柔性立管线型分析与铺设要点研究

摘 要：柔性立管是连接浮式设备和水下设施的桥梁，用于输送液体和气体，具有非常关键的作用。随着深水油气开发的进行，越来越多的柔性立管被应用。本文对柔性立管线型进行系统分析，并研究线型参数对其影响，另外针对陡波型柔性立管铺设要点进行相关论述。本文既能为柔性立管选型与设计提供参考，也能为其铺设提供借鉴。

关键词：柔性立管；线型设计；参数；铺设

中图分类号：TE53 文献标识码：A

柔性立管是海洋油气开发的重要装备，常用于浮式生产平台生产系统，连接平台设备与海底设备，传输液体、气体。柔性立管的应用可以追溯到20世纪70年代，随着柔性管技术的迅猛发展，柔性立管在气候恶劣的海域如北海等地区和深海领域获得广泛应用，目前应用的最大水深是3000m左右，全球约85%的动态立管采用的是柔性立管。

柔性立管由多层非粘结结构缠绕而成，其截面刚度较低，在波浪和海流作用下运动幅值较大，为避免在极端情况下发生立管与其它设施之间的碰撞干涉，需对柔性立管的线型进行研究。柔性立管线型随水深等环境条件变化而变化，至今基本的柔性立管线型有悬链线、缓波型、陡波型、缓S型和陡S型（如图1所示）。五种基本线型具有各自特点，能够适应不同海洋环境。此外为了增强柔性立管的适用性，在基本线型的基础上出现了改进形式，如柔顺波形、WAW型等。

柔性立管的生产和设计技术被掌握在国外少数公司手中。其中著名的有Wellstream，Technip以及NKT。我国柔性管道相关技术研究起步较晚，立管制造技术和安装技术都相对落后，商业化也远不如国外成熟。但随着深海油气的开发，尤其是南海油气开发不断深入，柔性立管的研究、制造和安装已经引起了越来越多的专家学者的注意和重视，也取得了很多重要的成果。

1 柔性立管线型分析

影响柔性立管线型的因素主要有6个，分别为：水深、浮体运动特性、所在海域的海况、油田布局、管缆物理力学性能和成本。

1.1 自由悬链线型

自由悬链线是指柔性立管一端固定悬挂在浮式设施上，管线在重力作用下形成悬链线的形式。

1.1.1 线型特点

悬链线适应于中等环境下中等水深以浅区域，具有结构简单、无需张力补偿、施工方便、成本较低、以及对浮体运动有较大的适应性等优点。工作水深由上部浮体提供的张力及立管自身重量决定。水深较大，管线长度增加，会提高顶部悬挂点处张紧器的张力要求；水深较浅、工作环境恶劣或者浮式设施运动剧烈时，管线长度减小会减小设施和波浪动态干扰沿管线传播的阻尼，从而触地点处的疲劳损伤增大，出现屈曲。

1.1.2 参数影响分析

当悬挂位置和水深确定，自由悬链线的设计参数是脱离角度（如图2所示）。随脱离角的增大，管线悬空段长度增加，最大总张力增加，易造成顶部疲劳破坏。同时水平张力增大，既要求管抗拉能力提高，也要求海底静态段长度增加以满足纵向稳定性，从而经济性降低。同时，脱离角越大，触泥点区域受到的影响越小，能够避免出现过度弯曲、压屈和疲劳等问题。

1.2 缓波型和陡波型

在悬链线的基础上，通过安装一定数量浮子，使管线一段隆起，形成类似于波浪形状的线型，称为波型。波型线型可以分为缓波型和陡波型两种。

1.2.1 线型特点

隆起段分离了立管的顶端与触泥点，减弱浮式设施运动和波浪载荷对触泥点的动态干扰。同时浮力和重量都附加在立管上，减少了顶部悬挂张力对浮式设施的影响，可以适应更大位移。缓波和陡波型都适应浅水和深水，两者的结构都相对简单，造价和安装成本较低。

两者相比较而言，缓波型海底基础设施少，动态响应大，浮体的运动和立管流体密度改变会使线型倾向于改变；陡波型由于在海床增设海底基座和限弯器，线型更加容易保持，运动敏感，响应良好，适宜拥挤海床。

