柔性立管结构设计机械设计制造及其自动化.docx

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柔性立管结构设计机械设计制造及其自动化

毕业论文（设计）

题目：

柔性立管结构设计

摘要

我国的深海石油开采技术和国外先进技术相比，还是有较大的差距。

柔性立管作为连接海底油汽井口和海上钻进平台连接的管道已经逐渐取代海洋钢管。

但是我国柔性立管方面的研究较少，起步慢，很多核心技术没有突破，十分依赖进口。

但是柔性立管结构复杂，导致难以设计，因此本文对目前国内外柔性立管的发展做了概述，对非粘结性柔性立管对其做详细的结构拆分和介绍每一层的用途。

本文开始根据海洋管道的形式结构，主要对四种常用的深水立管：

柔性立管、混合立管、钢悬链立管和顶部张紧立管的结构、安装方案进行了细致介绍。

然后对刚性立管和柔性立管的结构形式和构成进行分析和比较，对比刚性立管和柔性立管在海洋环境载荷下的两者的性能，详细介绍了柔性立管的失效形式及其原因。

最后对柔性立管的分层构成进行了详细的阐述。

对柔性立管的骨架层、内部护套层、抗压铠装层、耐磨层、抗拉铠装层、外部护套层等进行了细致的介绍，对每一层的材料构成和功能进行详细的说明，并针对柔性立管各层之间的相互作用和联结方式进行了阐述。

最后并分析了现有技术的积极因素和潜在问题，总结了全文的结论和一些新技术。

关键词：

非粘结柔性立管、结构组成、失效分析;

Abstract

ThereisstillabiggapbetweenChina'sdeep-seaoilexploitationtechnologyandforeignadvancedtechnology.Theflexibleriserhasgraduallyreplacedtheoffshoresteelpipeasthepipelineconnectingthesubmarineoilandgaswellheadandtheoffshoredrillingplatform.However,theresearchonflexibleriserinourcountryisless,thestart-upisslow,manycoretechnologieshavenotbeenbrokenthrough,andweareverydependentonimports.However,thestructureofflexibleriseriscomplex,whichmakesitdifficulttodesign.Therefore,thispapergivesanoverviewofthedevelopmentofflexibleriserathomeandabroad,andmakesadetailedstructuralseparationofnon-bondedflexibleriserandintroducestheuseofeachlayer.Inthispaper,thestructureandinstallationschemeoffourkindsofcommonlyuseddeepwaterriser,includingflexibleriser,mixedriser,steelcatenaryriserandtoptensioningriser,areintroducedindetailaccordingtotheformalstructureofoffshorepipeline.Then,thestructuralformsandcompositionsoftherigidriserandtheflexibleriserareanalyzedandcompared,andtheperformanceoftherigidriserandtheflexibleriserundertheMarineenvironmentalloadiscompared,andthefailureformsandcausesoftheflexibleriserareintroducedindetail.Finally,thelayeredcompositionoftheflexibleriserisdescribedindetail.Theframeworklayer,innersheathlayer,compressionarmorlayer,wear-resistinglayer,tensilearmorlayerandoutersheathlayeroftheflexibleriserareintroducedindetail,andthematerialcompositionandfunctionofeachlayeraredescribedindetail.Finally,thepositivefactorsandpotentialproblemsofexistingtechnologiesareanalyzed,andtheconclusionofthepaperandsomenewtechnologiesaresummarized.

