CN1052775C - 挠性/刚性上升管及其安装方法 - Google Patents

挠性/刚性上升管及其安装方法 Download PDF

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Abstract

提供一种将海中水下的一部位连接于一海洋平台或船舶的连续弯曲的挠性/刚性上升管系统。这种上升管系统包括一个以其上端连接于平台或船舶的第一刚性管段。多个中间管段通过多个挠性联接器依次头尾相接并串连于第一刚性管段。各串连的中间管段的最后一个的下端连接于海底部位。由于允许各管段之间有角位移，这种挠性/刚性上升管系统可以降低沿上升管传递的弯曲应力。

Description

挠性/刚性上升管及其安装方法
本发明总地是关于上升管系统，更具体地说，是关于用来把水下的钻井或储存部位连接于浮在水面的船舶的上升管系统。
水下石油和天然气开采作业的出现提出了大量的技术难题，这些难题已经不同程度地解决了。一个尚待改进的问题是在水下的井头或称井口盘和海面的工作或称生产平台之间提供连接管线。这种管线是作为把设备送到和移出水下部位的通路，也用于在钻井作业以及随后的生产或维护期间向水下部位输送或从其输出各种流体。由于要在水下部位和水面平台之间输送大量的材料，所以这些连接管线或本技术领域所说的“上升管”往往非常大、非常重、而且相当长。由于上升管实际上是水下作业的生命线，所以其完整性和可靠性是海上钻采装置的成功和获利与否的关键。
上升管系统的主要难题是它的弯曲，其部分地是由上升管的重量引起的，但主要还是由水面的平台或船舶相对于海底的运动引起的。通过上升管与水下部位连接的水面结构物一般至少有某种程度的相对于水下部位运动的自由度。这种运动往往是由潮汐、海流、水位升高、波浪、风、以及热效应等因素引起的。而且，现代的深水海洋工程装置都是采用浮在水面的结构物，它们通过在水下井口盘某一距离处的多个锚和系泊缆索系泊于海底。也可以用多个推力器来保持水面平台或船舶相对于海底的位置。但是，就是在采用锚泊和动力定位技术的情况下，浮在水面的结构物仍表现出其运动幅度比固定式钻井和生产平台的大。在水深超过约300米的情况下，需要顺从性的浮动平台，而这样，平台或船舶会在海面上运动并使上升管弯曲，从而需要海底和平台之间的上升管管道连接有一定的挠性。此外，即使是在海水相对较浅的情况下，重型的上升管也可能承受相当大的弯曲应力，这种应力可能对上升管系统的完好性造成危险。
上升管的典型敷设方式是或者从水面平台以直的各管段直接向下敷设至海底，或者以一种弯曲的悬链线的形状敷设至海底，在后一种形状下，上升管形成一个由其尺寸、刚性、以及长度确定的自然弯曲半径。直的上升管一般在各管段的上端和/或下端采用挠性接头。这种上升管的缺点是需要有上升管张力器系统来支承管柱的重量，以防止塌弯。在悬链线形状下，上升管本身的重量为从水面平台或船舶向下的各垂直的或近乎垂直的各管段提供张力。随着上升管接近海底，它因在自身重量和施加在其上的载荷的作用下的自然下垂趋势而呈现一种连续的弯曲状态。在水比较深、水面平台或船舶定位于至海底系结点一定距离处的情况下，悬链线形状的上升管尤其有用。但是，由于尺寸较大的管子有较大的弯曲半径，在其用作上升管时，由悬链线形状产生的弯曲应力将增大。这样，能以悬链线形状敷设的上升管的尺寸就受到弯曲半径和弯曲应力的限制
为了减轻上升管系统上的应力作用，可以在上升管的至少一部分浸在水中的长度上附加一些浮力或压载器件。这类器件通常包括合成泡沫零件或单体的浮力柜或压载柜。这些柜可以制成在或者配置在上升管管段的外表面上，而且与泡沫零件不一样，这些柜可以有选择地用水来充入压载或用浮在水面的船上的压缩空气设备充气而产生浮力。这些浮力器具对上升管产生直指向上的力，从而能对由上升管的重量产生的应力起一定的补偿作用。但是，经验表明，这种浮力器具的补偿作用一般不能阻止上升管的损坏。
现已提出几种限制上升管系统中的弯曲应力的办法。一种办法包括采用挠性软管或导管。在上升管的上端即其接入平台的地方，或在其下端即其连接于井头或井口盘的地方，或在其上下两端，可以将这类挠性导管与弯曲加强件或应力接头一起使用。由于这类导管有相对较大的弯曲自由，其几乎不会把弯曲应力传递给导管壁，所以，用这一办法可使上升管系统在某种程度上免受结构弯曲应力的不利作用。但是，采用挠性导管有几个缺点。首先，挠性导管很昂贵。其次，与金属管子相比，这种挠性导管由于其结构和制造材料而更易于损坏。最后，挠性导管用在上升管系统中的可靠性和使用寿命迄今尚未得到证实。尽管弯曲加强件一般能延长挠性导管的使用寿命，但是其会使整个上升管系统的成本明显增加。