1.2.2 参数影响分析

波型线型的设计参数有：顶端脱离角a、下悬链线段L1、分布式浮子段L2、上悬链线段L3及分布式浮子间距Sf，直径Df，长度Lf，如图5所示。

L3 段越短（浅波型），L2越靠近海面，受波浪和表层流的影响大，易与浮式设施底部发生碰撞，稳定性差，并要求管有较小的弯曲半径；L3越长（深波型），浮子越靠近海底，管在浮体升沉运动的牵动下，浮子有可能和海床发生碰撞，连续持久撞击使浮子受损。另外，深波型也会增大顶部悬挂张力要求。浮子的位置和尺寸是波型线型的高敏感参数，在满足最小弯曲半径的前提下，宜选用浅波型。增加Df可以减少对动态立管顶部悬挂张力的要求，但可能过度弯曲和浮力过剩导致管底端拔离终端。

1.3 缓S型和陡S型

在悬链线的基础上，通过安装浮力模块和固定在海床的结构物，使立管形如S，称为S型。S型线型可以分为缓S型和陡S型。

1.3.1 线型特点

S型中浮力模块能够缓冲浮式设施运动对触泥点的影响，使触泥点的运动仅引起很小的张力变化。但该种布局形式布局复杂，安装成本高。

两者相比较而言，缓S型的适应性较好，可以安装在浅水至深水，整体动态响应小，安装相对简单，但上部平台与立管的分离较为复杂；陡S型适用于中等和深水区域，动态响应值较小，可以适用更恶劣的环境，上部平台的分离操作更简单，安装成本较高。

一般在悬链线和波型不适应下才考虑缓S型。S型所需要的安装作业较为复杂：缓S型需要浮筒、牵索和牵索基座；陡S型在缓S的基础上还需增加管汇和防弯器。当浮式设施运动幅度较大时，缓S型的立管可能在触泥点产生压溃问题，此时可以考虑陡S型。另外陡S型在若干立管卫星式回接时动态响应较好。

1.3.2 参数影响分析

S型主要设计参数有：脱离角a、浮筒高度Hf、浮筒与悬挂点的水平距离Df和浮筒浮力Ff，如图8所示。

改变Hf时，需改变上、下两段管的长度，以使立管形成具有一定曲率的S型。S型线型最大曲率出现在触泥点，且浅S型布置大于深S型布置，可通过防弯器、限弯器和喇叭口等装置缓和此处的曲率。

随Df的增大，上段立管长度增大，顶部悬分离角增大，下段立管长度减小，线形变陡。柔性立管的下段管极值曲率随Df的增大而增大，上段极值曲率随Df的增大而减小。

Ff与浮筒尺寸相关，尺寸影响波浪与流对中水浮筒作用力的大小，从而影响动力学特性（如回复周期）。立管触泥点最大曲率和上段管末端的极值曲率随Ff增加而增大。

2 波型线型优化

波型线型优化主要通过减小触泥点的应力和增强线型稳定性两方面实现，典型代表有：柔顺波型、WAW型、双波型等。

2.1 柔顺波形

柔顺波形是利用张力绳缆连接触泥点的上部和触泥点附近的锚，将触泥点的应力转移到张紧状态中的绳缆中，减小该处应力。柔顺波型能够适用浅水到深水，也能适用较大范围流体密度改变和船舶运动，兼有缓波型和陡波型的优点。该线型下立管可以直接被回接至浮式设施下方的油气井（如图9所示中虚线段），在没有其他船只支持下，修井作业也可进行。但海底安装较复杂，缆绳和立管连接部位容易出现应力集中，一般在悬链线和波形线型不可取的情况下考虑。

2.2 WAW型

WAW型是基于缓波型改进而得，是在立管浮子段位置连接绳索和锚链。立管在正常位置时，锚链位于海床上；立管上浮时，锚链被拉起，重量增加，限制立管的上浮。此线型可以避免因管内流体密度减小和上部平台靠近立管末端所导致的柔性管上浮问题，但需考虑锚链的缠绕问题。

2.3 双波型

双波型是基于缓波型改进而得，通过将立管上的一段浮子分成两段来减小立管单位长度上的浮力，从而避免上部浮式设施运动而造成的立管上浮问题。

3 柔性立管铺设要点

柔性管道适用卷盘或卷筒铺设。张紧器履带对管道施加径向张力，提供摩擦力实现管道向下传输。柔性立管与静态软管铺设最大不同在于浮力模块安装，此作业增加施工的复杂性和风险性，本文以陡波型为例分析柔性立管铺设过程中的要点。

