海底管道及立管系统

6.0海底管道及立管系统6.1概述作为独立的深水开发项目，它是石油天然气工业的重点，在开始阶段开发方案的选择是很重要的。前期的正确选择是最重要的，由于它的改变是耗资最大的。这点适合于所有的系统组成部分特别是立管，因为它是海底生产系统和浮式装置之间的关键连接。基于对系统性能的实际的、正确的评价作出决策是势在必行的，而不是依靠直觉。这种评价不仅要理解技术细节和每种设计的功能限制，也要分析每种设计的相关可靠性，它们的接口要求和成本等。不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用管道/生产管线和立管，它们是海洋基础结构的关键组成部分。管道和立管是深水开发比较复杂的方面，如图1所示。图1:深海浮式结构及立管系统首先，本章节以实际海洋油田应用为重点描述了深海管道和立管的基本概念，特别关注了它们在中国海域应用的潜力。深海管道和立管的更详细的讨论在三个单独的关于工业设计标准选择、工程解决方案、海上安装的章节中论述。对不同的管道和立管概念进行了对比并指出了它们的优缺点。给出了不同的例子来描述大致的概念。6.2管道及立管基本概念6.2.1海底管道在油气田的总体开发布局设计中,其中的一个问题之一是如何在油田内部已及从油田向另外一个油田或者到陆地终端进行油,气,及水的输送,解决该问题的方法就是利用海底管线或管道。在海洋油气资源开发中管道有多种用途。下图描述了海洋管线的通常定义，包括下列内容：ƒ运输管线ƒ油田产品输送检验/生产管线ƒ水和化学制品注射管线ƒ生产管线和立管之间的连接短管图2:海底管道在油田中除去按管道的用途划分还有几种不同的分类方法。一种常见的方法是按管道横截面的结构分类，即单壁管道、管中管管道（PIP）和集束管道，如图3所示。图4:海底管道分类示意图单壁管道是最普通的，在海洋和岸上都有广泛的多用途应用。它能用于输出、油田生产/检验、注水等。管中管和集束管道系统的主要特征是管道具有同心的内管和外管。内管或套管内的管道运输生产的流体并且绝热，同时外管（或承载/外套管管道）提供机械保护。许多最近在北海和墨西哥湾发现的高温高压（HP/HT）的油藏使用管中管和集束管道系统作为现有平台海底回接管道的一部分，特别是在有很高的绝热要求时。不仅油藏条件越来越苛刻，管道也要求在产品沿管道冷却时与蜡状物和水合物隔离。这种类型的生产管道也广泛地用于中国海域，如渤海湾。管中管和管道集束系统的应用带来了不同于传统单壁管道设计的附加设计特性。隔层的结构设计、内部防水壁和绝热设计带来的工程挑战要求在变动的负荷体制下对结构特性进行全面和局部的了解。由于在这样的系统中组件的数目与传统管道相比增加了，设计过程必须更加复杂和客观，因为组件的相互作用可能导致设计的改变。一条海底管道的完成,主要包括如下阶段:ƒ油田布置,管道概念选择ƒ管道工程设计ƒ管材制造ƒ管道海上安装及调试ƒ管道运营准备就绪其中,最为关键的是管道的工程设计及海上安装。6.2.2深海立管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。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：ƒ顶部预张力立管(TopTensionRiser)ƒ钢悬链立管(SteelCatenaryRiser)ƒ柔性立管(FlexibleRiser)ƒ塔式立管(HybridTowerRiser)下面的四个图，分别展示了上述的深水立管概念。图5:顶部预张力立管图6:钢悬链立管图7:柔性立管图8:塔式立管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。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,因此，深水海洋立管是深水工程技术的核心，这还因为ƒ深水的挑战需要新颖的海洋立管概念；ƒ浅水立管技术完全不适应于深水；ƒ全新的浮式结构概念需要全新的立管系统；ƒ深水立管是整个深水油气田开发的最主要的界面；ƒ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；ƒ深水立管的动态特性使其成为深水开发中最具有挑战性；ƒ深水立管的实际工程经验及现场反馈很少；ƒ水深，高温，高压使深水立管工程更加艰难；ƒ深水立管的特性及其响应是无法在实验室的环境下模拟的。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。图9:墨西哥湾BN油田开发布置图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。图10:西非典型油田开发布置图下图是西非的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。图11:西非AKPO油田开发布置图6.3管道及立管设计规范及标准6.3.1概述无论是海底管道还是立管,可供参考的工程设计标准很多,尤其是随着深海油气的开发,许多新的标准及规范也应运而生。目前这些标准主要来自船级社及石油协会等技术机构,如挪威船级社(DNV),美国船级社(ABS),美国石油协会(API),英国标准(BS),等等。此外,有一些大的石油公司也采用自己公司内部的标准作为设计规范,如壳牌(Shell)等。海底管道及海洋立管设计标准的选择主要依靠下列各项：ƒ政府机构部门的要求ƒ管理机构要求ƒ客户选择ƒ油田地理位置6.3.2海底管道管道设计通常是要参照工业设计标准来进行的,海洋管道设计规范很多,最早的可以追溯到70年代,如挪威船级社(DNV)。而且,早期的规范也很简单,同时也相对比较保守。