一種基于SACS軟件的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法

◎李曉明 姜學(xué)錄 杜穎 趙剛 劉漢卿 海洋石油工程股份有限公司

近年來，隨著海上油田開發(fā)的迅速發(fā)展，平臺(tái)的增多，海底管道也越來越多，膨脹彎是海底管道路由中不可或缺的環(huán)節(jié)，數(shù)量龐大。不僅新鋪設(shè)海底管道中需要安裝大量的膨脹彎，同時(shí)，隨著平臺(tái)設(shè)施和海底管道設(shè)施的老齡化，到達(dá)服役年限，需要進(jìn)行拆除回收的海底管道和膨脹彎，在近年來也逐漸顯現(xiàn)。

下面以渤海某油田拆除回收膨脹彎分析為例，介紹一種新的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法，該方法采用Bentley公司開發(fā)的SACS程序進(jìn)行模擬計(jì)算，荷載校核依據(jù)規(guī)范DNVOS-F101荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)方法。

1.拆除回收吊裝分析需要特殊考慮的因素

拆除回收膨脹彎吊裝分析和安裝膨脹彎吊裝分析有所不同，比如需要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）新安裝的膨脹彎吊裝分析中，不需要考慮腐蝕問題，而拆除回收舊膨脹彎時(shí)，需要根據(jù)服役年限，或檢測記錄，考慮一定的腐蝕及壁厚減薄，但重量上還是采用原始厚度的重量，即“減薄不減重”。

（2）膨脹彎吊裝過程中，有在水中的工況和在空氣中的工況，由于在水中有浮力，因此，在空氣中吊裝的工況是關(guān)鍵工況。安裝膨脹彎吊裝分析中，空氣中吊裝工況只考慮空管，即管內(nèi)沒有沖水的工況即可，而拆除回收吊裝分析工況，需要考慮，膨脹彎出水瞬間，管內(nèi)充滿水這一極端工況。

（3）由于拆除回收的舊膨脹彎，在水下放置多年，如果回收前不進(jìn)行吹泥處理，或吹泥進(jìn)行的不徹底，需要考慮適當(dāng)?shù)哪嗤粮采w。并且如果膨脹彎底部陷入泥土中，還需要考慮吸附力的作用，由于這部分作用，根據(jù)不同的土壤數(shù)據(jù)和膨脹彎入泥的情況，差別很大，因此，可能導(dǎo)致膨脹彎出泥的瞬間是最危險(xiǎn)工況。

以上是通常需要考慮的因素，一些特殊情況，可以額外考慮其他因素，比如如果有海生物，需要考慮海生物重量，一般拆除前需要將管道完全清洗干凈，如果可能存在少量油氣殘留的情況下，需要設(shè)計(jì)防污染設(shè)施。

2.拆除回收吊裝力提取

以渤海灣某油田拆除回收膨脹彎吊裝分析為例，介紹SACS與DNV規(guī)范相結(jié)合的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法。

3.基于拆除回收膨脹彎吊裝的設(shè)計(jì)假設(shè)及模擬

3.1 設(shè)計(jì)假設(shè)

本次模擬是取膨脹彎剛出水，且管內(nèi)充滿水的極端工況來分析。

按照施工方案，回收膨脹彎前需要清理壓塊，和進(jìn)行徹底的吹泥清理，使膨脹彎徹底暴露在海床上，因此本次計(jì)算不考慮土壤吸附力。

由于本研究的膨脹彎已經(jīng)服役10多年，因此本計(jì)算規(guī)范校核中考慮腐蝕，根據(jù)規(guī)格書腐蝕余量3mm，在套管（采用較保守分析）均布腐蝕，套管壁厚12.7mm-3mm=9.7mm。在計(jì)算結(jié)構(gòu)自重時(shí)是以原厚度來考慮。

為了保證鋼絲繩吊裝角度，經(jīng)過試算后，確定該節(jié)膨脹彎的吊高為35m，鋼絲繩水平角度大于60°，符合規(guī)范要求。

3.2 結(jié)構(gòu)加載

膨脹彎鋼管結(jié)構(gòu)自重（包括膨脹彎套管、內(nèi)管及海水、隔熱層和防腐層的重力之和，其中，內(nèi)管及海水、隔熱層和防腐層的重量等通過修正套管的密度實(shí)現(xiàn)，修正套管密度后由程序自動(dòng)計(jì)算），膨脹彎兩端法蘭重量（兩個(gè)法蘭的重量以集中力的方式進(jìn)行加載）分別加載于膨脹彎的兩端，該膨脹彎兩端均為0.631T。

3.3 受力結(jié)果提取

為了下一步采用DNV-OS-F101規(guī)范進(jìn)行校核，需要在SACS 結(jié)果中，提取所有桿件的軸力和彎矩，從中分別選出最大的軸力和彎矩，進(jìn)行規(guī)范校核，這樣得到的結(jié)果可以覆蓋比較危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)。