3.1 首端下放

首端铺设根据开始位置不同分为从管汇端开始和从浮式设施开始。不同的开始方式会影响到下水桥的类型。

从管汇端开始铺设时，水平式下水桥和立式入水桥都可行。此时需用到配重块辅助以作为着力点。立式入水桥下放时，首端过下水桥入水，吊机起吊配重块入水，ROV水下连接首端和配重块。水平式入水桥下放时，甲板连接首端和配重块，提高效率。下放首端和配重块过程中需要ROV跟踪监视状况，应避免在水下设施正上方下放。

从浮式设施端开始铺设时，需使用水平式入水桥，因为在安装浮子向管汇铺设的过程中，软管会上浮贴近水面，此时立式下水桥对管线不能起到控制作用。吊机下放首端一定水深，ROV连接首端和浮式设施临时悬挂索具即可完成首端下放。

3.2 浮子安装

在铺设浮子段立管时应注意两个问题：（1）水中柔性立管的方向和受力情况。立管安装浮子之后，浪涌流影响显著增大，偏离路由和管内张力也随之加剧。为避免管受力过大而把配重块拉离设计位置或连接索具拉断，需关注此时立管在水中的方向和受力情况。（2）在使用立式入水桥时，需关注立管与水桥的相对位置。在安装设计中虽已明确浮子安装位置、放管长度和同步移船距离，但由于现场施工复杂多变，并不能确保立管仍能与入水桥保持理想位置，往往出现管线上浮接近水面、柔性立管远离入水桥的现象。此时可以退船并释放管，使柔性立管紧贴入水桥，以保证浮子的继续安装和持续铺设。

3.3 防止打扭

将软管盘入卷管盘或卷筒中时，会在管线内累积扭矩，在铺设时如果管中张力不足，在扭矩作用下会造成软管打扭。为防止打扭，主要采取两个方面措施加以控制：一是保持合理的铺设Layback值。柔性立管始终保持一定的张力以控制和减少打扭的可能性；二是加强柔性立管铺设过程中监测

Layback值较小时，柔性立管张力相对较小，打扭可能性较大，触泥点处的柔性立管弯曲会较大，可能会超过柔性立管最小弯曲半径；Layback值较大时，柔性立管张力相对较大，打扭可能性较小，轴向拉力较大（必须小于柔性立管的最大允许轴向拉应力），且着泥点离作业船较远，应考虑ROV的飞行距离。

铺设过程中需用ROV时刻监测触泥点。出现有打扭迹象时，需停止作业，查找原因，并对Layback和铺设速度优化；如果有两台ROV作业，可增设ROV对立管的中上部监测，以便早期发现打扭并进行预防。此外，在柔性立管铺设时，需时刻监测张紧器拉力值，卷盘、塔轮、放管速度、移船速度、设备间管的的松弛度等。而对于已经产生打扭，可令船沿打扭反方向原地旋转，缓解后，通过试漏检测判断管线情况。

结语

柔性立管线型是结合水深、浮体运动特性、所在海域的海况、油田布局、管缆物理力学性能和成本等综合考虑的结果。悬链线、缓波型、陡波型、缓S型陡S型和相关优化线型具有各自的适用情况和特点，在梳理和总结的同时，通过横向对比和参数分析，揭示五种基本线型间和同一线型不同参数下的异同及变化特点，为浮式设施柔性立管的选型提供参考。另外以陡波型铺设为例，阐明铺设过程中要点和解决措施，为柔性立管铺设提供借鉴。

参考文献

[1]白勇，白强，等.海底工程设计手册――海底管道分册[M].上海交通大学出版社，2014.

[2]孙丽萍，周佳，王佳琦.深水柔性立管的缓波型布置及参数敏感性分析[J].中国海洋平台，2011，26（03）：37-42.

[3]陈金龙. BTM系泊的FPSO水下管缆系统动态分析[J].2011.

[4]王懿，段梦兰，李丽娜，等.深水立管安装技术进展[J].石油矿场机械，2009（06）：4-8.