Keywords:

non-bondedflexibleriser,structuralanalysis,failureanalysis;

1绪论

1.1研究背景及意义

海洋是一个巨大的油、气储藏地，资源异常丰富。

随着时间的发展，技术的进步，人们在海洋中能开发的资源也越来越多。

二十一世纪以来，科技的飞速发展导致了不可再生资源储备急剧衰减，而我国陆上油、汽的可采储备急剧减少。

石油作为当今世界上的不可再生资源之一，它对于我国社会工业的发展以及各工业企业的稳定运行都有巨大的作用，堪称工业的活力源泉。

而且我国人口基数大，对于石油的需求也十分巨大，2017年中国原油进口量为4.2亿吨，从第二大原油进口国变成第一大原油进口国。

石油安全问题关系到我国的经济发展是否健康问题，而良好的国际关系和我国石油开采能力是我国石油安全问题的关键。

海上石油开采程度、利用率和污染问题等都是关系到我们国家的石油安全问题。

在大陆架上，即离岸边较为靠近的海域，海洋管道铺设作业是由陆上湖泊，河流等管道慢慢的发展进化成海洋管道的铺设。

海洋铺管作业主要有三种方法:

铺管船铺设、牵引法和用卷筒船铺设。

作业过程中选择何种方法是根据管径大小、海水深浅、海上具体状况和距岸远近等诸多条件来共同确定的。

近年来海洋油气田探勘接近千米深的海域，海洋管道施工技术正在向更加深的海域前进。

但是在深海并不能通过铺设管道来进行，维修等技术难题使得在深海铺设管道费时费力，还得不偿失。

因此只能通过海上钻井平台连接立管来输油。

伴随着技术的发展，深海柔性立管由于既能保持在轴向刚度的同时，还能在复杂的海洋洋流中承受较大的弯曲变形保证正常的工作，所以柔性立管正在逐渐的取代海洋钢管，成为未来的主流趋势。

柔性立管结构复杂，因此本文将详细介绍柔性立管的结构特性。

1.2深海立管的主要类型

海上汽、油田通常包括四个系统。

它们分别是：

一、上部处理系统;二、水下生产系统，生产管线，外输管线;三、立管系统；四、固定或者浮式结构。

立管系统是链接出油口和海上钻井平台的连接管道，其中的重要性不言而喻。

目前最新的深水立管主要包括柔性立管（FR）、混合立管（HR）、钢悬链立管（SCR）和顶端张紧立管（TTR）[1]。

1.3深海立管的基本结构形式

顶端张紧立管是一种在立管的顶部由张紧器或者是浮力桶施加预张力的一种刚性立管，用于连接于海上钻井平台以及汽、油口应力节点或者锥形节点等连接件的立管形式[2]；钢悬链线立管是在1990年初其开始提出此构想，在90年代中期慢慢发展丰富起来的一种立管形式。

经过长期的不懈探索，现在已经被成功应用于张力腿、半潜式平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统，最深的水深已超过3000米，成为深水开发的一种重要形式之一。