另一种解决办法是采用刚性管段，将其端头对端头地焊接起来，以形成连续的上升管。尽管“刚性管”这一术语似乎意味着缺乏挠性，但是实际上，即使是很大的重型管子也允许有一定的弯曲而不会破坏，所以，沿着用在一典型的上升管系统中的管子的全长，常常可能有相当大的弯曲度。刚性管的上升管往往在其上端和/或下端装有挠性连接器。这种挠性连接器用于把上升管接入水面平台的管系或海底的井口盘，而且一般能允许上升管的管子相对于连接点有几度旋转。尽管这一办法有成本比挠性导管低的优点，但是构成上升管的管子对由平台或船舶的运动引起的弯曲应力更加敏感。此外，如上所述，在以悬链线形状敷设中，用在上升管中的管子的尺寸是受到限制的。
虽然在现有技术中一般已经公认应以最大限度地减少浸在水中的管线的弯曲应力为目标，但是迄今没有提出一种能应用于上升管系统的令人满意的解决办法。
本发明的目的是提供一种挠性/刚性上升管，它能最大限度地减少浸在水中的管线的弯曲应力。
本发明的另一目的是提供一种挠性/刚性上升管系统，它能最大限度地减少浸在水中的管线的弯曲应力。
本发明的还有一个目的是提供一种挠性/刚性上升管安装方法，它能最大限度地减少浸在水中的管线的弯曲应力。
按照本发明的一个方面，提供一种将一海洋平台连接于海底一水下部位的上升管，所述上升管包括：
一根有一第一端部和一第二端部的第一管段，所述第一端部是用于连接于所述海洋平台；
一个有一第一端部和一第二端部的挠性联接器，所述挠性联接器的所述第一端部是用于密封地连接于所述第一管段的所述第二端部；
一根有一第一端部和一第二端部的第二管段，所述挠性联接器的所述第二端部密封地连接于所述第二管段的所述第一端部，所述第二管段的所述第二端部可操作地连接于所述水下部位；
此外，它进一步包括：
一个定位在沿所述上升管的一给定位置的、用以将所述上升管抬升成改型悬链线形状的浮力器件；
一根与所述浮力器件连接的刚性中间管段，所述中间管段通过所述挠性联接器串联地连接于所述上升管的一管段；以及
一个连接于所述上升管和海底的、用以限制所述上升管的运动的张力部件。
按照本发明的另一方面，提供一种将一海洋平台连接于多个在海底的水下部位的挠性/刚性上升管系统，所述系统包括多条如上所述的上升管，其中，所述最后管段的所述第二端部连接于其对应的水下部位。此外，还可包括多个沿着所述多条上升管固定在每两条相邻的上升管之间的隔离件，用以使所述多条上升管保持基本上平行并保持其间距。
按照本发明的还有一个方面，提供一种将一海洋平台连接于海底的一水下部位、借以敷设一条上升管的方法。其中，所述上升管包括：一根有一第一端部和一第二端部的第一管段，所述第一端部适合连接于一海洋平台；一根有一第一端部和一第二端部的最后管段，所述最后管段的所述第二端部适合连接于所述水下部位；至少一个中间管段；以及多个挠性联接器，每一所述挠性联接器连接在所述上升管的相邻两管段之间，用以将所述各管段密封地串联起来。而所述方法包括以下步骤：
将所述第一管段的所述第一端部和所述最后管段的所述第二端部用封帽封堵起来；
用空气给所述上升管内部加压；
将所述上升管放置成基本上水平的状态，使所述第一管段的所述第一端部邻近所述平台，以及使所述最后管段的所述第二端部基本上躺在所述水下部位的上方；
将所述第一管段的所述第一端部连接于所述平台；
对所述上升管注水；
将所述上升管下放并引导向海底；以及
将所述最后管段的所述第二端部连接于所述水下部位。
本发明的优点是，利用上述上升管、上升管系统或上升管安装方法可能最大限度地减少浸在水中的管线的弯曲应力。
从下面结合附图的详细叙述中可达到对本发明的全面理解。各附图中相同的零件标以相同的标号，其中：
图1是本发明的敷设成第一种典型的安装形状的上升管系统的示意侧视图；
图2是本发明的敷设成第二种典型的安装形状的上升管系统的示意侧视图，其表示出了沿上升管定位的各浮力器件的第一种最佳布置方式；
图3是本发明的上升管的一部分的示意侧视图，其表示出了在图2所示的布置方式中浮力器件的安装位置；
图4是本发明的上升管系统的示意透视图，其安装形状与图2所示的相同，表示出了沿上升管定位的浮力器件的第二种最佳布置方式；
图5是本发明的上升管系统的示意透视图，其安装形状与图2所示的相同，表示出了沿上升管定位的浮力器件的第三种最佳布置方式；
图6是图5所示的浮力器件的示意侧视图；
图7是表示将上升管连接于海洋平台的一种典型结构的示意侧视图；
图8是用在本发明的上升管系统中的一种典型的挠性联接器的部分剖视图；
图9、10和11是说明安装本发明的上升管的一种最佳方法的连续的几个阶段的示意侧视图。
尽管只是以附图中的例子示出了本发明的几个具体实施例，并将在下面予以详细叙述，但是本发明可以做出多种不同的变型和其它可能的形式。所以，应该理解，本发明不能被认为只限于所揭示的几种具体形式，而是包括不超出所附权利要求所限定的本发明之精神和范围的全部变型、等同构造和其它可能的方案。