4.規(guī)范校核

4.1 規(guī)范校核

規(guī)范校核部分，對于膨脹彎拆除回收吊裝分析和安裝吊裝分析類似。本次荷載校核是依據(jù)DN VOS-F1012000規(guī)范執(zhí)行，該規(guī)范把載荷分類為：功能載荷、環(huán)境載荷、建造載荷（又分為功能載荷和環(huán)境載荷）和偶然載荷。海底管道系統(tǒng)的每個(gè)部分都應(yīng)按照最不利的荷載組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)規(guī)范DNV-OS-F1012000，分別根據(jù)荷載控制條件和位移控制條件進(jìn)行屈曲校核。采用荷載控制條件下的屈曲校核更加保守。因此，本次校核選用了荷載控制條件。管件經(jīng)受彎矩、有效軸力和內(nèi)部超壓力作用的所有橫截面應(yīng)設(shè)計(jì)成滿足公式1。膨脹彎及海底管線的吊裝工況適用于該方程。

作為比較和參考，管件經(jīng)受彎矩，有效軸力和外部超壓力的所有的橫截面也要被計(jì)算，并滿足公式2。

式中：γSC為安全等級抗力系數(shù)；γm為材料抗力系數(shù)；αc為流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)；Mp為塑性彎矩；Sp為特征塑性軸力；pb（t2）為爆破壓力。

設(shè)計(jì)荷載一般可以用以下形式表示：

式中：Md為設(shè)計(jì)彎矩；MF為設(shè)計(jì)彎矩；ME為環(huán)境彎矩；MA為偶然彎矩；Sd為功能軸力；SF為功能軸力；SE為環(huán)境軸力；SA為偶然軸力。

吊裝工況下的特征載荷是基于SACS軟件進(jìn)行分析的，從SACS計(jì)算結(jié)果中提取出管線的功能軸力和彎矩用于荷載校核。荷載校核應(yīng)選取膨脹彎最危險(xiǎn)的截面。在分析中，環(huán)境彎矩和軸力一般分別取功能彎矩和軸力的30%和15%。

規(guī)范DNV-OS-F1012013中，對公式1和公式2進(jìn)行了修改，分別為公式6和公式7。

式中：MSd為設(shè)計(jì)彎矩；SSd為設(shè)計(jì)有效軸力；pi為內(nèi)部壓力；pe為外部壓力；pb為爆破壓力；Sp和Mp為管道的塑性軸力、彎矩；pmin為管道的最小內(nèi)部壓力；pc為壓潰參數(shù)。每個(gè)參數(shù)的具體含義或公式需要查看規(guī)范中的解釋。

分別比較式1和式6，式2和式7，其中的γSC·γm為大于1的數(shù)，所以，2013版規(guī)范一般情況下更保守一些。但膨脹彎吊裝計(jì)算中，只要合理布置鋼絲繩的吊點(diǎn)位置，鋼絲繩角度和長度，大部分情況下，UC值（實(shí)際值和許用值之比）較小，一般小于0.8，本案例的拆除回收吊裝分析采用的2000版規(guī)范，UC值0.659可接受，如果UC值較大，可再用2013版規(guī)范加以驗(yàn)證，但重點(diǎn)在于調(diào)整鋼絲繩的布置，降低應(yīng)力水平。

4.2 校核結(jié)果

本次計(jì)算選取了膨脹彎最危險(xiǎn)截面在荷載控制條件下進(jìn)行了荷載校核。基于SACS模擬的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出相應(yīng)的UC值。最大的彎矩、軸力和UC值的結(jié)果匯總?cè)绫?。所有管段UC值均小于1.0，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表1 膨脹彎荷載校核

5.結(jié)語

本文以一個(gè)工程實(shí)例，介紹了一種簡便易學(xué)的基于SACS軟件的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法，并重點(diǎn)介紹了拆除回收分析的特殊性，方法可操作性強(qiáng)。比較了DNV-OS-F1012000和DNV-OS-F1012013兩個(gè)版本的規(guī)范中主公式的差異，由于拆除回收吊裝分析一般為廢棄管線，且一般原始設(shè)計(jì)或安裝階段采用較早版本的規(guī)范，加之拆除回收吊裝過程在管道全生命周期中一般并不是最危險(xiǎn)工況，因此，采用DNV-OS-F1012000規(guī)范校核也是被證明有效的。在很少數(shù)應(yīng)力較接近極限水平（UC值超過0.8）時(shí)，建議通過調(diào)整吊點(diǎn)位置、調(diào)整鋼絲繩角度、增加鋼絲繩數(shù)量等方式，降低應(yīng)力，并用2013版規(guī)范加以驗(yàn)證。另外，如果將規(guī)范校核部分的公式編輯成計(jì)算表格，更可以提高計(jì)算效率，也更易于普及。