簡析高壓泥漿管安裝原則

苗立勇，宋千云，吳彩云，苗立謙

（1. 廣船國際有限公司，廣州 511462；2. 廣州建宇工程咨詢有限公司，廣州 511458）

0 引言

在石油鉆井行業，高壓泥漿系統是鉆井船的關鍵系統之一，在鉆井過程中起到攜帶鉆屑出井、冷卻和潤滑鉆頭、平衡井下壓力等作用[1]。目標鉆井船的高壓泥漿系統設計壓力是 51.71 MPa。工作壓力高，對管路材料的強度、硬度、塑性等物理性能提出了嚴格的要求，焊接、安裝等施工要求高，工藝復雜。

高壓泥漿管的泥漿成本在整個鉆井過程中占有很大比例，設計合理的泥漿系統對鉆井系統的功能性、經濟性非常重要。

1 材質選擇和性能分析

經過對自升式鉆井平臺及其他類似鉆井平臺及鉆井船的調查，發現目前高強度合金鋼ASTM A519 GR4130因其優越的性能而獲得業界普遍認可，被選用為高壓泥漿管路的材料。根據表1顯示，ASTM A519 GR4130鋼屬于中碳調質鋼，其焊接工藝[2]調質后的抗拉強度為 730 MPa～860 MPa，屈服強度為 485 MPa～755 MPa，的沖擊韌性大于40 J。

表1 ASTM A519 GR4130的化學成分

工作區域如果是高硫井或者需按高硫井設計，那么相應的管材、附件、連接件和閥門全都要滿足美國防腐蝕協會NACE MR 0175或ISO 15156的最新要求，洛氏硬度不超過22 HRC。

GR4130的性能可以滿足海工鉆井的各方面需求，且市場上生產廠家數量多，供貨充足，成本方面能得到有效控制，因此，綜合各方面的考慮，目標鉆井船的高壓泥漿系統材料采用ASTM A519 GR4130。

2 應力分析

管線應力分析是高壓泥漿管道設計的基礎，高壓管道上任意一個點失效都可能引起整個管道系統停止工作，甚至可能造成嚴重的安全事故和巨大的經濟損失。隨著高壓管道系統的可靠性和安全性越來越受到重視，管道的應力分析得到越來越廣泛的應用，它可以有效地提高設計可靠性，避免因設計不合理而引起的災難和損失。

管道應力分析的任務，是指對管道進行應力分析并使分析結果滿足規范的要求，從而保證整個管路系統的安全。保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支撐或端點附加位移造成應力問題。

管道設計要實現工藝要求、操作要求，以及由于內壓或外壓、外載荷、管道系統因冷熱力等作用力受到影響的安全要求，對管路系統進行應力分析與計算，使設計的管道盡可能合理經濟。

對管道系統的應力分析和強度評估的主要內容：壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力計算，防止塑性變形破壞。

2.1 應力分析的方法

由機械外載荷引起的正應力和剪切應力，必須滿足外部和內部的力和力矩的平衡法則[3]。一次應力是非自限性的，它始終隨著所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強度時，將使管道發生塑性破壞或總體變形，因此在管路系統的應力分析中，首先應該使一次應力滿足許用應力值。

本項目使用 AutoPIPE軟件對高壓泥漿管道進行應力分析。該軟件進行管道應力驗算采用的標準是 ASME B31.1/B31.3/B31.4等。AutoPIPE通過建立模型、計算分析，獲取載荷與響應較大的危險點，對其應力進行校核，比較高壓泥漿系統工作前后的應力是否在安全范圍內，從而判斷是否符合設計和規范的要求。設計計算基礎數據如下。

設計工況：目標鉆井船的的設計條件；計算內壓Pc為51.71 MPa；計算溫度Tc為21.1℃。

圖1所示為載荷局部坐標系示意圖，管口外載參數見表2。

圖1 載荷局部坐標系示意圖

表2 管口外載各參數

一次應力校核的工況組合為：SUS—GR＋Max P，如果許用值大于或等于節點應力，則說明一次應力校核通過，否則為不通過。根據管道系統可視化應力圖可以知道最大應力點所在位置。

經過計算后，AutoPIPE程序在輸出結果中，將根據所選擇的設計規范自動進行一次應力的校核。一次應力計算結果如表3所示。

表3為一次應力計算結果，根據計算的結果，該部分管道系統的一次應力滿足要求。

從圖2中可以看到，一次應力的最大值發生在三通和彎頭及一些固定支架附近，在評估高壓泥漿管道系統的安全性時應注意這個現象，并且在設計布置管道時給予充分考慮。

表3 一次應力計算結果

圖2 SUS 工況應力圖

2.2 位移分析

借助 AutoPIPE軟件的計算功能，可以得到每種工況對應的支架受力情況、管路的位移情況和應力情況，進而判斷管路布置是否合理，并通過變形來避免應力集中的情況。

根據表4和對應的圖3可知，在荷載作用下，管道的部分管點在3個方向發生了不同程度的偏移，并且同時還發生了輕微的旋轉，觀察管道系統的其他大多數管點存在同樣的現象，可見管道在載荷作用下發生偏移和旋轉是普遍存在的，在設計布置高壓泥漿管道時需要充分考慮這一點。

表4 高壓泥漿管路部分管點位移值

圖3 高壓泥漿管受載位移偏轉圖

3 高壓泥漿管設計的改進措施

考慮到三通、彎頭等部位容易發生應力集中，所以在設計時應減少非必要的三通和彎頭的數量，并且優先選用長半徑的彎頭，使管道盡可能平直。

另外由于高壓泥漿管路壓力非常高，各設備應該就近布置，盡量減小高壓管道的長度。如果管道長度較長，則必須考慮優化導向架的布置。

由于一次應力在假定壁厚滿足的前提下考慮的基本上是軸向應力，包含了壓力引起的軸向力、外加軸向力和彎矩引起的軸向應力，所以發現一次應力超標時，可以檢查3個方面：

1）壓力是否過大；

2）兩端的軸向附加力是否過大；

3）是否由于2個剛性支架之間跨度過大，導致彎矩過大。

在生產實際中，一次應力超標通常可以由合理設置支撐吊架來解決。

管道安全設計除了壓力設計之外，還要滿足柔性設計。管道柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念，表示管道通過自身變形吸收熱脹冷縮和其他位移變形的能力。總的來講，影響管道柔性的因素主要有：管單元的規格及尺寸、管道的空間幾何形狀、管道端部的剛度、管道中間的支撐以及管道中特殊的管道元件等。在管道設計中，增加管道柔性的方法主要有：改變管道走向、選用膨脹接頭和安裝彈性吊架。進行管道柔性設計時，在保證管道具有足夠柔性來吸收變形的前提下，應注意避免使管系過分柔軟。

4 結論

高壓泥漿管道的布置必須通過嚴格的應力分析，根據應力分析的結果針對性地對管道系統的設計進行修改，提升管道系統的可靠性安全性，使整個系統趨于完善合理。