现在来看各附图并先参见图1。我们来描述以标号10表示的以第一种安装形状敷设的上升管系统。众所周知，图1所示的形状是一种悬链线形状。在这一形状中，上升管12自身的重量一般足以维持上升管12的张力，而且由于上升管12向海底自然下垂而形成一种大致连续的弯曲。如图1所示，上升管12有一个连接于海洋平台16的上端14。这样的平台是典型的钻井或生产平台，并且应该理解，这一平台可以是固定式平台或浮动式平台或是定位于近海的船舶。这种浮在水面的平台是很常用的，尤其是在深水作业中，而且常常称为张力腿平台(TLP)。平台16升高至海洋表面18以上并且是由固定装置22固定于海底20。在这种固定式平台的情况下，这些固定装置典型地是刚性支撑腿，而在浮在水面的平台和船舶的情况下，是张力构件，例如系泊缆索和锚缆。
可以理解，按各图所示敷设的上升管12可能会由于平台16在海洋表面18上的运动或由于海水的运动而改变其相对于平台16的方位。典型地，平台16相对于上升管12的运动可以绕着和沿着平台16的全部三个轴即图4中的字母X、Y、Z所示的各轴产生，包括：偏转运动(平台16绕垂直轴Y的扭摆运动)、升沉运动(平台16沿Y轴的上升和下降运动)、横摇运动(平台16绕着大致与上升管12在一条线上的X轴的扭摆运动)、远近运动(平台16沿着大致与上升管12在一条线上的X轴，向着和离开上升管12的运动)、纵摇(平台16绕大致垂直于上升管12的Z轴的扭摆运动)、横摆运动(平台16大致沿着Z轴、且相切或垂直于上升管12的来回运动)。当然，在任一时刻都可能有任意一种或全部这些形式的运动产生。上挠性联接器24邻接于上升管12的上端14，并将上升管12固定于平台16。正如下面将详细叙述的那样，上升管12典型地是以一预定的相对于平台16的垂直方向的角度连接于平台16，并且当平台16相对于海底20运动时上升管12可在上挠性联接器24中自由摆动，上挠性联接器24允许上升管12相对于平台16有相当大的摆动自由度，以便部分地补偿平台的这种运动。上挠性联接器24最好允许上升管12从其连接于平台16时与之所成的那一角度向任一方向转动15度或更大一些。
如图2所示，上升管12的下端26连接于一个以标号27表示的海底部位。这一海底部位27一般是一个井头或井口盘，但也可以是水下管线的端点。用于将上升管12连接于海底部位27的装置一般与这一领域中现在已知的用于将刚性或挠性上升管连接于井口盘或井头的装置相同，而且可以包括类似于上挠性联接器24的联接器。
在其上端14和下端26之间呈如图1、2和4所示的连续弯曲形状的上升管12包括邻接于上端14的上管段28以及多个以挠性联接器32互相连接并连接于上管段28的中间管段30。根据上升管12的长度和管径，上管段28可以呈如图1和4所描绘的大致垂直的取向，或者，从平台16向下弯曲到某一程度，这对于已知的刚性管上升管是典型的。如已指出，这一向下的角度常常由于平台16相对于海底20的运动而有某种程度的变化。上管段28和各中间管段30最好是刚性管上升管中现行使用的类型和等级的刚性管段。一种典型的等级是API5L，X-65级，其屈服强度是463Ncm-2(65千磅每平方英寸)。挠性联接器32的结构将在下文作比较详细的叙述，但这里先略提一下，其型式与上挠性联接器24的型式大致类似。挠性联接器32允许一个管段30相对于与之相连接的另一管段30摆动，而且最好允许相连两管段30之间的角度在各方向上的变化至少为12度。而且，挠性联接器32能保持上升管12的内部压力和传递沿上升管系统10的轴向张力。
上升管系统10的一个重要方面是沿上升管12的挠性联接器32的数量、布置位置和刚度，以及对应的中间管段30的数量和长度。这一问题下文将详细讨论。虽然各附图所描绘的上升管12有大致均匀布置的挠性联接器32，但是在一具体的应用场合，这可能不是最佳的布置。用于一个特定海洋工程装置的上升管系统10的设计最好包括上管段28长度的技术规格，挠性联接器32的个数，中间管段30的长度以及挠性联接器32的刚性。虽然任一上升管设计方法的目的都是通过考虑指定的设计参数将传递到管段28和30的弯曲应力降低到所用管子的材料的限制值以下，但是弯曲应力还可以进一步降低，上升管系统设计还可以进一步最佳化。管子的材料限制是用在材料强度领域早已建立得很好的分级技术来确定并且一般取决于所用材料的性能、受载材料的几何尺寸、以及施加的载荷的类型、幅值和取向。尽管具体的装置对上升管12的挠性联接器的个数、布置位置和刚度方面有不同的技术要求，但是应该记住，这里所述的上升管12的设计原则和一般结构在所有各种情况中都是基本上相同的。
