深水立管设计标准中内波作用的分析与探讨❋

李效民，崔 鹏，张 莉，郭海燕

(1. 中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100； 2. 山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)



深水立管设计标准中内波作用的分析与探讨❋

李效民1，崔 鹏1，张 莉2，郭海燕1

(1. 中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100； 2. 山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

深水立管的设计、建造以及安装都必须依据相关规范进行，中国当前尚未出台专门针对立管设计的相关标准，现阶段还是以参考国外规范为主。本文首先对立管设计、安装中涉及的相关规范和工业标准进行介绍，论述当前国外API、ABS和DNV设计规范中关于深水立管环境条件及其载荷的相关规定，然后针对中国南海等海域普遍存在的内波现象，分析了内波尤其是内孤立波对顶张力立管的影响，结果表明，内孤立波会引起立管较大的位移以及较高的应力幅值，需要在设计分析中加以考虑。最后对中国在引入API、ABS和DNV等相关规范设计深水立管时提出相应的建议，以期为南海海域油气开发中立管的设计提供参考。

立管规范； 内波； 顶张力立管； 极值响应

随着陆地油气资源的不断消耗，包括ExxonMobile、BP和Shell公司在内的世界各大石油公司在油气勘探的主攻方向上，已实现由陆地、浅水到深水海域找油的战略转移。当前世界已探明的油气资源主要分布在墨西哥湾、巴西海域和西非海域，然而随着新的深水油气田的不断发现，亚洲，尤其是南中国海和澳大利亚海域正在成为新的深水油气产区。数据显示，南海海域蕴藏含油气构造200多个，油气田约180个，大概在230亿～300亿t之间，约占中国石油总资源量的1/3。

为适应深海油气勘探开发，一系列新型顺应式海洋平台如张力腿平台(TLP)、Spar平台等以及各种浮式储油装置(FPSO)继1950年代相继出现并得到应用。2012年5月9日，随着中国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”的钻头在南海荔湾6-1区域1500m深的水下探入地层，我国海洋石油工业深水战略迈出了实质性的一步。而不管采用何种类型的平台型式开发海洋油气田，都需要使用海洋立管，如输送油气的立管，平台上的钻探、采油、注水立管等。作为油气资源勘探开发必不可少的立管系统，上端连接于海面浮式平台，下端则连接于海底井口，除了上下端外中间部分再无其他任何固定支撑，因此整个立管完全处于各种海洋环境载荷作用中。各种海洋环境条件均会对深海立管的各种海洋各种海洋环境条件均会对深海立管的安全性和作业效率产生很大的影响，必须对其所处各种海洋环境下的动力响应性能进行深入研究。

所有的浮式结构物及其附属管线结构的设计、分析、建造以及安装都必须依据相关的设计建造规范，然而中国当前尚未出台专门针对海洋立管设计的相关标准，现阶段还是以参考国外API、ABS和DNV等相关标准或推荐操作规程为主。本文首先对立管的相关规范和工业标准进行分析，探讨当前国外设计规范API、ABS和DNV中关于深水立管环境载荷的相关规定，指出各规范对内波作用都缺乏足够重视。然后介绍我国南海等海域常见的内波现象，依据内孤立波Kdm-KdV方程结合改进的Morison公式，分析了内孤立波对顶张力立管的影响，最后对中国在引入API、ABS和DNV等相关规范设计深水立管时提出相应的建议，以期为立管的设计提供参考。

1 立管规范和工业标准介绍

1.1 API规范

API是美国石油学会(American Petroleum Institute)的英文缩写，关于海洋立管的设计标准主要有APIRP2RD[1]。APIRP2RD是关于浮式生产系统(FPS)和张力腿平台立管的设计规范。该标准第四章设计荷载和环境(Design loads and conditions)指出了需要考虑的各种荷载(见表1)。

从表1中以及APIRP2RD中4.2条指出在设计FPS立管时需考虑的环境荷载有表面波浪、海流、船体运动、地震和冰荷载。其中对前3种载荷进行了较为详细的介绍。“4.2.2.1波浪(Surface waves)”节指出由于海面状况的不规律特性，常用一些波浪的统计参数来描述海况，例如浪高、峰值周期谱(Spectral peak period)、形状谱(Spectral shape)和方向性。波浪也会引起与立管相连的的FPS船体的振动，船体的运动又会对立管产生影响。“4.2.2.2 流(Current)”节中指出来流对立管产生横向作用，对FPS产生偏移。流可能是由风、潮汐、海洋环流、涡泄以及内部波浪产生。设计者应该将各种流和浪进行组合以获取设计荷载。“4.2.2.3 驳船运动(Vessel motions)”节指出FPS操作船将环境荷载的响应直接传递给立管的顶端，船体偏移和运动组成立管的静力荷载和动力荷载。

