SY/T 7340-2016 立管干涉

ICS75.180.10
E94
备案号：57725—2017 SY
中华人民共和国石油天然气行业标准
SY/T7340—2016
立管干涉
Riser interference

2016-12一05发布 2017-05-01实施
国家能源局 发布

1总则
1.1概述
随着油气勘探开发走向深水，海洋立管长度不断增加，立管间出现干涉的风险也在加大，给出一种更加准确的立管干涉评估方法显得日益重要。
以往常见的设计作法是在正常条件下甚至在极端条件下都不应出现立管碰撞。本标准推荐了立管干涉评估的分析程序和设计标准。
1.2目的
本标准的总体目标是推荐一种设计分析方法，并提供合理的设计标准和立管干涉评估指南。
人们尚未充分理解立管干涉所包含的复杂物理现象，并对此正在进行研究。本标准的目的是总结归纳截至目前的工业界共识。
1.3范围及应用
工作范围是首先提出可行的分析策略框架和实用设计程序，着重于如何评估立管是否发生碰撞。
本标准所指的“立管”适用于各种立管系统，如脐带缆、柔性立管、钢悬链线立管(SCRs)和顶张紧式立管(TTRs)。
为了得到一个完整的可行性分析和实用设计程序框架，宜考虑以下内容：
1)整体框架和设计方法。
2)安全原理。
3)环境条件和荷载。
4)分析策略和水动力相互作用模型。
5)接受标准和基本要求。
安全原理和设计原则应采用DNV OS F2O1中适用的部分。然而，如果任何公认规范考虑了本标准所讨论的整套极限状态方法，则原则上都可接受。本标准的基本原则与公认规范一致且反映了最先进的工业界作法和最新研究成果。

1.4定义
1.4.1
偶然荷载accidental loads
由于突发的意外事件在立管系统上产生的荷载。典型偶然事件的年发生概率小于10？。

1.4.2
净距clearance
立管外表面间的最小间距。
1.4.3
涂层coating
在立管外表面，保护立管免受外界损伤的涂覆物。
1.4.4
顺应式形态compliant configuration
形如悬链线的立管/脐带缆形态的统称，如自由悬挂型、顺应波型、懒波型和陡波型等形态。
1.4.5
计算流体动力学computational fluid dynamics(CFD)
通过求解流固耦合方程来模拟和解释相关物理现象的数值方法。
1.4.6
失效failure
事件引起的不利情况导致：
部件或系统功能的丧失；
功能退化造成设备、人员或环境的安全性显著降低。
1.4.7
疲劳fatigue
循环荷载引起的材料损伤。
1.4.8
力系数force coefficients
与相对位置有关的拖曳力和升力的无量纲系数。
1.4.9
整体分析global analysis
浮体和立管在波流作用下受迫响应分析。

2设计方法
2.1概述
单个立管一般承受波、流、受迫波频和低频浮体运动等荷载作用。两个相邻立管是否发生碰撞，取决于许多因素：
1)环境荷载。
2)立管在浮体上及海床终端处的间距。
3)立管形态和立管张力。
4)浮体在完整状态和偶然状态（如单个或多个系泊缆失效）下的偏移量。
5)海生物。
6)水动力相互作用，包括遮蔽效应、尾流不稳定性和涡激振动。
7)涡激振动抑制装置的使用，例如螺旋列板。
8)立管作业，例如输送不同密度的流体、钻井/完井/修井作业。
9)偶然荷载情况，例如预张力损失或者浮力损失。
1)由于在质量、直径、有效重量、施加顶部张力或有效张力分布等方面的不同，导致立管具有不同的静态/动态属性。
立管干涉对深水浮式设施安装来说是一个关键设计问题，其对浮体形式、定位系统以及立管系统布置的选择可能产生决定性的影响。因此，宜在设计初期就关注立管干涉问题。
为了使临近立管系统获得类似的性能，通常可规定重径比设计目标。注意到重径比受海生物的影响显著，这对于小直径且重量较轻的立管尤其重要。因此，宜对含有海生物和不含海生物情况下的重径比设计目标进行校核。
2.2设计原则
2.2.1概述
目前可采用两种不同的设计原则：
1)禁止碰撞。

2)允许碰撞。
这些设计原则对于荷载效应分析和接受标准设置了不同的要求。水动力相互作用是关键问题，这两种设计策略中荷载效应分析均应对此给予充分考虑。如果允许立管碰撞，还应对立管结构之间的相互作用进行评估。
与不允许立管出现相互碰撞的情况相比，允许立管出现碰撞的接受标准的分析工作量要大得多。
然而，在极端和（或）偶然荷载工况下放松不允许碰撞的设计原则可能会显著地节约费用。