将上升管12敷设成悬链线的形状当然最好，但是如图2、4和5所示的改型悬链线形状用于建立上述的连续弯曲可能更为有利。这种形状有时称为“缓S”形并且是用沿上升管12的一部分定位的浮力器件42、52、62来达到。浮力器件将上升管从海底提升到浮力器件施加的浮力与上升管的重量达到平衡的程度。这一方法能有效地减小管子上的由其自身重量产生的应力并且能随着上升管12接近海底而增大其弯曲半径。改型悬链线形状的一个优点是能避免上升管12作响应平台16的运动的运动。在这一形状下，由于由平台16的运动和海流引起的加载条件的变化，上升管12的浮动部分有一定的移近和退离平台16的自由。
图2描绘了敷设成连续弯曲的改型悬链线形状的上升管系统10，是敷设成第一种最佳的布置。如图2所示，上升管12的上管段28从平台16向下并连接于若干个依次连接的中间管段30。如同上述，上管段28和各中间管段30通过挠性联接器32依次头尾相接。沿着上升管12的、在图2中以标号40表示的那一部分设置的浮力器件42将上升管12从海底20抬起。浮力器件42最好是合成泡沫器件或者是常常用于已知的刚性和挠性上升管的那种单体式浮力柜。如图3所示，浮力器件42沿标号40所指那一部分上升管内的管段30设置并且是设置在每两个挠性联接器32之间。
浮力器件42对标号40所指的那部分上升管12施加向上的力，因而将这部分上升管12从海底20向上抬起。浮力器件42的数量和尺度应根据能提供足以将上升管12提升起来的浮力来选择，其选择方式与一般规定用于刚性或挠性上升管的类似浮力器件的选择方式相同。应该理解，在上升管12处于其最大重量状态时，即，其中通过的物料为最重时，由浮力器件42作用于上升管12的浮力应足以将上升管12抬起。这样就能保证上升管12保持如图2所示的改型悬链线形状。
为了限制上升管12在其重量小于与浮力器件42构成平衡所需的重量时的最高升起位置，在上升管12和海底20之间连接一个张力部件46。可以用本技术领域内的熟练人员都知道的任一种装置，例如像图3所示的那样，用一个环形接头48套在管段30或挠性联接器32上来把张力部件46连接于上升管12。再以任一种适当的锚定或系缆方法将张力部件46在一个锚定点处固定于海底。
将上升管12敷设成改型悬链线形状的第二种可取布置如图4所示。这种布置的工作原理与上面参照图2所阐述的那种布置相同。但是，图4中描述的布置采用一单个浮力器件52设置在沿上升管的一给定位置50处。浮力器件52最好是圆柱状的或圆桶状的，并连接有张力部件56，如图4所示。上升管12最好在给定位置50处固定于浮力器件52，以防止上升管12从浮力器件52上滑落。这种固定可以用任一适当的结构措施来实现，例如用金属带或金属圈绕套住上升管12。张力部件56用与前面针对第一种布置叙述的相同的方法在锚定点54处固定于海底。可以理解，在这种布置中以一单个浮力器件52取代了上述第一种布置中的许多浮力器件42的综合作用，单一的浮力器件52提供了足以将上升管12从海底20抬起的浮力，在给定位置50的两侧，上升管12呈自然下垂的悬链线形状。
使上升管12达到改型悬链线形状的第三种可取布置示于图5。这种布置发挥作用的方式大致与上述两种布置相同，而且基本上类似于图4所示的第二种布置，这里是在沿上升管12的一给定位置60处设置了一单个浮力器件62。但是，图5所示的第三种可取布置是采用一个刚性地固定于一刚性管段67或者说是与之做成一体的浮力器件62，如图6所示。
如图6所示，浮力器件62定位于刚性管段67以下并且是在其制造或装配过程中与刚性管段67成为一整体。与上述一样，浮力器件62提供将上升管12从海底抬起的浮力，而刚性管段67支承着大体上集中在上升管12的位于浮力器件62的正上方的那一区段的浮力载荷。刚性管段67最好做成绕浮力器件62弯曲的，即其两端68和69向斜方、面对海底20弯曲。刚性管段67的弯曲角最好对应于上升管12在像图5所示那样敷设时将呈现的自然下垂悬链线的连续弯曲。本技术领域的熟练人员将会理解，这一弯曲角可以根据具体的钻采装置的参数而改变，并且一般可以用上升管计算机仿真程序来估算，这一点下面还将详细讨论。刚性管段67的端头68和69连接于挠性联接器32，而挠性联接器32又连接于中间管段30。所以，刚性管段67构成上升管系统10的一个组成部分。
上升管12最好如图7所示的那样连接于平台16。如上所述，上升管12的上管段28以一个预定的相对于平台16的垂直方向的角度连接于平台16。上管段28的上端14最好穿过一固定于平台16的且与上升管12大致成一直线的强固的刚性门柱70。门柱的顶面最好垂直于上升管12的上管段28，以便挠性联接器24能平稳地支承在门柱70上。一个接入管段72连接于挠性联接器24，并将上升管系统10连接于平台上的设备(未示)。如上所述，挠性联接器24允许上升管12响应平台16相对于海底20的运动，从其预定的连接角度向所有各方向摆动。