表1 立管载荷Table 1 Riser loads

1.2 船级社规范

除了API外，还有相当多国家的船级社对立管的设计有相关规定，如美国船级社(ABS)的Subsea Riser System[2]以及挪威船级社(DNV)的DNV-RP-C205 Environmental Conditions and Environmental Loads[3]、DNV-OS-F201 Dynamic Riser[4]和DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems[5]等同样适用于立管的设计。

美国船级社成立于1862年，属非政府组织，主要致力于为公共利益和客户需求服务，通过开发和验证海洋相关设施的设计、建造和操作标准，保护生命、财产和自然环境的安全。 Subsea Riser System中对水下立管系统的设计进行了详细规定，其中第二章第二节关于环境载荷中指出立管所受主要载荷包括风、浪、流及其风浪流联合作用、潮汐、附着微生物、地震、海冰等。

挪威船级社的海洋标准系列是建立在挪威船级社长期积累的经验和研究工作上的中立技术标准，代表了挪威船级社在近海结构和系统的设计和施工上成功经验。挪威船级社海洋标准可以独立使用，也可作为挪威船级社海洋工程分类和认证服务的基本要求。DNV-RP-C205对海洋结构物设计中需要考虑的环境状况和环境荷载进行了最为详细的论述，文中指出海洋结构物所受到的最主要荷载包括风、浪、流、潮汐，同时也强调在某些特殊情况下，海冰、地震、海床条件、温度、结垢、能见度成为设计中考虑的重要因素。DNV-OS-F201是关于海洋立管动力分析的技术标准规范，指出对于立管的动力设计主要包括波、流以及浮体运动。DNV-OS-F101对水下管线系统设计中需考虑的因素、设计前提和文件、载荷及相关设计判别标准等进行了详细论述；在SEC.3章C节环境条和SEC.4章C节环境载荷对需要考虑的环境条件风、潮汐、波浪、海流、海冰、空气和海水温度、附着微生物及其引起的载荷进行了说明。

1.3 各规范相关内容分析

从以上提及的各个规范或操作规程中可以看出，在进行立管设计时需要考虑的环境条件虽然各有差异，但归纳起来主要有风、浪、流、潮汐、浮体运动以及海冰、地震、海床条件、温度、附着微生物等，然而在这些环境条件中都未考虑内波的影响。需要指出的是，DNV-OS-F101中SEC.3章C节201条指出能够削弱立管系统功能或者降低立管可靠性和安全性的环境现象都应该给予考虑，虽然有提及内波及其他由于水密度差异引起的效应，但并未对该环境现象及其对引起的立管载荷进行论述。APIRP2RD中4.2.2.2条“流(Current)”中对由内波(Internal wave)引起的海流亦有提及，但同样没有关于内波的进一步阐述。

DNV-RP-C205指出那些能够对结构引起强度破坏、影响操作或者干扰航行的自然现象都应该进行考虑。同时也强调在特殊情况下，某些现象如海冰、地震、海床条件、温度、结垢、能见度可能成为设计中考虑的重要因素。那么内波同样可能成为必不可少的考虑因素之一，然而这些并没有包含在该推荐规程中。

当前国外规范中之所以未对内波引起足够重视，主要原因在于当前世界主要海洋石油产区墨西哥湾、巴西海域和西非海域内波很少发生。然而中国南海海域广阔、海底地形复杂，水深较深，海面和海底存在温差，密跃层和温跃层常年存在，海水稳定均匀层化，当有内潮波经过剧烈变化的地形时，就会形成内孤立波，中国南海北部海域内孤立波十分活跃，南海深水油气田开发必须考虑内波对海洋结构物的作用。

2 内波及其对立管的作用

2.1 内波

实际上海洋中海水密度在垂向上是连续分层的，当有扰动源存在时，不仅会产生表面模态的波浪，而且在流体的内部还会产生内波模态的水波。海洋内波可以同时向深海区和浅水区传播，在特殊地形下，内波会裂变产生大振幅内孤立波。内孤立波在传播过程中产生的扰动将会导致海水的强烈福聚和突发性的海流，上层海流速度可达2.5m/s，下层海流每达也可达1.5m/s，上下反向强烈海流对水中结构物引起巨大剪切力，将会对各种海洋结构物造成严重威胁。