随着海底油气工业的发展,海底管道的不断增多,完善设计规范的需求也越来越多,同时参与规范严发的单位也不断增加。目前,海底管道最常使用的设计标准包括：ƒ挪威船级社OSF101(2000):“SubmarinePipelineSystems”ƒ美国石油协会RP1111(1998):“Design,Construction,Operation,andMaintenanceofOffshoreHydrocarbonPipelines–LimitStateDesign”ƒ英国标准协会BS8010(1993):“CodeofPracticeforPipeline–Part3.PipelineSubsea:Design,ConstructionandInstallation”ƒ美国机械工程师协会B31.8(1992):“CodeforGasTransmissionandDistributionPipingSystems”(1994Addendum)ƒ美国机械工程师协会B31.4(1992):“CodeforLiquidTransportationSystemforHydrocarbons,LiquidPetroleumGas,AnhydrousAmmoniaandAlcohol’s”原理上，设计标准可以分为两类，即：ƒ基于极限状态的可靠性设计（荷载抗力系数法设计－LRFD）ƒ常轨许用应力设计（工作应力设计－WSD）最成功的、在世界上应用最广泛的极限状态设计标准是挪威船级社OSF101，它以SUPERB(Jiao,etal,1996)的联合工业程序（JIP）为基础，是由挪威海洋技术中心发起的。第一个该类型的设计标准在1996年以挪威船级社的规范方式正式发布。荷载抗力系数方法引进了一些用于不同损坏模式的不同参数的安全系数。工作应力设计方法仅用一个安全系数覆盖所有的不确定性。原理上，荷载抗力系数法方法不保守一些，可以导致更小的管道壁厚和相应地减少材料成本。这是以在一致方式下保持同样或更高的安全等级为条件的。有许多文章解释这些细节，如Song,etal(1998,1999),Zimmerman,etal(1992),andSotberg,etal(1992,1994)。6.3.3深海立管概述尽管立管已经存在很多年了，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。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RP2RD，然后是挪威船级社OSF201。这两个标准仍然是海洋立管仅有的设计标准，如下：ƒ美国石油协会RP2RD(1998):“DesignofRisersforFloatingProductionSystemsandTensionLegPlatforms”,FirstEditionƒ挪威船级社OSF201(2001):“DynamicRisers”这两个立管的规范从原理上是不仅相同,美国石油协会的RP2RD是基于许用应力方法,而挪威船级社的OSF201是基于可靠性分析的荷载抗力系数法(LRFD)。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。美国石油协会RP2RD标准背景在90年代初,随着深海工程的迅猛发展,深海立管的作用也越来越明显,而当时却没有独立的深海立管设计规范。通常的立管设计主要是海底管道设计规范的延续。另一方面,深海立管的设计却独具挑战性,这主要是因为浅水的概念和经验已经完全不适用于深海立管。为了满足这一需求,美国石油协会在1992年成立了由EXXON石油公司领导的技术小组来开发立管设计规范。在1998年6月,第一版的美国石油协会RP2RD正式出版作为第一个海洋立管的设计规范,称为“浮式生产系统及张力腿平台的立管设计”,从此,该规范被广泛用于深海立管工程设计之中。美国石油协会的RP2RD规范涉及立管结构分析,设计知道,构件选择标准,通用立管系统的设计,主要用于钢材及钛刚的立管。该标准采用了传统的许用应力设计法,结构的安全性通过一个安全系数来考虑。挪威船级社OSF201在2001年,,成为第二个海洋立刮设计规范。该标准主要基于联合工业项目(JIP),由挪威船级社,SINTEF,及SEAFLEX承担完成。和挪威船级社的海底管道标准F101类似,该规范采用了荷载抗力系数法作为设计公式。挪威船级社的海管标准F201和美国石油协会RP2RD规范的基本设计原则及功能要求并不冲突。此外，一些由管理机构发布的标准对立管设计作了一些扩展，如美国船级社(2001),但是很少在实际工程设计中被采用。6.4管道及立管设计分析工具6.4.1海底管道尽管可选择的海底管道软件很多,同时也有许多为某种特定用途而开发的专用软件,但是采用通用有限元分析软件包为核心求解器,同时开发周边软件的方法比较常见。最常用的通用非线性有限元分析（FEA）软件包括：ƒABAQUS：通用非线性有限元分析程序包;ƒANSYS：通用非线性有限元分析程序包此外，还有相当多的专为管道开发的软件，如：ƒPIPSIM和OLGA：多相流可靠性程序ƒPIPSTAB：海底管道稳定性分析程序ƒPONDUS：浪流引起的海底管线动力响应（APA）ƒOFFPIPE：海洋管道安装分析程序ƒSAFEBUCK:海底道热膨胀分析程序6.4.2深海立管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：ƒRiflex:NorwegianMarineTechnologyCenter(Marintek)ƒFlexcom3D:MCSInternational(Ireland)ƒOrcaflex:OrcinaLtd.(UK)ƒSHEAR7:MIT(USA)软件的选择由工程需求决定。现在，软件的界面设计地很友好，新手可以在短时间内学