现有来看图8所示的挠性联接器32的结构。每一挠性联接器32包括一个由一中央套筒81和上、下法兰82和83组成的外体80。在图8示出的装配状态的联接器32中，上、下法兰82和83通过多个螺栓和螺母89连接于中央套筒81。上、下法兰82和83使得挠性联接器的装配容易了，这将从下面的叙述看得非常明显，而且上、下法兰82和83可用于固定环状接口件84和85的位置。环状接口件84和85可以有一个三角形或梯形的横截面，在装配状态的联接器32中，环状接口件84和85在联接器32的轴向靠在上、下法兰82和83上，而在径向靠在中央套筒81上。环状球面轴承86和87定位并邻接于环状接口件84和85，并接触管段30的扩口端90和91。管段30的端头90和91是球面地扩口的，以适应与球面轴承86和87的连续转动接触。各管段30的扩口端90和91之间装有一过渡环88。过渡环88用于减小在邻近管段30的扩口端90和91处装配好的联接器32的内径，这样可使流体或设备容易运动通过联接器32。
环状球面轴承86和87是本技术领域内一般都了解的那种型式，并且是由弹性材料制成的，还结合有金属的填隙片。球面轴承86和87的厚度、连同中央套筒81和环状接口件84和85的几何形状决定着在将联接器32装到管段30的端头90和91上的过程中的预加载荷或者说是球面轴承86和87的预压缩量。由于挠性联接器32的刚度也是球面轴承86和87内的弹性材料的弹性系数或称可压缩性的函数，所以联接器32的刚度可以通过采用具有预定弹性材料弹簧系数的球面轴承86和87来选择或通过采用具有预定几何形状或成份的球面轴承86和87来选择。
因此，将会注意到，在本发明的上升管系统10中，由挠性联接器32代表的接头或称节点的刚度可以通过恰当地选择球面轴承86和87来选择性地确定。传递给上升管12中的管段30的弯曲力矩一般将随着由挠性联接器32形成的节点的刚度的增大而增大。此外，应用在一具体场合中的各挠性联接器32不仅不必具有完全相同的刚度特性，而且还可以选择，以致可以通过选择性地控制传递到管段30的弯曲力矩进而弯曲应力来优化上升管系统10的性能。
为装配联接器32，将法兰82和83、接口件84和85、以及球面轴承86和87套装到靠近扩口端头90和91的管段30上。然后把管段30的扩口端头90，91对合在中央套筒81内并位于过渡环88的两侧，通过拧紧螺栓使法兰82，83到位，并使接口件84，85和球面轴承86，87都正确地在中央套筒内就位，这样就把联接器32装配起来了。对螺栓89要施加恰当的扭矩，以确保球面轴承86，87达到恰当的压缩量。装配好的联接器32允许连接起来的各管段30产生相互间的角位移，且在位移时保持预先确定的刚度，同时又能提供流体密封，既能阻止海水进入联接器32内，又能阻止上升管内输送的任何流体通过联接器漏向海水。
将能注意到，如图4和5所示，本发明的上升管系统10可以包括多条平行排列的上升管12。在这种情况下，每一条上升管12将分别向下连接至海底20上的一点27(未示)以及向上升至平台16。每一条上升管12的构造都与上述的完全相同。在有几条上升管12平行设置的情况下，最好将各条上升管横向地连系起来，以便保持各条上升管12之间有均等的间距。为避免各条上升管12之间的干扰和接触以及为适应对单一浮力器件52的固定或者对类似于器件62但有多根构成一体的如上所述的刚性管段67的改型单一浮力器件的连接，把各条上升管12横向连系起来固定其间距尤为有用。在将各上升管横向地连系在一起时最好在每两条之间固定连接一个隔离件(未示)，以使其间距保持恒定。这种隔离件可以用弹性材料制成，或者由金属或合成材料的刚性主体和弹性材料的缓冲元件组合而成。
前已指出，本发明的上升管系统10的一个重要方面在于可以选择挠性联接器32的数目、布置位置和刚度、以及中间管段30的对应数目和长度。这一选择最好是用一个上升管计算机仿真程序来进行。已知的上升管仿真程序一般都能在一个具体的上升管建造之前建立其性能、安装形状和载荷模型。输入参数典型地包括上升管的长度、平台和上升管所在之处的水深、构成上升管的各种材料的性能、以及有关载荷条件的大量输入数据，主要是在预料的或最坏的海况下平台16相对于海底20和上升管12的运动。由仿真程序产生的数据包括在给定条件下的载荷和应力等。然后可将这些数据与为上升管选择的材料的许用极限相比较，如有必要，为了保证预期载荷和应力都在材料的许用极限以下，可以修改上升管的技术要求。一个在市场上可以买到的这种计算机仿真程序名为Flexriser4PC，由轮敦的ZentechInternational公司销售。
为确定本发明的上升管系统10的挠性联接器32的数目、布置位置和刚度，最好用一个上升管计算机仿真程序。由ZentechInternational公司提供的Fexriser4PC程序已经应用得非常令人满意。当然其他的程序也能给出类似的结果。尽管所用的上升管仿真程序是属于一般都了解的类型的，但是仿真进行的方式却不同于已知的上升管建模方式。对于已知的上升管，包括刚度和重量的材料特性一般被考虑为在上升管的整个长度内是常数。这一假设对于已知的用均一尺寸和重量的管段建造的刚性上升管是精确的。但是，在本发明的上升管系统10中，各挠性联接器32是作为沿着上升管12的长度的各独立的节点建立了模型。这些节点被赋与不同于挠性联接器32的上下两侧的管段28，30之特性的特性。