正常来说，在下列情况下碰撞是不能接受的：
1)如顺应式形态中的浮力块部分。
2)立管与系泊缆之间。
3)立管与其他结构之间，例如没有进行特别防撞设计的中水浮筒和浮箱。
4)立管与未受保护的外部线状物之间，例如在钻井或修井立管上的压井管道和节流管道或者附属脐带缆。
2.2.2
禁止碰撞
应论证所有关键荷载工况下相邻立管是否具有足够的间距。荷载工况应包括正常操作条件、极端条件和已识别的偶然条件。
在整体荷载效应分析中应充分考虑水动力相互作用。
2.2.3允许碰撞
如果进行碰撞评估后结果可以接受，则允许出现偶尔碰撞。应根据发生概率对不同的荷载条件进行分类。这意味着在临时、偶然和极端条件下可能允许出现碰撞。在永久条件下一般不允许发生碰撞。对于允许碰撞的情况，应有分析论证表明结构的完整性未受到危害，即应确保足够的疲劳和极限承载力以及耐磨性。
一般应结合评定试验和设计计算来完成。
在完全静态干涉情况下的接触荷载评估可使用静态荷载效应分析，例如在没有涡激振动水流作用条件下的柔性立管和脐带缆之间的相互作用。
如果不能用计算文件证明结构能够承受考虑接触面局部几何形状的接触荷载，则应进行认证试验。
关于竖向钢制立管的局部碰撞分析、策略和原则指南参见附录。

3水动力相互作用
3.1概述
对于与立管干涉评价相关的荷载效应分析来说，水动力相互作用评估是一个常见问题。相互作用效应的重要性主要取决于系统的特性，应按具体工况逐个进行评估。
学者们进行了大量稳定流下水动力相互作用研究工作，例如Husell23,Huse&Kleiven!4,Kavanaghl6等研究成果。然而，关于波浪荷载引起的相互作用效应，可用的信息较少，其中包括Duggal&Niedzweckile刀的研究成果。
此外，对于圆柱体列阵的水动力相互作用已进行了大量实验研究，可参考Blevins和Zdravkovich33的研究成果。
Fontaine等人例研究了钢悬链线立管之间的碰撞。Fernandes等人给出了流作用下柔性跨接管的试验结果。在这两种情况下，都观察到了尾流效应引起的碰撞，但是似乎缺少由波、流和浮体运动的复合荷载引起的水动力相互作用试验结果。
对于处于上游立管尾流中的下游立管来说，可区分出三种不同类型的物理激振力：
1)由于迎面而来的湍流和从上游立管释放的漩涡引起的宽带冲击力，这将导致宽带冲击振动。
2)周期性漩涡释放力，可引起有限幅度的高频涡激振动。
3)时间平均力，其变化取决于立管在尾流中的位置。
一般来说，这些荷载机制取决于雷诺数以及来流的湍流强度。
Kalleklev等人us研究表明，保守来讲上游立管上的水动力相互作用可忽略不计，这样上游立管可被视为一个孤立的立管。因此宜重点关注下游立管的水动力相互作用。
正如上文所述，相邻两个立管之间物理荷载机制是复杂的。与立管干涉评估相关的最重要的影响是：
1)由于遮蔽效应使立管靠得更近，导致作用在下游立管上的平均力减少。
2)根据拖曳力放大来考虑涡激振动对作用在上游立管和下游立管上平均力的影响。
上游立管产生的非线性力场可能还会导致下列水动力相互作用效应：
1)下游立管的尾流不稳定运动。
2)下游立管存在多个静态平衡位置。

尾流不稳定运动是典型的大振幅运动，取决于下游立管在上游立管引起的力场中的位置。
有必要通过加强基础研究来充分了解这些荷载的机制以及它们彼此之间如何相互作用。因此，在实际立管干涉分析中宜引人具有合理保守假设的简化方法。
3.2稳定流平均力
上游立管产生的尾流场会影响下游立管的水动力荷载。对下游立管上平均力的影响是：

1)遮蔽效应引起的平均拖曳力折减。
2)尾流场的速度梯度引起的升力。
因此，平均拖曳力系数和升力系数将依赖于立管之间的相对距离。在局部坐标系中描述平均力系数是最方便的，流体流入方向为x轴，横向为y轴，坐标原点位于上游立管的中心，参见图2。

4立管净距评估
4.1概述
从历史上看，典型的防止立管干涉的设计准则包括避免立管碰撞所需间距的评估，参见APRP 2RD

第一步是考虑浮体偏移和流荷载因素来确定碰撞是否可能发生。
首先，忽略列阵中立管的任何水动力相互作用来计算每个立管由于自由流加载引起的静态偏移量。如果静态偏移量小于名义静态条件下立管间的最小间距，则顶张紧式立管不发生立管干涉，就没有必要进一步分析。
如果初步评估揭示出相互作用效应显著，则应进行精确分析，分析中应考虑可能的水动力相互作用效应。
4.2准静态分析
4.2.1概述
准静态分析应包括浮体偏移和流的作用。宜施加全方向的环境参数和船体偏移，从0°到360°，典型步长以5°~10为宜。
对于特定的系统，仅凭极端流条件下的结构形态难以评估是否出现交叉。非极端流作用可能导致更严重的干涉情况，对此宜予以考虑。
如果需要，对浮体偏移和流荷载组合的最不利工况，应考虑进行波浪作用的动态分析。
值得注意的是，应考虑前面章节中所述由涡激振动引起的拖曳力放大。
4.2.2无扰动流分析
对于无扰动流，可分别进行上游立管和下游立管的静态分析。
如果从无扰动流分析中得到的结果表明水动力相互作用效应具有重要意义，则应进行遮蔽分析。
4.2.3遮蔽分析
使用参数化尾流场模型来描述水动力相互作用的静态分析方法即为准静态遮蔽分析。
自动计算要求在有限元分析软件中实现尾流场模型。然而，采用下列迭代方案，任何细长结构物非线性静态分析软件都可用于遮蔽效应评估。
1)计算静态的上游立管形态。
2)计算在来流荷载作用下下游立管结构的静态形状。

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