多工况载荷作用下脐带缆终端承载能力计算研究_魏行超.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第8 期2023,23(8):03260-12科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:魏行超,刘统亮,刘伟杰,等.多工况载荷作用下脐带缆终端承载能力计算研究J.科学技术与工程,2023,23(8):3260-3271.Wei Xingchao,Liu Tongliang,Liu Weijie,et al.Structural capacity calculation of umbilical termination head under multi-loadJ.ScienceTechnology and Engineering,2023,23(8):3260-3271.多工况载荷作用下脐带缆终端承载能力计算研究魏行超1,刘统亮1,刘伟杰1,张晨2,戚蒿1,陈超1(1.中海石油(中国)有限公司海南分公司,海口 570300;2.海南大学管理学院,海口 570100)摘 要 脐带缆终端是水下脐带缆关键的硬件设备,其在深海环境承受载荷复杂恶劣,对连接系统的承载能力提出了更高的要求。以南海某气田使用深水脐带缆终端为研究对象,基于国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)和挪威船级社(Der Norske Veritas,DNV)相关标准,对脐带缆终端外结构部件按弹-塑性和纯弹性应力分析方法建立有限元模型并进行数值分析,得到其在生产工况下的轴向载荷能力、剪切载荷能力、弯矩能力和扭矩能力,并分析了不同吊装提升方式对深水脐带缆终端承载能力的影响。分析结果表明:正常生产工况下计算所得承载能力均满足相关标准评价指标;不同吊装提升方式对深水脐带缆终端承载能力影响不同;与两点提升吊装方案相比,四点提升吊装方案更不容易产生应力集中,满足安全强度要求。研究成果可为脐带缆终端设计和现场应用提供理论基础和技术参考。关键词 脐带缆终端;复杂载荷;承载能力;吊装提升;屈服强度中图法分类号 TE952;文献标志码 A收稿日期:2022-07-02;修订日期:2022-12-25基金项目:工业和信息化部高技术船舶与科研项目(MC-202030-H04);国家发展和改革委员会项目“陵水半潜式生产平台研究专项”(LSZX-2020-HN-05);国家发展和改革委员会科技攻关项目(CCL2020HNFN0183)第一作者:魏行超(1979),男,汉族,山东寿光人,硕士,高级工程师。研究方向:海洋石油天然气开发管理。E-mail:。通信作者:刘统亮(1997),男,汉族,江西九江人,硕士,助理工程师。研究方向:海洋石油天然气开发管理。E-mail:。Structural Capacity Calculation of Umbilical TerminationHead under Multi-loadWEI Xing-chao1,LIU Tong-liang1,LIU Wei-jie1,ZHANG Chen2,QI Hao1,CHEN Chao1(1.CNOOC China Limited,Hainan Branch,Haikou 570300,China;2.Management School,Hainan University,Haikou 570100,China)Abstract Umbilical terminal head is the key hardware equipment of underwater umbilical,which bears complex and harsh loads indeep sea environment,and puts forward higher requirements on the structural capacity of connection system.The deep water umbilicalterminal head used in a gas field in the South China Sea was taken as the research object.Based on International Organization forStandardization(ISO)and Der Norske Veritas(DNV)related standards,a finite element model was established for the outer structuralcomponents of the umbilical cable terminal according to the elastic-plastic and pure elastic stress analysis methods,and the numericalanalysis was carried out.The axial load capacity,shear load capacity,bending moment capacity and torque capacity under productionconditions were obtained,and the influence of different lifting methods on the bearing capacity of the deep water umbilical terminationhead was analyzed.The analysis results show that the bearing capacity calculated under normal production conditions all meet