍。对于抗疲劳等级为F 的焊缝，一般是指 初始完成的单面焊状态，焊缝也没有经过打磨处理， 所以焊缝下的错位和咬边等缺陷都可能会造成断裂 延展，影响焊缝的抗疲劳性能。但是这样对焊接作 业的要求比较低，能简化制造过程。 同样根据D N V R P C 2 0 3 的定义，如果焊缝 的抗疲劳等级要达到C ，环焊缝的内径和外径部分 均需经过1 0 0 的无损探伤、热处理以及打磨，另外 在焊接过程中通过降低S C F ，以及减少管子的制造 误差，均能提高焊缝处的抗疲劳性能。但是对于1 5 英寸厚壁管的焊接，而且是A P L5 LX 7 0 的材质，会 对焊接能力提出很高的要求。目前国外类似项目已 经实现外径3 6 英寸。壁厚1 5 英寸，X 8 0 的管段和 导管头的焊接，但是需要在专业的焊接厂家进行，而 且需要十分严格的全尺寸疲劳测试。 S C F5F S C F3E ，S C F3ES C F D S C F3D S C F C 、S C FI3C ，S C F 图6不同焊接疲劳等级下的长期疲劳损伤 F ig 6 L o n gt e r mf a t ig u ed a m a g ef o rv a r io u sw e l dcl a r if ica t io n 对于上文所说的热点2 和热点3 ，由于热点2 部分的焊接可以在井口头厂家完成。通过选择有资 质的厂家，可以使得焊缝的抗疲劳等级达到C ，同时 S C F 能达到1 1 。但是对于热点3 的位置，目前都 是在国内实现焊接，所以进行长期疲劳分析时，最好 选择等级D 以下的抗疲劳等级。 4 3井口头形式选择 目前国内水下生产系统或探井中所使用的水下 井口头均为标准的通用井口头高压井口头和导管 头之间只有一个限制了轴向位移的限位环，至于径 向上位移的限制仅通过高压井口头和导管头之间较 小的配合间隙来实现。在水下项目中。由于隔水管 和防喷器之间有球接头的存在，隔水管产生的弯矩 大部分不会耦合到井口头上。 但是对于T L P 项目，顶张式立管会将很大的弯 矩传递到井口头顶端，如果高压井口和导管头之间 的配合不是很紧密的话则很容易发生疲劳损伤。 目前T I 。P 和深水单立柱式平台( S P A R ) 所使用的 水下井口头均具有预紧功能 5 一，也就是说在安装高 压井口头到低压井口头内的时候，可以通过专用的 工具将预紧装置安装到高压井口头和低压井口头之 间的环空内，如图7 所示。目前国际上几大水下系 统公司均能提供该设计，一般预紧力为66 7 2 88 9 6k N 。所以在井口头形式的选择上，需要考虑 使用这种带有预紧功能的井口头，从而提高其抗疲 劳性能。 5结语 分析计算表明，该T L P 项目的井口头能较好地 满足长期疲劳要求和单个极端事件下的疲劳寿命要 求。对于这两种疲劳分析，都能做到将对应环境条 件下的船体运动通过生产立管耦合到井口头上，有 利于对井口头的真实疲劳性能进行评估。同时通过 第5 期张宁，等：水下井口头在张力腿平台顶张式立管作用下的疲劳分析和参数比较 2 9 1 图7 高压井口头和导管头之间的预紧机构 F ig 7 L o ck d o w nm e ch a n is mb e t w e e nh ig hp r e s s u r e h o u s in ga n dco n d u ct o rh o u s in g 对导管头尺寸、焊接疲劳等级进行优化。以及选择合 适的井口