靜態柔性軟管彎曲加強器的設計

李 蘭，張蔭納

(天津海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384)

靜態柔性軟管彎曲加強器的設計

李 蘭，張蔭納

(天津海王星海上工程技術股份有限公司，天津 300384)

隨著柔性軟管的國產化，國內越來越多的油田采用柔性軟管輸送油品介質。在軟管管段之間的連接接頭屬于剛性結構，而管體屬于柔性結構，在接頭與管體之間存在剛度的突變，在受到較大彎矩作用時，柔性管體將被破壞，因此需要在管體和接頭之間設置彎曲加強器，起到剛度過渡的作用，保護管體。在進行彎曲加強器的設計時，參考國外實例，選用聚氨酯彈性體作為結構主材，并配有連接鋼件。結合項目實例，重點介紹了靜態柔性軟管彎曲加強器的結構形式。該結構可在軟管過駁和安裝時保護管體。

海底管道；柔性軟管；接頭；彎曲加強器；聚氨酯彈性體

0 引 言

21世紀是開發利用海洋的新時代。我國的海洋石油開發技術正在飛速發展，對海洋石油管道的需求大大增加。目前海底管道分為2類，即鋼質管道和柔性軟管。相對于鋼管，柔性軟管具有可設計、耐腐蝕、易彎曲、易鋪設、可回收、開發更經濟、更適應海洋環境等特點。柔性軟管最突出的特點是彎曲柔性好，可以承受較大的彎曲變形。在邊際油田開發中采用柔性管道，由于易鋪設、可回收、工期短，可以顯著降低工程建設及運營成本。柔性軟管在我國的邊際油田已逐步應用。

柔性軟管的設計、生產和安裝早期基本由國外三大軟管公司壟斷：法國Technip，英國Wellstream，丹麥NKT。但從2003年開始，國內企業也紛紛開始研制國產軟管。目前已有應用案例的如天津海王星海上工程技術股份有限公司，其業務包含設計、生產、安裝及后期的維護，到目前為止已鋪設并投入使用的靜態軟管共8條，含注水管2條、輸氣管2條及三相混輸管4條，共約48.65 km。以上軟管目前都運行正常，表明海洋柔性軟管已實現國產化。

在軟管的生產過程中，受設備承重能力和空間大小的限制，一根軟管不可能是完全連續的，每1～2 km就會存在一個連接件，即接頭。接頭是鋼質構件澆筑環氧樹脂，接頭的剛度基本等同于金屬鋼件；而柔性軟管是由非金屬擠塑和金屬鋼絲纏繞而成，其柔性好，剛度低。這樣在接頭與軟管對接處，就出現一個剛度突變區，如果受到過大載荷或者反復的彎曲，在這個突變區就會損壞剛度小的軟管，造成軟管的失效。為了避免這種情況，可以在接頭與軟管的連接處設置彎曲加強器(BS)，在接頭與柔性軟管間起到剛度過渡的作用，從而保護軟管結構。本文結合項目實例，重點介紹了靜態柔性軟管BS的結構形式。該結構可在軟管過駁和安裝時保護管體。

1 彎曲加強器簡介

在軟管的生產過程中，由于設備和空間的限制，所以每1～2 km就需要用接頭連接[1-2]。接頭連接柔性軟管的示意圖如圖1所示。

圖1 接頭與管體連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of end fitting connecting flexible pipes

在接頭與軟管對接處有剛度突變區，如果受到過大載荷或者反復的彎曲，在這個突變區就會損壞剛度小的軟管，從而破壞軟管結構完整，造成軟管的失效。設置BS就是為了避免這種情況的出現。BS一般為錐子狀，在接頭與柔性軟管間起到剛度過渡的作用，保護軟管結構[2]。圖2 為相關規范[3-4]中典型的動態BS示意圖。

目前BS分為兩類：靜態BS和動態BS[3]。美國特瑞堡公司是國際上有實力的BS設計生產廠家，其產品最長已應用15年。圖3為特瑞堡公司生產的BS照片。

圖2 典型的動態BS示意圖Fig.2 Typical dynamic BS

圖3 特瑞堡公司生產的BS Fig.3 Trelleborg’s BS product

靜態BS主要配合輸油管線使用，用于在軟管岸邊過駁和鋪設中的軟管保護，防止軟管端部過度彎曲。

靜態BS由聚氨酯澆筑而成，見圖4。一般靜態BS長度為1～2 m，其結構形式多樣化，主要根據設計和安裝需要而定，其作用是增加軟管局部剛度。

圖4 BS澆鑄成型照片Fig.4 BS casting and molding

動態BS主要用于柔性立管和臍帶纜，例如立管出浮式生產儲油船(FPSO)套筒局部，見圖5。

圖5 動態BS用于FPSO的示意圖Fig.5 Application of dynamic BS to FPSO

一般動態應用其要求的壽命都比較長，在15～25年之間。動態BS與靜態BS都由聚氨酯澆鑄而成。

動態BS主要是保護立管或者臍帶纜，增加其局部剛度，在環境力和船舶運動下，軟管所受拉力和曲率下的彎曲半徑不超過軟管的最小彎曲半徑。動態BS都是依據項目需求，經過專業分析軟件分析后確定的，都是特制品。