中国南海内孤立波具有流速较强、振幅较大的特点。孙文俊和沈斌坚[6]描述了 “东方红2”号试验船漂航状态下的轨迹图(见图1)。2007年7月20日2∶45～3∶20, 一个强度很大的内孤立波自东向西传播, 3000t 的试验船在短短的20min内向西漂航1160m左右, 平均漂流速度达到近1m/s。

图1 漂航状态下内波经过时的轨迹图(单位:°)Fig.1 GPS track when internal wave passing by

立管贯穿于整个海洋水深范围内，因此不论其发生深度如何，必然经受包括内孤立波在内的内波作用。海洋内孤立波在其传播过程中会引起海水的强剪切流动，不仅会对海洋立管结构产生很大的冲击载荷，而且还会导致其产生大幅度的运动，当内波引起立管的这种大变形效应与海流引起的立管大变形效应叠加等耦合现象时，很可能会引发立管的突然断裂等灾难性事故，对立管的安全和正常运行造成直接的破坏作用。下文将主要针对内孤立波对深水顶张力立管的作用展开分析。

2.2 内孤立波作用力数值模拟

在大多数情况下，海洋中海水密度的垂向分布可以近似认为是两层结构，即水体由密度不同的两层构成，两层之间的密度跃层厚度很小从而可以忽略。这种近似虽然简单，但却是一般中、低纬度浅海区域春夏秋三季层化状况的粗略近似[7]。本文采用两层密度分布模型来模拟内孤立波，假定上层海水密度和深度分别为ρ1和h1，下层海水密度和深度分别为ρ2和h2，水深h=h1+h2，内孤立波振幅为η0(见图2)，设定未扰动的两层流体界面处为OXY平面，坐标原点在两层流体界面处，内孤立波沿OX轴正向传播。

图2 内孤立波及其参数定义Fig.2 Schematic of internal solitary wave and its parameters

在大多数情况下, 内孤立波的波长远大于立管的直径,于是对于模态数较低的内孤立波，其特征波长L较大,使得D/L≤0.15 能够满足，可以采用Morison公式模拟内孤立波对立管的作用，如下式所示。

(1)

3 内孤立波作用下顶张力立管动力响应分析

3.1 立管运动方程

假定顶张力立管在初始位置时垂直，以立管未变形的位形为Z轴，向上为正，取立管底部为坐标原点，X轴水平向右为正，Y轴垂直纸面向里为正。仅考虑立管受内孤立波来流向的荷载，因而立管的变形和内孤立波引起的流速都在XOZ平面发生。同时假定管内流体以恒定速度V流动，内孤立波沿OX轴正向传播。立管运动方程可写为如下形式[8-9]：

(2)

其中：mr,mi和ma分别为单位长度立管质量,内部流体质量,外部流体附加质量；C为结构阻尼；C′为水动力阻尼，C′=ρeCDDu，u为周围流体的速度(这其中包括了波浪、内孤立波引起的水质点的运动速度以及海流速度)；Te为立管的有效张力；f′为流体作用力，

(3)

3.2 立管动力响应分析

本文以蔡树群等[10]1992年在南海北部一孤立子内波的实测资料为参数计算立管动力响应。具体参数如下：上层水深h1=60m，密度ρ1=1025kg/m3；下层水深h2=412m、密度ρ2=1028kg/m3，内孤立波振幅η0=75m，持续时间T=1100s。在计算的初始时刻，内孤立波波谷距立管轴线1250m。立管参数见表2。

表2 顶张力立管参数Table 2 Parameters of top tension riser

引入上述内孤立波和立管参数，编制Matlab程序计算南海实测内孤立波作用下顶张力立管的动力响应。图3是顶张力立管3个不同节点位置(分别为上层流体中点、两层交界面和下层流体中点)的顺流向位移时程图，水平坐标为时间，纵坐标为相对立管位移值。从图中可以看出，立管的顺流向位移在波谷到达之前，随着内孤立波速度的增大而逐渐增大；当内孤立波波谷传播至立管处时 (即T/2)，立管全长位移达到最大；之后由于内孤立波作用的逐渐减小，内孤立波引起的上下层流速均逐渐减小，立管的位移也逐渐减小，直至最后回到静力平衡的位形。在此内孤立波作用时间内，内孤立波作用像是一个缓慢但巨大的冲击力，会引起立管较大的位移，从而对立管安全造成很大的威胁。

