深水海管止屈器設(shè)計(jì)方法研究

李 旭,李 慶，張 英

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

深水海管止屈器設(shè)計(jì)方法研究

李 旭,李 慶，張 英

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

主要對(duì)深水海管止屈器管的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，并給出了止屈器管間距設(shè)計(jì)方法。止屈器管設(shè)計(jì)主要包括壁厚及間距的設(shè)計(jì)，其中止屈器管壁厚的設(shè)計(jì)主要依據(jù)解析公式及規(guī)范要求，而間距的設(shè)計(jì)在規(guī)范中并未明確說(shuō)明。基于管材采辦及施工的經(jīng)濟(jì)性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，介紹了一種用于計(jì)算間距的方法，并結(jié)合流花項(xiàng)目海管的應(yīng)用情況對(duì)止屈器管的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

深水海管；止屈器管；擴(kuò)展屈曲；間距設(shè)計(jì)

0 引 言

深水海管的設(shè)計(jì)與淺水海管設(shè)計(jì)相比，突出的一點(diǎn)區(qū)別在于海水外壓的影響，使海管的壓潰設(shè)計(jì)變得尤為重要。通常設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算來(lái)選擇海管的壁厚、材料等級(jí)及合適的制造公差，以防止海管在深水巨大的外壓下產(chǎn)生壓潰。但在實(shí)際的安裝、運(yùn)行過(guò)程中，海管會(huì)遭遇各種不利情況的影響，例如意外沖擊帶來(lái)的管體缺陷、安裝過(guò)程中由于海管過(guò)彎而導(dǎo)致管道橢圓度超出標(biāo)準(zhǔn)以及由于腐蝕增加而導(dǎo)致海管壁厚減小等。這些情況的發(fā)生致使海管在局部抗外壓的能力減小。于是海管就有可能在抗壓能力減弱的地方發(fā)生局部屈曲，并且隨著時(shí)間的推移屈曲將沿整個(gè)海管擴(kuò)展[1]。

止屈器管與普通海管最主要的區(qū)別在于壁厚。普通管的壁厚設(shè)計(jì)基于抵抗壓潰及局部屈曲，一旦海管發(fā)生局部屈曲，則會(huì)不斷擴(kuò)展。如果沒(méi)有考慮止屈器管的設(shè)計(jì)，那么整條管線就有可能在一定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生屈曲進(jìn)而使得這條管線報(bào)廢。止屈器管的作用就在于由于壁厚原因，止屈器管比普通管具備更強(qiáng)的抗壓能力，一旦管線發(fā)生擴(kuò)展屈曲，止屈器管可以阻止海管屈曲的擴(kuò)展，并可以及時(shí)對(duì)屈曲段的海管進(jìn)行更換。這樣就能盡量減少擴(kuò)展屈曲帶來(lái)的損失。

目前設(shè)計(jì)水深在100 m以上的海管設(shè)計(jì)都存在止曲器管的設(shè)計(jì)問(wèn)題。深水海管止屈器的設(shè)計(jì)在流花4-1項(xiàng)目、流花19-5項(xiàng)目等南海深水項(xiàng)目中都有實(shí)際的應(yīng)用。

1 止屈器管使用判斷及壁厚計(jì)算

1.1 判斷準(zhǔn)則

在對(duì)海管結(jié)構(gòu)進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)后，根據(jù)計(jì)算判斷是否發(fā)生擴(kuò)展屈曲。判斷準(zhǔn)則如下[2]：

(1)

式中：Pe為海管承受最大外壓，MPa；Ppr為擴(kuò)展屈曲壓力，MPa；γm為材料系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取1.15；γSC為設(shè)計(jì)安全等級(jí)系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取1.26。

根據(jù)管道的外徑和壁厚進(jìn)行計(jì)算判斷，如果海管發(fā)生屈曲的時(shí)候以海管本身的強(qiáng)度屬性不足以抵擋屈曲的擴(kuò)展，則必須采取止屈器管來(lái)阻止屈曲的擴(kuò)展。