the rele-vant standard evaluation indicators.Different lifting methods have different effects on the bearing capacity of the deep water umbilicaltermination head.Compared with the two-point lifting scheme,the four-point lifting scheme is less prone to stress concentration andmeets the safety strength requirements.The research results can provide theoretical basis and technical reference for the design andfield engineering application of umbilical terminals head.Keywords umbilical terminal head;complex load;bearing capacity;lifting test;yield strength 水下生产系统是深水油气田和海上边际油气田开发的重要模式1-3,在深海环境中,脐带缆为水下生产系统提供液压、电力和化学药剂注入等,是水下控制系统的重要组成部分,被喻为连接海面设施和水下生产系统之间的“动脉”4。脐带缆终端作为水下脐带缆关键的硬件设备,除了将脐带缆中输送的电、液进行水下分配,还兼具水下设备的控制等功能。深海作业风险高、海洋环境复杂恶劣等一系列因素对脐带缆终端连接系统承载能力提出了更高的要求5。目前,中外学者针对脐带缆终端开展了相关研究。Dieumegard 等6对水下脐带缆及其终端的安投稿网址:装技术展开了探讨,分析了关键限制因素对水下脐带缆及其终端的影响。Clausing 等7以减少水下脐带缆终端着泥点为出发点,对脐带缆终端和脐带缆连接后的海上施工进行了新的分析。刘书胜等8对水下脐带缆终端设备进行了介绍,分析了脐带缆终端在舷侧立铺技术(TLS)方面的应用。侯静等9以荔湾 3-1 气田水下脐带缆及其终端为研究对象,运用 OrcaFlex 软件对关键部件进行建模,结合竖直铺设技术开展静力和动力学分析。郭宏等10基于石油和天然气工业 水下生产系统设计和操作 第五部分:水下脐带缆(ISO 13628-52006)标准要求,对脐带缆测试技术进行了详细的介绍并将其成功应用于文昌气田。魏会东等11依据荔湾项目对水下脐带缆终端设施进行研制,并对脐带缆终端关键技术进行了分析和总结。葛伟凤等12基于威尔分布模型,对水下生产系统关键设备的维修策略方法进行了优化,为海洋油气开发的降本增效提供了参考。目前,前人研究主要集中在脐带缆及其终端安装等方面,但对脐带缆终端单独进行分析较少,尤其是水下脐带缆终端承载能力方面,未见相关研究报道。基于此,在前人的研究基础上,以南海某气田现场使用深水脐带缆终端为研究对象,基于国际标准化组织(International Organization for Standardi-zation,ISO)和 挪 威 船 级 社(Der Norske Veritas,DNV)相关标准,对脐带缆终端外结构部件按弹-塑性和纯弹性应力分析方法建立有限元模型并进行数值分析,得到其在生产工况下的轴向载荷能力、剪切载荷能力、弯矩能力和扭矩能力,分析了不同吊装提升方式对深水脐带缆终端承载能力的影响。同时,通过弹塑性失效评估,验证深水脐带缆终端连接系统承载能力的安全可靠性,从而为现场应用提供有力的支持。1 脐带缆终端计算模型1.1 脐带缆终端概述脐带缆终端各结构组成如图 1 所示,外径为304.8 mm 的终端与母头毂座直接相连,母头毂座通过法兰与脐带缆终端外结构相连,悬挂法兰和吊耳焊接在脐带缆终端的外结构上,脐带缆则直接连接在脐带缆终端外结构的另一端。脐带缆终端的设计与其海上施工安装工艺息息相关13-15,因此基于现场实际安装程序,分为悬挂工况、提升工况和正常生产工况。脐带缆终端位于脐带缆的两端,当首端进行安装铺设时,脐带缆的载荷并不会传递到终端结构上,当末端进行安装图 1 脐带缆终端结构组成Fig.1 Structure composition of umbilical termination head铺设时,由于脐带缆终端位于脐带缆的终止铺设端,脐带缆载荷均作用在终端结构上,因此末端安装工况为其最恶劣工况。取末端脐带缆终端结构为研究对象进行整个安装过程分析可知,其在船舶夹板上通过月池进行下放时,需要通过 STI(subseatermination interface)面板悬挂在月池上进行终端结构附属部件的安装工作,即悬挂工况;下放至海底时,需要利用水下机器人(ROV)和吊索进行辅助安装,将末端脐带缆终端与水下结构物相连,即提升工况;在正常生产工况时,由于脐带缆与脐带缆终端外结构已连接好,此时轴向力、剪切力、弯矩和扭矩等外部载荷都作用在脐带缆终端外结构上。因此,将重点对脐带缆终端外结构进行分析,同时,在生产工况有限元模型中也考虑母头毂座,以方便传递载荷和设置边界条件。1.2 材料模型脐带缆终端主要由材料为 M120-Y20 的外结构和材料为 ASTM A694 F65 的母头毂座组成,其中,外结构杨氏模量 E=206 GPa,泊松比 =0.3,屈服应力 y=355 MPa,极限抗拉应力 u=470 MPa;母头毂座杨氏模量 E=205 GPa,泊松比 =0.3,屈服应力 y=450 MPa,极限抗拉应力 u=535 MPa。为了确保计算强度足够,在 121 条件下,根据石油和天然气行业 水下生产系统的设计和操作 第七部分:完井/修井立管系统(ISO 13628-72006)对屈服和极限抗拉强度使用降额系数,其中,屈服强度系数为 0.91,极限抗拉强度