钢悬链立管是由很多段标准长度的钢管焊接而成的，它适用于各种极端的环境。

混合立管，也可以称为自由式站立立管，混合立管的主体是刚性立管，另一部分由刚性立管和柔性跳接管间断的连接而成，然后把二者连接在一起形成的混合立管立管。

此立管的其他主要部件还有空气罐，还有连接空气罐的的接头，混合立管主体上下端的应力接头、下部总成连接到立管基础上的连接器。

混合立管特殊的结构形式，给了它刚性立管和柔性立管所不具有的优点，和其他类型的立管相比，有很多其他立管无法相比的优点，更加适合复杂的海洋环境[3]。

柔性立管按照制造工艺来分，可以分为粘结性柔性立管和非粘结性柔性管道。

粘结性立管由于硫化工艺，使得长度受到了约束，因此本文主要介绍非粘结性柔性立管。

粘结性柔性立管主要有骨架层，铠装层，保护层等构成。

图14种常见深水立管

1.4深水立管的安装

在上述论文中，我们已经阐述了目前主要的四种深水立管的结构形式和特点，随着水深的增加，如何安装深水立管也成为了我们所关注的。

立管作为连接海上钻井平台和海底生产出油口的中介，其中的重要性不言而喻。

目前深水立管的连接是用水下连接器，不同的深水立管的安装方案也是不相同的，因此我们了解深水立管和平台、出油口的连接是非常有意义的。

下面将介绍四种主要的深水立管的安装方案。

1.4.1顶端张紧立管系统的安装方案

顶端张紧立管的顶部利用张力器将其连接到钻井平台上，然后以接近90度的方向连接到海底的井口，利用专业的回转连接器将其和海底的设备相连接（图2）。

因为顶端张紧立管的自身特性，所以其较多的采用垂直连接法，如图3所示，海底底部也就利用回转连接器实现海底对接。

顶端张紧立管的安装一般按照如下步骤：

一开始肯定是进行前期的例行准备工作，比如补偿器等一些辅助安装工具的测试和安装准备工作。

然后将立管和平台连接，用起重装置将其下放到海洋底部生产口，接下来便是利用机械手将两者相连。

顶部连接器是顶端张紧立管比较关键的一个组成部分，它是用于连接井口和立管，承受了巨大的海水压力，复杂的洋流、涡流振动，还要一边保证连接紧密无泄漏，是一个异常复杂的问题，需要运输、起吊、下放等多个安装工作。

图2顶部张紧立管底部连接图3顶端张紧立管垂直连接示意图

1.4.2钢悬链立管系统的安装方案

钢悬链立管系统是立管和海底管线是一体的，一端为连接井口，通过终端管道和水下生产设施相连接，另一端为连接平台的结构。

钢悬链立管和顶端张紧立管系统不同，其不需要海底应力接头，使得其水下安装变得更加方便。

钢悬链立管和水下生产系统的连接采用一体式连接方法，也可以称为直接铺管式（图4）。

在深水中一般采用J型铺管法。

在连接过程中需要张紧器、安放立管的工具（如吊车、收放绞车等等）、一些焊接设备等。

安装顺序为:

首先将立管通过连接器与PLET相连，然后安装船和铺管船合作将立管放松，并且驶离安装船，PLET和立管一起下放到水下生产设施，最后将PLET和海底基座相连接，最后检验成功与否。

图4铺管法示意图

1.4.3柔性立管系统的安装方案

柔性立管和上述的钢悬链系统相仿，柔性立管系统也是集海底管道与立管一体的，柔性立管上部与平台相连，下面直接用专业的连接器和海底井口相连接。

柔性立管和钢悬链立管所需要的设备大致类似，不过也不尽相同。

1.4.4混合立管的安装方案

混合立管的连接主要是跨界软管和刚性跨接管的连接，浮力筒和跨界管的连接，水下基座和跨界管的连接，也就是这三种和刚性跨界管的连接。

混合立管和海上钻井平台的连接一般采用海上浮拖法来进行安装，主要是立管与海底生产设施和跨接管的连接，安装的主要设备有：

工作船、海底基座、立管底部装置、水下连接器。

混合立管与海底基座的连接主要两种方法，我们称之为：

铰接和固定两种方式，一般是采用插入法，然后通过绞车的转动带动立管接头运动来完成连接。

我们通过水下摄像机来反馈立管的所在海底位置，通过调整位置方向，慢慢对接，最后通过压缩气体排出顶部浮力简舱室的多余海水。

混合立管在完成与海底生产设施的连接后，需要通过跨接管进行回接。

跨界管有两种：

柔性跨界管、刚性跨界管，可以采用两种方式跨接：

水平方式和垂直方式[4]。

2刚性立管和柔性立管

2.1柔性立管和刚性立管的比较

目前为止，海洋管道主要非为两大类，一类为刚性立管，为金属材质：

另一种也就是本文介绍的柔性立管。

刚性立管也可以称为传统的海洋钢管，而柔性立管是由金属材料和聚合物材料混合在一起制造出来的复合材料。

柔性立管和传统海洋钢管相比，最大的优势在于弯曲性好，也就是径向弯曲度高。

传统海洋钢管安装复杂，而且材料昂贵。

柔性立管由于其结构原因，它的可设计性远远高于刚性立管，能够适应复杂的海底环境，价格相对于海洋钢管便宜，安装更加便捷，可以缩减前期准备工作，可以回收重复利用，更加的经济环保降低工程建设和公司运营成本。