这类节点的一个重要特性是它们的刚度。因为挠性联接器32的刚度比同等长度的管段28和30的刚度低得多，预期的由挠性联接器32传递的弯曲力矩和弯曲应力也比常规刚性管上升管中同一位置上的管段传递的低。通过将这类节点的数目、布置位置和刚度的为种组合作各输入数据，可以通过降低预期的弯曲应力使上升管系统10最佳化，同时又能使上升管的费用为最小。应该理解，尽管通过采用挠性联接器可降低弯曲应力，但与只由管段构成的刚性管上升管的费用相比，每一挠性联接器都使上升管10的费用增高。所以，一般应将挠性联接器32的数目保持为可以接受的最小值，以优化上升管系统10的费用。
例子
为给出上升管系统10的一个例子，用由ZentechInternational公司提供的Flexriser4PC软件进行了仿真。对在305m(1000英尺)水深中用于输油的直径为254mm(10英寸)壁厚为13mm(0.5英寸)的生产/输出上升管建立了数学模型。令仿真的上升管系统承受波浪、海流和船的运动。这一仿真上升管系统的输入数据如下：
内径：254mm(10英寸)；
外径：279mm(11英寸)；
管子等级：API5L，X-65级或等同者，屈服强度为463Ncm-2(65千磅每平方英寸)；
上升管的长度：823m(2700英尺)；
管内设计压力：1406×103kgm-2(2000磅每平方英寸)；
形状：改型的悬链线(缓S形)(作为“静态形状”输入)
假设这一上升管有合成橡胶涂层或其他措施加以防腐蚀保护。假设这一上升管的上端连接于半潜式生产设施，而其下端假设连接于一条采油总管或直接连接于一条海底管线。假设有若干浮力柜固定在这一上升管的一段长度上，使其成为一个适当的改型悬链线形状(尽管其他的浮力配置也能给出类似的结果)。假设这一上升管在其使用寿命期间完全充满油，而且在将上升管内的油冲洗干净时管内充满水。
针对一定的极端条件对这一上升管进行了分析。
决定最后得出的设计的因素包括管内和管外压力、波浪参数、海流、以及船的运动。波浪状态是根据100年的波浪状态数据，预料其代表这一上升管在其全寿期内可能经历的最坏环境和运动条件。应用了类似于在墨西哥湾经历的那样的条件。
分析了四种情况，每种情况有不同的输入条件：
情况1：建立了“近的位置”、或者说是船与上升管最接近情况下的静态形状的数学模型，距离平均位置30.5m(100英尺)的近的位置用作程序所需要的船的偏移。这是用于建立初始形状。
情况2：建立了“远的位置”、或者说是船至上升管的距离为最大(负的接近)情况下的静态形状的数学模型，距离平均位置30.5m(100英尺)的远的位置用作程序所需要的船的偏移。这是用于确定上升管的最大强度。
情况3：对船在近的位置由100年统计数据的波浪和海流引起的周期性运动(波动、升沉和纵摇)进行了动态分析，船对上升管的接近/远离方向为0度(与上升管成一线)。采用了下列参数：
波高：4.9m(16英尺)，波浪周期16秒；
海流速度：海水表面处3.2m(7英尺)每秒(4.14节)，随深度变化而不同，按照NN(挪威船级社)的数据；
船的静态偏移：向上升管靠近30.5m(100英尺)，横向偏移为O
船的在波浪周期下的运动：
    波浪幅度：6.1m(20英尺)
    升沉幅度：4.9m(16英尺)
    纵摇幅度：5度
情况4：对船在远的位置由100年统计数据的波浪和海流引起的周期性运动(横摆、升沉和横摇)进行了动态分析，船对上升管的接近/远离方向是90度。采用了下列参数：
波高：18.3m(60英尺)，波浪周期16秒；
海流速度：在海水表面处1.6m(3.5英尺)每秒(2.07节)随海水深度变化而不同，按照NN的数据；
船的静态偏移：30.5m(100英尺)靠近，45.72m(150英尺)横偏；
船在波浪周期下的运动：
    横摆幅度：6.1m(20英尺)；
    升沉幅度：4.9m(16英尺)；
    横摇幅度：5度。
对动态分析，仅研究了近的位置的情况，因为一般预料，与远的位置相比，近的位置会使上升管产生更严重的弯曲力矩。
仿真的结果如下：
情况1：约122m(400英尺)长的上升管保持在海底上。上升管顶端的离船角从垂向算起为23°。上升管上的张力约为213.5kN(48千磅)。
情况2：保持改型悬链线形状(缓S形)。最高张力估计为231.3kN(52千磅)。
情况3：上升管向下触及海底那一点几乎不产生运动，这是所希望的。上升管上的最大张力约为280.2kN(63千磅)，而最小张力约为133.4kN(30千磅)。
