自升式鉆井平臺中高壓管道應力分析

徐紅梅，韓華偉，杜之富

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺 264000)

自升式鉆井平臺海上油氣鉆探的主要裝備約占全部移動式平臺的45%。它具有可移動性好、用鋼量少、造價相對低等特點，在各種海況下幾乎都能維持工作。工作水深約為100 m，鉆井深度可達9 000 m［1］。自升式鉆井平臺上除了有與常規船舶相似的管路系統，還有一些為鉆井生產服務或者與平臺特殊構造相關的特殊系統，如高壓泥漿系統。該系統的主要作用有:攜帶鉆屑出井、冷卻和潤滑鉆頭、平衡井下壓力。這是鉆井平臺上的重要系統，對維持生產作業、保證平臺的安全具有極為重要的意義。因此，對高壓泥漿系統的管線系統進行應力分析，以便對管線系統布置、支吊架位置和結構進行評估是很有必要的。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

高壓泥漿泵是高壓泥漿系統的心臟，它是泥漿設備中最為關鍵的設備。高壓泥漿泵的出口壓力很高，一般可達到7 500 PSI(約等于51.7 MPa)，其目的是為了克服阻力到達井下并平衡壓力。如此高的管路設計壓力，管系和閥門附件的材料選擇顯得尤為重要。隨著鉆井深度的不斷加深和高壓噴射技術的不斷推廣，高壓泥漿系統越發成為一個高性能、高應力系統，因此對其進行詳細的管道應力分析以便得到合理的管道布置和優化的支吊架結構很有必要。以煙臺中集來福士建造的某型300英尺水深作業的自升式鉆井平臺中的高壓泥漿系統為例，介紹該系統管道應力的分析方法。

1.2 管道應力分析的方法

在實際工程項目設計中，并非所有的管道都需要進行應力計算，也并非所有計算都必須通過計算軟件進行。一般管道應力分析有以下三種:目測法、簡單計算法和軟件分析法。

目測法要求分析人員有一定的相關經驗，并且這種方法只適用于與運行良好的管道柔性相同或基本相同的管道，或是和已經分析的管道比較，確認有足夠柔性的管道，這種方法在實際中應用時有一定的局限性。

簡單計算法是適用于具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束的非劇毒介質管道，用以下公式進行判斷:

式中:D0為管道外徑(mm)，Y為管道吸收總位移(mm)，L為管段兩固定點之間的展開長度(m)，U為兩端(固定)定點之間的直線距離(m)。

鑒于上述簡化計算公式存在局限性，因此它不適用于下列管道:1)在劇烈循環條件下運行，有疲勞危險的管道;2)大直徑薄壁管道(管件應力增強系數j≥5);3)與端點連線不在同一方向的端點附加位移量占總位移量大部分的管道;4)L/u＞2.5的不等腿U型彎管道，或近似直線的鋸齒管道。

當目測法和簡便計算法都無法判斷管道柔性，或規范要求必須進行詳細應力分析時，可采用分析軟件來進行詳細應力分析。目前使用較多的管道應力分析軟件有:CAESARII、ADLpipe和Autoflex。其中CAESARII軟件使用較為普遍。

對于簡單的管道系統按管道布置規則和工藝設計即可滿足設計要求，但對于高壓泥漿系統中的管線之類的復雜管道系統則需要借助于有限元法進行管道系統的應力分析，根據計算結果調整才能達到設計要求。

采用美國COADE公司研發的管道應力分析軟件CAESARII［2］為分析工具，該軟件是以材料力學、結構力學、彈塑性力學、有限元、管道應力分析與計算為基礎，進行管道系統的設計和分析。該管路系統的計算采用 ASME B31.3［3］標準，安裝溫度取 4℃。

2 管道應力分析理論

管道應力分析可以分為靜力分析和動力分析兩部分。靜力分析是指在靜力載荷作用下對管道進行力學分析，并進行相應的安全評定，使之滿足標準規范的要求。動力分析則主要指往復壓縮機和往復泵管道的振動分析、地震分析、水錘和沖擊載荷作用下管道的振動分析，其目的是使地震和振動的影響得到有效控制。管道應力根據性質可以分為一次應力和二次應力［4］。

圖1 高壓泥漿管路系統示意Fig.1 High Pressure Mud(HP-Mud)piping system

2.1 一次應力

一次應力是由于壓力、重力和外部載荷的作用所產生的應力。它是平衡外部載荷所需要的應力，隨外部載荷的增加而增加。一次應力的特點是沒有自限性，即當管道內的塑性區擴展達到極限狀態，使之變成幾何可變的機構時，即使外部載荷不再增加，管道仍將產生不可限制的塑性流動，直至破壞。

ASME B31.3并沒有提供一個明確的等式來對一次應力作出定義，但是它要求計算由于重力和壓力引起的軸向應力，并且要求它不超過Sh，它通常表達為［4-5］:

式中:SL為一次應力;F為持續載荷產生的軸向力;A為管道橫截面積;P為設計壓力;do為平均直徑;t為壁厚;ii、io為平面內、外應力增強系數;Mi、Mo為持續載荷產生的平面內、外的彎矩;Z為抗彎截面模量。

2.2 二次應力

二次應力是由于熱漲、冷縮、端點附加位移等位移載荷的作用所產生的應力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續要求所必須的應力。二次應力具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續要求得到滿足，從而變形不再繼續增大。一般來講，只要不反復加載，二次應力不會導致管道破壞，也就是說二次應力引起的主要是疲勞破壞。

ASME B31.3中規定的位移應力即二次應力為［3］:

式中:SE為二次應力;Mi、Mo為熱漲載荷產生的平面內、外的彎矩;MT為熱漲載荷引起的扭矩;Z為抗彎截面模量;f為管道位移應力范圍減小系數，該平臺的設計壽命為20年，其循環次數最多為7 000，根據ASME B31.3的規定，本算例取1.0。

3 計算載荷

高壓管路系統管道應力分析中應該考慮的載荷包括操作載荷、瞬時載荷和環境載荷［3］。

1)操作載荷包括重力、壓力和位移載荷等。其中重力包括管道及其附件、流體介質和保溫材料等自重;壓力載荷取設計壓力或根據工藝有特殊要求的工況確定;位移載荷是管道及其設備熱漲冷縮造成的位移(端點附加位移);計算溫度取設計最高/最低溫度，有的工況需要計算操作溫度下的受力情況。

2)瞬時載荷包括氣體或蒸汽管道的柱塞流作用、氣體管道中安全閥排放產生的反作用力、管道的蒸汽吹掃和水錘力。其中水錘力是由閥門開閉、泵的起停等引起的。

3)環境載荷包括地震、波浪、風、雪和冰等，環境載荷在處理的時候可以作為冷態(Sustained)或偶然(Occasional)載荷，但是必須滿足冷態或偶然載荷的應力限制要求。

4 管道應力分析實例

高壓泥漿管路系統設計數據如下:設計壓力10 000 PSI，管道外徑為141.3 mm，壁厚19.05 mm，操作溫度21.6℃，設計溫度范圍-10℃ ～60℃，介質密度為2.2 kg/dm3，管子材質為A519 AISI 4130的合金結構鋼。管道應力計算時需要考慮波浪誘導加速度偶然荷載的影響，為保守起見，三個方向波浪誘導加速度全部取為0.5倍重力加速度。因為該系統基本在室內，故沒有考慮風載荷的影響。

4.1 分析模型

該高壓泥漿系統的應力分析模型參見圖2，在模擬分析過程中，要注意:

靜態分析中支撐認為是完全剛性的，軟件默認剛度為1.75×1012N/cm。為了避免噪音和管路的振動，支撐的間隙為0 mm;如果不考慮端點附加位移時，管路與機器設備連接處可以作為一個固定邊界，即X、Y、Z、RX、RY、RZ(三個線位移和三個角位移)都進行約束;剛性元件如法蘭、閥門、小型的管道設備在建模時可以定義為rigid，給定重量即可。

4.2 工況定義

在管道應力分析過程中，確定載荷工況組合是至關重要的。以ASME B31.3設計規范為依據，確定了計算載荷及工況組合。表1為校核工況組合的情況。其中，W為管子自重(包括介質和保溫層的重量);P1為設計壓力;T1為設計最高溫度;T2為設計最低溫度;T3為操作最高溫度;U1為波浪誘導加速度(縱搖);U2為波浪誘導加速度(垂蕩);U3為波浪誘導加速度(橫搖)。波浪加速度以均布載荷的形式輸入。

圖2 高壓泥漿管路系統分析模型Fig.2 HP-Mud piping system analysis model

表1 校核工況組合Tab.1 Load Case Combinations

5 分析結果

圖3和圖4分別是高壓泥漿管路系統一次應力和二次應力的分析結果，表2是冷態(SUS)、熱態(EXP)和偶然工況下(OCC)的應力輸出結果。其中SC=390 000 kPa、SL=58 741.2 kPa、Sh=390 000 kPa。

圖3 高壓泥漿管路系統一次應力分析結果Fig.3 Primary stress analysis results of HP-Mud system

圖4 高壓泥漿管路系統二次應力分析結果Fig.4 Secondary stress analysis results of HP-Mud system

表2 詳細應力分析結果Tab.2 Detailed stress analysis results

從以上應力分析結果可以看出:該高壓泥漿管路系統的一次應力和二次應力均在ASME B31.3規范要求的范圍內。

為保證法蘭安全，根據Design of Piping System中 Pressure Equivalent Method［6］對法蘭的強度進行校核，發現法蘭強度滿足要求，不會發生泄漏。

另外計算該高壓泥漿管路系統的模態分析，得到前三階固有頻率分別是7.51，7.98及9.89 Hz，對比Mud Pump Motors固有頻率，發現該系統的布置避免了共振區，不會產生共振，說明該管道系統支撐布置合理［7-8］。同時可以提取最大設計工況的支反力作為管道系統支吊架的設計載荷，對管道系統的支吊架進行優化設計。

6 結語

以煙臺中集來福士建造的某型300英尺水深作業的自升式鉆井平臺中的高壓泥漿系統為例，從管路系統特點、分析理論、參考標準、分析工具和校核工況組合等多個方面進行探討，經過模擬分析計算該高壓泥漿管道系統的一次應力和二次應力均滿足標準要求;并且對法蘭的強度進行分析，避免泄漏;同時為管道支吊架的設計提供載荷。由此可以看出本分析方法和思路是可行的，對今后該類型海洋鉆井平臺中的高壓管路系統的應力分析具有一定的借鑒和參考價值。

［1］ 孫東昌，潘 斌.海洋自升式移動平臺設計與研究［M］.上海:上海交通大學出版社，2007.

［2］ COADE Inc.CAESAR II中文用戶手冊［M］.北京:中國技術服務培訓中心，2003.

［3］ ASME B31.3，Process Piping，ASME Code for Pressure Piping［S］.2008.

［4］ COADE Engineering Software Inc.Piping Stress Analysis Seminar Notes［Z］.1998.

［5］ 唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京:中國石化出版社，2003.

［6］ The M.W.Kellogg Company.Design of Piping System［M］.

［7］ NORSOK L-002，Piping Design，Layout and Stress Analysis［S］.2008.

［8］ DNV-RP-D101，Structural Analysis of Piping Systems［S］.2008.