所以说，现如今柔性立管已经逐渐取代刚性立管，成为海上管道输油的首选管道[5]。

应此了解在海洋载荷下的柔性立管性能也变得更加重要。

2.2外载荷下柔性立管的性能

2.2.1柔性立管主要外载荷

非粘结柔性立管是由形式复杂的聚合物层和金属层所构成的复合材料，每一层具有特殊的材料特性和功能，从而保证输油的安全与高效。

非粘结柔性立管的层与层之间是精密贴合的，但是互不粘结，有时在载荷作用下有可能会产生间隙。

在海洋载荷作用下可能发生相对滑移甚至可能相互分离。

但是其结构的复杂特性也为我们分析其特性制造了较大的困难，如螺旋带的弯曲迟滞特性、骨架层和铠装层的压溃失效等等。

现如今国际上尚且无法完全了解非粘结柔性立管的失效具体原因，还有柔性立管的结构原因，也无法很好的了解其力学特性，因此我们有必要了解非粘结柔性立管在外载荷下的力学性能。

非粘结柔性立管在海洋里主要承受的载荷主要有轴向对称载荷、弯曲载荷。

轴对称载荷主要包含轴向力、扭矩，内外的压力，一般产生来自于立管自身的重力、海水和柔性立管内外的压力差。

弯曲载荷来自于海上钻井平台的移动[6]。

一方面由于参数的获取较难，另一方面由于器材的原因没有专业的设备，成本高昂。

因此我总结了目前国内最新的关于非粘性立管的截面力学性能研究成果和研究方法。

2.2.2柔性立管失效形式

在过大的载荷下，柔性立管容易发生失效，导致工作无法进行，下面将介绍几种常见的失效形式。

第一种常见的失效为骨架层压溃失效（图5）[7]，使骨架层失效的载荷为水压，或者是径向压缩载荷，其中径向压缩载荷主要来自张紧器的作用。

第二种常见的失效为抗拉铠装层的失效。

在当今世界长期的总结抗拉铠装层的失效形式中，主要总结出了三种抗拉铠装层的典型失效形式：

侧向失效、径向失效和断裂失效。

抗拉铠装层的断裂主要是由于过大的轴向拉力导致的（图6）[8]。

柔性立管的径向失效起因一般是由于立管最外层保护套先发生破裂，导致了铠装层在径向的压缩载荷下失去径向保护，导致了径向失效的发生（图7）[9]。

但是如果说螺旋刚带能够提供足够的径向保护使自己不径向失效时，有可能会在轴向载荷和弯曲载荷的共同作用下导致侧向失效（图8）[10]。

图5骨架层压溃失效图6抗拉铠装层螺旋钢带断裂

图7抗拉铠装层螺旋钢带径向失效

图8抗拉铠装层螺旋钢管侧向失效

2.2.3研究方法

目前为止，国内关于柔性立管的研究还很少，因为核心技术被外国所把控，很难有条件去做关于柔性立管失效的一些实验。

国内现在研究柔性立管一般采用电脑软件模拟数值来进行研究。

其中一种研究方法为利用非线性有限元方法研究柔性立管在轴向载荷下的失效情况，一般采用简化模型（图9），运用仿真软件模拟了柔性立管各层，并且考虑的每一层的材料所带来不同的摩擦，变形等非线性变化的影响。

然后通过数值模拟分析分析柔性立管铠装层的螺旋数、保护层厚度等对柔性立管失效变形和承载力的影响[11]。

图9非粘结柔性立管的有限元模型

国外的研究很多有条件的是直接采用实验的方法。

desousa等人[12]采用的便是实验方法研究柔性管在轴向力作用下的径向失效。

一开始立管的轴向力和轴向应变呈现出规律变化。

慢慢的随着轴向力的加大，抗拉铠装层的外部支撑结构出现了破损（图10），此时柔性立管马上出现了径向失效，这一实验说明了非粘结柔性立管失效的机理性问题，那便是上述说过的，当抗拉铠装层失效不能再提供足够的径向支撑，非粘结性便会发生径向失效。