1.2 止屈器管的壁厚設(shè)計(jì)

止屈器管壁厚的計(jì)算主要依據(jù)下式[2]：

(2)

(3)

式中：Px為止屈器管擴(kuò)展屈曲壓力，MPa；Ppr為普通海管壁厚計(jì)算擴(kuò)展屈曲壓力，MPa；Ppr.BA為以止屈器管壁厚計(jì)算的擴(kuò)展屈曲壓力，MPa；t為考慮海管腐蝕余量的壁厚，mm；d為海管外徑，mm；LBA為止屈器管單管長(zhǎng)度，取標(biāo)準(zhǔn)值12.192 m。

2 止屈器管的間距設(shè)計(jì)方法

除止屈器管壁厚設(shè)計(jì)外，還要對(duì)止屈器管的布置形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。出于經(jīng)濟(jì)性考慮不可能海管全程使用厚壁的止屈器管，只能間隔布置，即若干根普通的海管后連接一根止屈器管。目前規(guī)范中并未明確說(shuō)明止屈器管的間距計(jì)算方法，本文通過(guò)對(duì)一些實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用，介紹一種用于計(jì)算止屈器管間距的方法。

本方法計(jì)算止屈器管的間距主要考慮以下幾個(gè)方面：

(1) 普通管及止屈器管的采辦費(fèi)用；

(2) 海管發(fā)生屈曲及出現(xiàn)擴(kuò)展屈曲的概率；

(3) 更換屈曲段海管的施工費(fèi)用。

根據(jù)海管采辦、海管安裝資源等信息，對(duì)止屈器管間距進(jìn)行計(jì)算。

2.1 止屈器管的費(fèi)用

對(duì)于止屈器管間距的選擇，原則是讓使用止屈器管帶來(lái)的費(fèi)用增加最小。止屈器管費(fèi)用的組成主要如下[3]：

CTOTAL=CBA·X+CFP·P，

(4)

式中：CTOTAL為考慮止屈器管的總費(fèi)用(本文各種費(fèi)用均以人民幣元為單位)；CBA為每根止屈器管的費(fèi)用；CFP為施工過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展屈曲對(duì)海管進(jìn)行更換所需費(fèi)用；X為根據(jù)止屈器管的間距確定的數(shù)量；P為施工時(shí)發(fā)生擴(kuò)展屈曲的概率。

從式(4)中可以看出止屈器管的費(fèi)用主要分為兩個(gè)部分：一是采辦及更換止屈器管管材的成本，二是更換過(guò)程中所使用資源的費(fèi)用。

每根止屈器管的費(fèi)用按下式計(jì)算[3]：

CBA=CMan-CLP，

(5)

式中：CMan為每根止屈器管的制造費(fèi)用；CLP為每根普通外管的費(fèi)用，即使用止屈器管而省下來(lái)的費(fèi)用。具體而言，

(6)

(7)

式中:CBAs為每噸止屈器管制造費(fèi)用；ρS為鋼材密度；tBA為止屈器管的壁厚，mm；d為海管外徑，mm；LBA為止屈器管單管長(zhǎng)度，取標(biāo)準(zhǔn)值12.192 m；Cs為每噸普通外管制造費(fèi)用；t為普通外管的壁厚，mm。

施工過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展屈曲對(duì)海管進(jìn)行更換所需費(fèi)用按下式計(jì)算[3]：

CFP=CF+CP,

(8)

式中:CF為發(fā)生屈曲，更換海管的船舶資源固定費(fèi)用；CP為發(fā)生屈曲，更換海管管材的費(fèi)用。具體而言，

CF=T·(CLV+CDSV)，

(9)

(10)