进一步的仿真可以保证在船运动过程中上升管上没有任何一点承受压缩。上升管中的最大弯曲力矩是2.2kNm(155千磅一英尺)。发现了约为320Ncm-2(45千磅每平方英寸)的弯曲应力。发现总的纵向应力远低于X-65级钢的许用极限。仿真结果表明，上升管的角度变化保持集中在作为上升管中的各节点而建立了模型的挠性联接器处。各节点处的角位移不同。除设置在上升管的顶端用于连接于平台的挠性联接器之外，各挠性联接器的最大确位移约为9°。
情况4：由于船的漂移和横摆，上升管有相当大的横向运动。因为假设海流从横向作用于上升管，所以管段承受双轴向弯曲。与前几种情况相比，上升管触及海底的那一点无明显变动，这是因为改型悬链线形状使上升管具有了足够大的挠性，其足以容纳由自然下垂悬链线的伸展产生的大范围运动。上升管顶部的张力在178至267kN(40至60千磅)范围内。最大弯曲力矩约为1.9kNm(130千磅—英尺)。剪切力相对较小，可以忽略。
在所仿真的上升管系统10中发现挠性联接器32的数目以11个为好。从上端14向下，挠性联接器32沿上升管12的布置应置如下：
第一个联接器：      在290m(950英尺)处
第二个联接器：      在320m(1050英尺)处
第三个联接器：      在357m(1170英尺)处
第四个联接器：      在405m(1330英尺)处
第五个联接器：      在463m(1520英尺)处
第六个联接器：      在482m(1580英尺)处
第七个联接器：      在503m(1650英尺)处
第八个联接器：      在536m(1760英尺)处
第九个联接器：      在613m(2010英尺)处
第十个联接器：      在646m(2120英尺)处
第十一个联接器：    在680m(2230英尺)处
管段28，30的长度当然对应于各相继的挠性联接器32的布置距离之间的差值。挠性联接器32的刚度考虑为一致，都是27.1kj(千焦耳)(20,000英尺磅)每度。浮力器件建模为具有25Nm-1(0.185千磅每英尺)的净浮力。各浮力器件是沿上升管12的在第四个和第九个挠性联接器32之间的那一区段分布。已经发现，将上升管12的上端14连接于平台16所需要的上挠性联接器24的角度变化能力约15°。由内部压力和由重量、浮力、波浪、海流引起的力构成的综合应力表明上升管内的应力量值在X-65级钢的屈服强度以下。
上升管系统10可以用任一适当的方来装配和敷设，但是应优先采用以下两种方法。第一种应优先采用的装配和敷设方法包括用这一技术领域已知类型的铺管船在最终安装现场进行管段28，30和挠性联接器32的焊接和连接。在这一方法中，上升管12是在现场装配并采用与用于敷设刚性管上升管的技术类似的已知技术进行敷设。
在用于装配和敷设上升管10的第二种最佳方法中，是在船坞岸边进行上升管管段28，30的焊接以及把挠性联接器32连接到管段28，30上。然后将上升管12的两端用封帽封起来，管内以空气加压，在水上将上升管拖到安装地点，如有必要，可在上升管上套上类似于浮力器件42的附加浮力圈。
如图9所示，到达安装现场后，用工作艇100和101把上升管12定位于海面。第一个工作艇100使上升管12的上端14定位靠近平台16，同时第二个工作艇101使上升管12的下端26位于水下部位27的上方。如图10所示，然后将上升管12的上端14暂时地连接于平台16，但是先不要进行对平台管系的最终连接。在这一暂时连接完成后，第一工作艇100就移动到如图11所示的沿着上升管12的中间部位，并且两工作艇100和101分别用锚缆102和104以及导缆103和105锚定于海底的系定点44和27。然后向上升管12内注水并让它慢慢下沉，用导缆103和105将上升管12导向海底20。在上升管12下沉向系定点44和27的过程中，由工作艇100和101控制上升管12的定位。上升管12就位后，就可以进行其下端26对海底部位27的最终连接，以及其上端14对平台管系的最终连接。改型悬链线形状的连续弯曲在图9至11所示的例子中是通过连接一个如图2所示的且如上所述的张力部件46来达到。然后可以排干上升管12内的水并进行可工作性检验和试验。
在某种安装条件使得第二种装配和敷设方法成为不可行或不能符合要求的情况下，例如由于可能与从平台16延伸下来的锚缆或系泊缆(未示)发生干涉，可以选用更常规的铺管船来敷设。当然还应理解，上升管系统10也可以用本技术领域的熟练人员皆知的任何其他方法来装配和敷设。

Claims (16)

1.一种将一海洋平台(16)连接于海底(20)一水下部位的上升管(12)，所述上升管包括：
一根有一第一端部和一第二端部的第一管段(28)，所述第一端部是用于连接于所述海洋平台(16)；