图10轴向压缩实验下的径向失效

2.3本章小结

非粘结性柔性立管相对于传统刚管来说失效分析确实困难很多，传统刚性立管的失效一般是因为海水腐蚀，而非粘结性柔性立管的结构和材料原因，所以失效形式多且复杂。

正是因为这些复杂的结构导致非粘结柔性立管能够承受较强的拉力，同时还有较强的柔性来适应平台和海底接触地点的变形。

但是非粘结柔性立管的这些特点导致了我们分析其力学特性，失效方式和结构分析带来了巨大的难度[12]。

我国在柔性立管的实验研究还非常有限，因此在未来，希望我们国家能在研究柔性立管失效上取得巨大突破。

3柔性立管结构组成

在上文中粗略说过了柔性立管的分类：

粘结柔性立管和非粘结柔性立管。

因为粘结柔性立管是通过硫化粘合在一起的，所以制作长度受到了限制。

所以本文提到柔性立管多为非粘结性柔性立管。

非粘结柔性立管是由好几层叠加在一起的，因此其结构最突出的特点就是层与层之间会发生相对滑移。

非粘结柔性立管结构没有固定说一定多少层，所以其设计非常灵活，往往根据现场需要来设计。

为了更好的了解非粘结柔性立管的内部构造，因此本章节将对柔性立管的从里到外对每一层做详细的介绍。

3.1刚性内核层

刚性内核层也称为骨架层，是柔性立管最内部的一层，主要作用是承当外部海水的压力，尤其是在深海，水压巨大因此对于骨架层要求也很高，这样才能避免柔性立管发生压溃失效。

骨架层是由S型螺旋钢带组成的自锁非水密结构，剖面形式如图11。

螺旋刚带的数目为1，铺设角度进乎垂直地面，由于骨架层特殊的几何形式，所以其轴向刚度和扭转刚度几乎可以忽略[6]。

图11骨架层剖面图

3.2内部护套层

这一层相对来说，用途比较简单明了。

内部护套层（InternalSheath）是由一种聚合物制作用来覆盖在刚性内核层的。

其主要作用便是保证其密封性，从而让内部流体不发生泄漏的情况，保证其正常工作。

3.3抗压铠装层

抗压铠装层是柔性立管里较为重要的一层，该层是由螺旋钢带构成，主要作用是用来抵抗径向的内外压力。

具体的结构是不规则的钢制铠装以接近90度的螺旋角度缠绕形成自锁的圆壳结构。

其剖面结构如图12所示。

当抗压铠装层受到弯曲载荷时，铠装的间隙会随之变化，所以能够保持柔性立管的一点弯曲柔韧性，与此同时，自锁的形式也为抗压层提供抵抗内部和外部压力的帮助[13]。

图12抗压铠装层剖面图

3.4抗拉铠装层

抗拉铠装层是柔性立管里很重要的一层结构，它的作用主要是就是用来抵抗立管所受到的轴向拉力，拉力的产生主要和海上钻井平台的移动有关。

还有一些扭转载荷的强度构件，也是由螺旋钢带构成。

抗拉铠装层经常分为两层，分别为外抗拉铠装层和内抗拉铠装层，主要是为了抵抗不同方向的扭转载荷，其螺旋角度一般为40度左右。

有时候为了避免摩擦，也会在两者之间设置防摩擦层。

3.5防摩擦层

但柔性立管受到周期弯矩时，抗拉铠装层将对相邻的金属层产生压力，并且会出现周期性滑动，加剧金属的磨损。

所以要在金属层之间加入防摩擦层，从而保证柔性立管的长期安全工作。

其材料可以参照外部护套层[20]。

3.6防屈曲层

柔性立管在安装过程中，很容易受到扭转剪力和轴向拉力，这两种载荷容易引起抗拉铠装层的退卷，让抗拉铠装层作用减弱。

因此在抗拉铠装层外我们常常设置一层防屈曲层，用来保护抗拉铠装层，防止其变形。

制成防屈曲层材料主要是玻璃纤维，也可以使用芳纶这种材料。

3.7外部护套层

外部护套层是非粘结柔性立管的最外一层，其作用也异常明显，那就是防止海水进入立管内部使得内部受到侵蚀。