图4为立管在3个不同深度处节点上的应力时程图，可以看到在内孤立波经过时，立管的应力发生明显波动。上层流速范围内立管应力比下层流速范围内立管应力大。当内孤立波波谷经过立管时，在深度32m处出现了全长的最大应力121.6MPa。立管位移最大和应力最大并未出现在同一深度处。

图3 不同深度节点处的位移时程图

表3 计算了振幅从45～85m的内孤立波作用下立管的最大位移和应力，从表中可以发现，内孤立波的振幅对立管的响应有显著影响，大振幅内孤立波作用下立管会产生较大的位移响应和应力幅值，这将会对立管的在位安全运行产生严重威胁。

图4 不同深度节点处的应力时程图

表3 不同振幅下立管最大位移和应力Table 3 Max displacement and stress for different amplitude of internal solitary wave

4 结语

从当前API、ABS和DNV各个规范或操作规程中对立管的相关规定内容可以看出，都未对内波现象及其对立管的作用引起足够重视。本文通过对内孤立波作用下深水顶张力立管的动力响应分析，可以看出顶张力立管在内孤立波经过时，相对较薄层流体部分的顺流向位移和应力明显大于较厚层流体部分的位移和应力。立管邻近两层流体的交界面处发生最大顺流向位移，发生剪切破坏的可能性较大。因此内波尤其是内孤立波对立管的作用不可忽视，建议中国在引用API、ABS和DNV相关规范在对立管进行设计时要充分考虑内波尤其是内孤立波的影响。

[1] American Petroleum Institute. API RP 2RD. Design of Risers for Floating Production Systems (FPSs) and Tension-Leg Platforms (TLPs) [S]. American：American Petroleum Institute, 2006.

[2] American Bureau of Shipping. Guide For Building and Classing Subsea Riser System [S]. American：American Bureau of Shipping, 2008.

[3] Det Norske Veritas. Recommended Practice DNV-RP-C205, Environmental Conditions and Environmental Loads [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2010.

[4] Det Norske Veritas. Offshore Standard DNV-OS-F201, Dynamic Riser [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2010.

[5] Det Norske Veritas. Offshore Standard DNV-OS-F101, Submarine Pipeline Systems [S]. Norway：Det Norske Veritas, 2012.

[6] 孙文俊, 沈斌坚.海洋内波ADCP 监测技术研究 [J]. 热带海洋学报, 2010, 29(4): 170-173.

[7] 方欣华, 杜涛. 海洋内波基础和中国海内波 [M]. 青岛： 中国海洋大学出版社, 2005.

[8] Guo Haiyan, Li Xiaomin, Liu Xiaochun. Numerical prediction of vortex induced vibrations on top tensioned riser in consideration of internal flow [J]. China Ocean Engineering, 2008,22(4): 675-682.

[9] 张莉, 郭海燕, 李效民.南海内孤立波作用下顶张力立管极值响应研究 [J].振动与冲击, 2013, 32(10): 100-104.

[10] 蔡树群, 甘子钧, 龙小敏.南海北部孤立子内波的一些特征和演变 [J].科学通报, 2001, 46(15): 245-250.

责任编辑 陈呈超

Analysis and Discussion on the Effect of Internal Wave in the Design Standard of Marine Risers

LI Xiao-Min1, CUI Peng1, ZHANG Li2, GUO Hai-Yan1

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2. College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

The design, construction and installation of marine risers must be based on related specifications. While there are no related specifications in China at present and mainly reference for foreign standards. The related codes and industrial standards in the design and installation of marine risers are introduced and the environmental conditions and environmental loads related to deep-sea riser in the code of API, ABS and DNV are introduced. Then the attentive focus is put on the internal wave phenomenon commonly exist in South China Sea and the effect of internal wave especially the internal solitary wave on the top tension riser (TTR) is analyzed. The results indicate that the internal solitary wave may cause extreme response on the riser and should be considered in the design. Finally, the recommended suggestions are proposed when we introduce the codes of API, ABS and DNV and provide reference for the design of deep-sea riser.

riser code; internal wave; top tension riser (TTR); extreme response

国家高技术研究发展计划项目(2010AA09Z303)；山东省优秀中青年科学家奖励基金项目(BS2013HZ014)；青年教师科研专项基金项目(201313020)；国家自然科学基金项目(51279187)；中央高校基本科研费项目(201262005)资助

2013-10-14；

2014-06-25

李效民(1982-)，男，博士，讲师，研究方向：流固耦联振动。E-mail：lxm0318@ouc.edu.cn

P731.21

A

1672-5174(2015)02-121-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20130263