靜態BS的作用是過駁和安裝時的保護，所以其設計服務壽命一般是半年到一年，一般的聚氨酯彈性體都可達到。下面主要介紹靜態柔性軟管BS的設計。

2 靜態彎曲加強器的設計

BS的設計分為材料選擇和結構設計兩部分。

2.1 材料選擇

BS主要包含非金屬聚氨酯主體和鋼質連接件。

聚氨酯主體一般是聚氨酯彈性體材料，韌性好，耐用，并且能夠很好地適應海底工況。聚氨酯的兩大特點是彈性模量低和斷裂伸長率高，這樣就帶來很好的柔性和韌性。

由于鋼質連接件需要長期與海水直接接觸，所以對鋼構件需要進行防腐考慮。鋼質連接件分為兩種：一種是采用耐海水腐蝕的超級雙相不銹鋼或者同等材料；另一種采用碳鋼材料，但是由于其不耐海水，就需要借助與BS對接的接頭防腐陽極保護系統，通過導線連接，進而保護BS的碳鋼連接件。

2.2 結構設計

對于靜態BS，其作用是過駁和安裝時的保護，所以其設計服務壽命一般是半年到一年，一般的聚氨酯彈性體都可達到。

BS的結構設計主要是依據軟管和接頭的尺寸以及安裝的需要進行設計。基本遵守如下原則：

(1) 考慮經濟性，長度在1～2 m；

(2) 最大外徑盡量不超過接頭外徑和連接構件的外徑，也就是BS、接頭和軟管不要有凸起的部分，盡量是平滑的過渡，安裝方便快捷；

(3) BS需要與接頭進行固定，保證BS在特定載荷(經過多種載荷篩選)下的連接強度；

(4) 如果采用碳鋼的連接構件，那么就需要考慮將其與接頭陽極通過導線連接進行保護。

2.3 靜態BS設計實例

以某項目8英寸(1英寸=2.54 cm)保溫軟管為例，簡述靜態BS的設計成果。

項目軟管為8英寸保溫軟管。為了避免在過駁和安裝中損壞軟管導致泄漏，可以在接頭與軟管連接處設計靜態BS。圖6為8英寸軟管接頭與管體連接示意圖。

圖6 8英寸軟管接頭與管體連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of the connection between end fitting and 8-inch pipe body

圖7 本項目靜態BS主尺度示意圖Fig.7 Principal dimensions of the designed static BS

本次設計靜態BS結構形式如圖7所示。其總長1 000 mm，最大外徑600 mm，左端短錐段100 mm，右端長錐段280 mm，平直段620 mm。其非金屬主材為聚氨酯彈性體，采用東大一諾威的D2186；鋼質連接件采用Q345A，安裝完成后采用銅導線與接頭陽極連接，進行防海水保護。連接螺栓采用M12，12.9級。 BS各材料如圖8所示。聚氨酯D2186和鋼件Q345A的性能見表1、表2。

圖8 靜態BS所用材料Fig.8 Materials used in the static BS

表1 聚氨酯D2186性能Table 1 Properties of polyurethane D2186

表2 Q345A性能Table 2 Properties of Q345A

BS與接頭和軟管的最終組裝連接結果如圖9所示。

圖9 BS與接頭和軟管組裝連接示意圖Fig.9 Assembly schematic diagram of BS with end fitting and pipe body

3 結 語

綜上所述，為了更好地保護接頭和軟管的連接處，避免損壞軟管，可以增設靜態BS。靜態BS在設計時，更多的是考慮安裝中保護軟管；其形式則是從經濟性和結構施工的便利性上擇優確定。同時，BS的主材采用聚氨酯；鋼質連接件采用雙相不銹鋼，也可采用碳鋼，但需要考慮其海水保護。

[1] American Petroleum Institute.API SPEC 17J.Specification for unbonded flexible pipe[S].2008.

[2] American Petroleum Institute.API RP 17B.Recommended practice for flexible pipe[S].2008.

[3] American Petroleum Institute.API SPEC 17L1.Specification for flexible pipe ancillary equipment[S].2012.

[4] American Petroleum Institute.API RP 17L2.Recommended practice for flexible pipe ancillary equipment[S].2012.

DesignofStaticBendStiffenerforFlexiblePipes

LI Lan,ZHANG Yin-na

(NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)

With the localization of flexible pipes,more and more oil fields use the flexible pipe as conveying flowline.End fitting whose function is to connect the pipe sections is a rigid structure,while the pipe body is flexible,there is a stiffness mutation between them.When subjected to a large bending moment,the pipe body will be damaged,so it is necessary to set a bend stiffener between the pipe and the end fitting.To design a bend stiffener,an applicable material should be selected.We use polyurethane elastomer as the principal material for the bend stiffener.Besides,some steel interface structures are requisite.We mainly introduce a static bend stiffener design.It can protect the pipe during installation and overboarding.

subsea pipeline; flexible pipe; end fitting; bend stiffener; polyurethane elastomer

TE973；TE42

A

2095-7297(2014)03-0223-04

2014-08-07

國家科技重大專項 (2011ZX05026-005)

李蘭(1984—)，女，助理工程師，主要從事海洋工程和軟管方面的研究。