外部护套层是一种聚合物制成的圆柱外壳，例如高度聚乙烯就可以作为制造外部护套层的材料。

3.8本章小结

经过这一系列的介绍，相信大家也对柔性立管的内外构造有了清晰了解。

其实上述介绍的七层为柔性立管的主要部分。

但是由于环境等变化，柔性立管的设计也不可能是一成不变的，相反的说，柔性立管的设计是非常具有灵活性的，根据实际的要求来变更或加减层数。

例如图13[14]为两层抗拉铠装层，图14[15]为四层抗拉铠装层。

图13两层抗拉铠装层图14四层抗拉铠装层

4现状与展望

4.1国内外现状

柔性立管于1976年首次用于巴西，图14为柔性立管的发展史[16]。

国外在非粘性柔性立管的设计制造和安装方面相比我国，无论是在经验上，或是说设备上的确有明显的优势。

现在柔性立管的技术还被外国的国际大公司所垄断。

比较出名的有英国的油田服务公司，丹麦（NKflexible）公司和法国的德西尼布集团公司。

法国的德西尼布公司是现在最主要的柔性立管的设计生产公司，大概占全球市场份额的四分之三，在法国、巴西和马拉西亚都有制造基地。

英国油田服务公司成立与1983年，在2011年并入美国的GE公司。

现状柔性立管的发展慢慢的趋向成熟化、理论化。

应用的范围、深度和各种各样的环境也越来越多。

生产的公司也逐渐增加，市场竞争愈加激烈，各公司都在朝着降低立管的造价方向努力。

我国在柔性立管的设计、研究和制造等方面和国际先进水平还是存在一定的差距。

我们国家在柔性立管的研究起步晚于发达国家，但是在设计制造等领域发展还是有快速的进步。

大连理工大学、中国海洋大学等大学已经有设计研发柔性立管的能力，一些生产厂家也在尝试研发，储备技术力量。

图15各阶段柔性立管的发展

4.2现存问题

海洋在给人们带来开采机遇，也给我们带来了很多技术上的难题，当深度超过1500米，海底压力超过1000psi时，现有的柔性立管不能很好的满足需求。

现如今最重要的难题便是：

当深度超过3000米后，柔性立管骨架层所受的压力过大，还有柔性立管自身的重量。

第二个问题是，在深水高载荷下，胎体和压力外套的不规则表面可能会导致阻挡层变得复杂。

举个例子，阻挡层的外表面是通过未粘结但是互锁的环箍层增强的，在三轴应力的作用下发热会使得衬管蠕变，压力过大也会出现这样的问题。

所以在设计时，往往会增加一层功能层，用来桥接间隙的抗压铠装层或防止局部蠕变。

增加一层功能层，也加大了生产的成本，而且再加入功能层后，如果说管柱发生气渗现象会发生更加复杂的问题。

所以柔性立管在技术上还是有待研究，在经济上，开发研究的成本大。

所以在研究满足技术要求、价格相对便宜的方向开发。

4.3未来展望

中国拥有300多万平方公里的海域，据统计，我国海域应共有油气资源量350亿吨原油。

但是开采程度低，还有许多未发现的石油资源，只能大约估计，无法准确判断。

我国在深海油气开发无论是技术上，还是在装备都不如发达国家，这点确实无可否认。

目前中国海上四个主要油气地产区是：

渤海湾、南海东西部和东海。

仅仅在海南近海海域，就分布着3个新生代沉积盆地[17]，面积达16万平方公里，是油气资源勘探远景区，已勘探出40～60亿吨石油[18]、12万亿立方米的天然气。

由于技术的限制，已经严重的影响了我国海洋资源的开采。

为了增加国内油气产量，我国越来越重视海上石油的开发技术现状。

05年和美国的KG公司在南海珠江口盆地签订