一个有一第一端部和一第二端部的挠性联接器(32)，所述挠性联接器(32)的所述第一端部是用于密封地连接于所述第一管段(28)的所述第二端部；
一根有一第一端部和一第二端部的第二管段(30)，所述挠性联接器(32)的所述第二端部密封地连接于所述第二管段(30)的所述第一端部，所述第二管段(30)的所述第二端部可操作地连接于所述水下部位；
其特征在于，它进一步包括：
一个定位在沿所述上升管的一给定位置的、用以将所述上升管抬升成改型悬链线形状的浮力器件；
一根与所述浮力器件连接的刚性中间管段，所述中间管段通过所述挠性联接器串联地连接于所述上升管的一管段；以及
一个连接于所述上升管和海底的、用以限制所述上升管的运动的张力部件。
2.如权利要求1所述的上升管，其特征在于，所述挠性联接器(32)具有用预先确定刚度的弹性材料制成的球面轴承(86，87)，以便有选择地控制传递到所述各管段(28，30)的弯曲力矩。
3.如权利要求1所述的上升管，其特征在于，所述第一管段是通过一个挠性联接器(24)连接于所述海洋平台。
4.如权利要求1所述的上升管，其特征在于，
所述浮力器件是至少一个沿所述上升管的一部分定位的、用以将所述上升管的所述部分抬升成所述改型悬链线形状的浮力器件(42，52，62)；以及
所述张力部件是一个连接于所述上升管和海底的、用以限制所述上升管的运动的张力部件(46，56，66)。
5.如权利要求4所述的上升管，其特征在于，所述浮力器件是合成泡沫器件。
6.如权利要求4所述的上升管，其特征在于，所述浮力器件是单个浮力柜。
7.如权利要求4所述的上升管，其特征在于，一刚性管段(67)与所述浮力器件(62)构成一体，所述刚性管段(67)通过所述挠性联接器(32)串联地连接于所述第一管段和所述第二管段。
8.如权利要求1至7之一所述的上升管，其特征在于，
所述第二管段是一根有一第一端部和一第二端部的最后管段，所述最后管段的所述第二端连接于所述水下部位；
此外，所述上升管还包括：
至少一个中间管段；以及
多个挠性联接器(32)，每一所述挠性联接器连接在所述上升管的两相邻管段之间，以便把所述各管段密封地串连起来。
9.如权利要求8所述的上升管，其特征在于，每一所述的挠性联接器(32)都有各自的预先确定的刚度。
10.如权利要求8所述的上升管，其特征在于，所述多个挠性联接器(32)中至少一个挠性联接器的预先确定的刚度不同于所述多个挠性联接器中至少另一个挠性联接器的预先确定的刚度，所述各预先确定的刚度都是经选择以控制传递到所述各管段的弯曲力矩。
11.一种将一海洋平台连接于多个在海底的水下部位的挠性/刚性上升管系统，其特征在于，所述系统包括多条如权利要求8至10之一所述的上升管，其中，所述最后管段的所述第二端部连接于其对应的水下部位。
12.如权利要求11所述的上升管系统，其特征在于，它进一步包括多个沿着所述多条上升管固定在每两条相邻的上升管之间的隔离件，用以使所述多条上升管保持基本上平行并保持其间距。
13.一种将一海洋平台(16)连接于海底(20)的一水下部位、借以敷设一条上升管(12)的方法，所述上升管包括：
一根有一第一端部和一第二端部的第一管段，所述第一端部适合连接于一海洋平台；
一根有一第一端部和一第二端部的最后管段，所述最后管段的所述第二端部适合连接于所述水下部位；
至少一个中间管段；以及
多个挠性联接器，每一所述挠性联接器连接在所述上升管的相邻两管段之间，用以将所述各管段密封地串联起来；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将所述第一管段的所述第一端部和所述最后管段的所述第二端部用封帽封堵起来；
用空气给所述上升管内部加压；
将所述上升管放置成基本上水平的状态，使所述第一管段的所述第一端部邻近所述平台，以及使所述最后管段的所述第二端部基本上躺在所述水下部位的上方；
将所述第一管段的所述第一端部连接于所述平台；
对所述上升管注水；
将所述上升管下放并引导向海底；以及
将所述最后管段的所述第二端部连接于所述水下部位。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述上升管放置成基本水平的所述步骤包括用工作艇把所述上升管拖成基本上水平的状态。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，下放和引导所述上升管的所述步骤包括沿着几根连接于工作艇并锚定于海底的导缆引导所述上升管。
16.如权利要求13至15之一所述的方法，其特征在于，所述上升管进一步包括一连接于其上的浮力器件，而所述方法进一步包括将一个张力部件连接在所述上升管和海底之间的步骤。
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