式中:CLV為鋪管船的日費(fèi)率；CDSV為潛水支持船的日費(fèi)率；T為開始進(jìn)行海管更換到重新開始海管鋪設(shè)的

預(yù)計(jì)時(shí)間，d；S為止屈器管間距，m；h為海管更換區(qū)域最大水深，m。

2.2 間距計(jì)算

根據(jù)2.1節(jié)的費(fèi)用計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)止屈器管的費(fèi)用是關(guān)于間距的一個(gè)函數(shù)：

(11)

式中：LTOTAL為設(shè)計(jì)海管的總長(zhǎng)度，m。

止屈器管間距確定的原則就是使得發(fā)生的費(fèi)用最少，也就是CTOTAL(S)取最小值。同時(shí)由于CTOTAL(S)的最小值與發(fā)生擴(kuò)展屈曲的概率P有直接的關(guān)系，概率越小那么間距越大，當(dāng)能確定發(fā)生屈曲擴(kuò)展的概率為0時(shí)，計(jì)算出來(lái)的間距為無(wú)窮大，即根本不需要止屈器管的設(shè)計(jì)。反之出于保守的考慮，取這個(gè)概率為1時(shí)，就可保證如果發(fā)生了擴(kuò)展屈曲，止屈器管間距的選擇可以將費(fèi)用降到最低。故在止屈器管間距計(jì)算中P取1。

2.3 計(jì)算的簡(jiǎn)化

針對(duì)式(11)，我們可做進(jìn)一步的數(shù)學(xué)分析，計(jì)算間距S，使得函數(shù)CTOTAL(S)取得極小值。通過(guò)解析的方法對(duì)函數(shù)CTOTAL(S)求導(dǎo)，并令其導(dǎo)數(shù)為0，所求的S值即為所求。

(12)

(13)

3 項(xiàng)目算例

本文中介紹的止屈器管設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在流花4-1項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。項(xiàng)目中主要計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)，通過(guò)式(2)～(3)求解方程計(jì)算得到，止屈器管的最小壁厚為24.6 mm，取海管工程標(biāo)準(zhǔn)壁厚25.4 mm。通過(guò)式(13)計(jì)算得到間距S為318.7 m，取止屈器管間距為318 m，即26根普通海管之后接一根止屈器管。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的計(jì)算方法，在止屈器管壁厚確定的情況下，對(duì)止屈器管的間距設(shè)計(jì)主要基于管材采辦費(fèi)用和擴(kuò)展屈曲發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)分析可知，間距的大小主要取決于制造止屈器管的單位費(fèi)用與普通海管費(fèi)用的對(duì)比。如果止屈器管的制造費(fèi)用較普通海管高得多，應(yīng)該適當(dāng)增加止屈器管布置的間距以減少止屈器管的總費(fèi)用。在項(xiàng)目應(yīng)用中，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際管材采辦情況進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

[1] Torselletti E,Brusch R.Buckle propagation and its arrest：buckle arrestor design versus numerical analyses and experiments [C].OMAE,2003： 37220.

[2] Det Norske Veritas.Submarine pipeline system[S].2012： 74.

[3] Bai Y,Bai Q.Subsea Pipelines and Risers [M].New York: Elsevier Science，2005： 37-39.

DeepwaterPipelineArrestorDesignStudy

LI Xu,LI Qing,ZHANG Ying

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.，Tianjin300451,China)

In this paper,we mainly study the deepwater subsea pipeline arrestor design,and give the space calculation method for arrestors.The arrestor design includes wall thickness calculation and layout space calculation.The wall thickness design always follows the method given by the Det Norske Veritas (DNV) standard.However,there is no specific method for the space calculation in standards.Based on the analysis on pipe procurement and installation economical efficiency and risk assessment,we give a method for space calculation.This method has been successfully used in Liuhua pipeline project.

deepwater subsea pipeline; pipeline arrestor; propagation buckling; space design

TE53

A

2095-7297(2014)03-0227-03

2014-07-31

李旭(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事海管設(shè)計(jì)方面的研究。