程浩力

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司, 北京 100085

0 前言

管道在高于環(huán)境溫度和壓力的條件下運(yùn)行時(shí),會(huì)發(fā)生膨脹。此時(shí)如果管道不能自由膨脹以釋放應(yīng)力,它將產(chǎn)生軸向壓力。對(duì)于埋地管道,橫向土壤可視為會(huì)提供無(wú)限的阻力,因此可以防止管道橫向屈曲。但是,在豎直方向上,如果管道施加在土壤上的力超過了豎直方向以抵抗管道重量、彎曲剛度和覆土的約束力,管道將傾向于向上移動(dòng),并且可能發(fā)生很大的垂直位移,管道將經(jīng)歷彈塑性形變以達(dá)到新的力平衡。過度的塑性屈服變形是不可接受,且由于隆起屈曲,管道裸露將構(gòu)成重大的安全和環(huán)境危害,因此,以埋設(shè)方式鋪設(shè)的管道設(shè)計(jì)中必須考慮隆起屈曲。

中國(guó)石油企業(yè)近二十年來(lái)實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略,在參與歐美石油巨頭作為作業(yè)者(業(yè)主)的項(xiàng)目及同中東阿聯(lián)酋、沙特等業(yè)主的合作中,管道的隆起屈曲計(jì)算是海外業(yè)主普遍要求必須提交的設(shè)計(jì)文件，且被視作完整性管理的一部分內(nèi)容。結(jié)合多年來(lái)同阿布扎比國(guó)家石油公司(ADNOC)、沙特阿美(Saudi Aramco,即沙特國(guó)家石油公司)、殼牌(Shell)、道達(dá)爾(Total)、?？松梨?Exxon Mobil)等業(yè)主及沃利帕森斯(WorleyParsons)英國(guó)分公司、福陸(Fluor)英國(guó)分公司、德西尼布(Technip)等著名工程設(shè)計(jì)公司的項(xiàng)目合作經(jīng)驗(yàn),將在海外油氣田工程建設(shè)中實(shí)用的管道隆起屈曲計(jì)算方法加以介紹并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明,以期對(duì)海外油氣田工程設(shè)計(jì)及施工起到一定的借鑒指導(dǎo)作用。

1 管道隆起屈曲現(xiàn)象及研究應(yīng)用

屈曲問題是陸上高溫、高壓埋地管道一直存在的問題,研究管道屈曲方面的標(biāo)志性人物Palmer A C早在1974年就發(fā)表了一篇關(guān)于管道橫向屈曲的論文[1]。20世紀(jì)80年代后期,歐洲北海丹麥地區(qū)Rolf至Gorm的一條輸送溫度82 ℃的DN200油氣混輸海底管道發(fā)生了嚴(yán)重的屈曲[2],英國(guó)、挪威在北海的地區(qū)也發(fā)生了很多其他類似實(shí)例。它們雖然未導(dǎo)致泄漏失控,但是隨著近海石油、天然氣的大規(guī)模開采,管道屈曲若導(dǎo)致管道破裂失效,將造成海洋環(huán)境的大規(guī)模污染,這個(gè)問題逐漸引起人們的重視。尤其是油氣田管道一直朝著高溫、高壓方向發(fā)展,整個(gè)行業(yè)對(duì)管道屈曲問題的敏感性不斷提高,在海底管道隆起屈曲領(lǐng)域逐漸涌現(xiàn)出一大批研究成果[3-8]。

以Palmer A C為代表的學(xué)者對(duì)海底管道屈曲現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究[9-14],殼牌在1987年發(fā)起了一項(xiàng)全面的隆起屈曲研究計(jì)劃并隨后制定了其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范Shell DEP 31401016Upheaval Buckling of Pipelines(以下簡(jiǎn)稱Shell DEP 31401016規(guī)范)[15]。1990年,Palmer A C在第22屆國(guó)際海洋石油技術(shù)展覽會(huì)上發(fā)表了經(jīng)典論文Design of Submarine Pipelines against Upheaval Buckling,提出了一種簡(jiǎn)化的初步設(shè)計(jì)方法[16],該論文的經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)易且實(shí)用,至今被廣泛用于管道隆起屈曲分析計(jì)算,也被用于陸上埋地管道的初步分析。2006年K Peters發(fā)表論文About Upheaval and Lateral Buckling of Embedded Pipelines,進(jìn)一步拓展了Palmer A C的研究成果,可以求出沿管道斷面的最大允許上彎角度,更具指導(dǎo)性[17]。

經(jīng)過近四十年的發(fā)展,隆起屈曲研究從海底管道拓展到陸上埋地管道,而中國(guó)學(xué)者早期也做過一定的研究探討[18-19]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究范圍仍偏向于比較成熟的海底管道的隆起屈曲研究[20-24],涉及陸上管道的研究較少且多為凍土地區(qū)研究[25-26],所涉研究方法多為純理論性的探討或數(shù)值模擬。由于大部分理論方法都有待驗(yàn)證,且復(fù)雜的模擬或數(shù)值計(jì)算很難達(dá)到工程要求的簡(jiǎn)易實(shí)用或經(jīng)驗(yàn)公式的要求,大部分研究往往很難直接應(yīng)用于油氣田地面工程中的工程設(shè)計(jì)及施工。Palmer A C 1990年的OTC6335理論、K Peters 2006年的理論及Shell DEP 31401016規(guī)范提出的理論方法具有較強(qiáng)可實(shí)施性,在設(shè)計(jì)中不需要過于復(fù)雜的計(jì)算或數(shù)值模擬,用簡(jiǎn)單的工程計(jì)算軟件及Excel編輯計(jì)算公式即可得出計(jì)算結(jié)果,由此在海外陸上油氣田項(xiàng)目中被歐美石油公司及工程設(shè)計(jì)公司廣泛采用。下文將詳細(xì)介紹這三個(gè)理論方法,并以中東某油氣田一條DN300集輸管道干線為例,介紹三個(gè)公式的應(yīng)用實(shí)踐。示例管道設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 示例管道設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Pipeline design parameters of the project case

2 OTC6335理論

Palmer A C在OTC6335論文中介紹了一種簡(jiǎn)化分析模型,用于檢查所選的管頂覆土深度是否足以防止隆起屈曲。

2.1 方法理論

2.1.1 向下力計(jì)算

(1)

抵抗管道隆起屈曲的向下力與管道斷面缺陷有關(guān),上式中懸空高度δ,即管道從平直溝底的允許隆起高度值。土壤阻力也隨著懸空高度的增加而變化。計(jì)算中通常會(huì)對(duì)0.1～0.3 m的懸空高度進(jìn)行了隆起屈曲校核。

2.1.2 軸向力計(jì)算

Ne=pAi+A[Eα(T2-T1)-νSH]

(2)

式(2)計(jì)算出的軸向力考慮的為管道的完全約束條件。埋地管道上方土壤提供的抗拔力(單位長(zhǎng)度土壤阻力)的計(jì)算公式為:

Q=HeDρs

(3)

為避免管道屈曲,需要滿足:

|W|<|WO+Q|

(4)

2.1.3 懸空長(zhǎng)度計(jì)算

將管道穩(wěn)定在不超過懸空高度所需的單位長(zhǎng)度的最大向下力為：

W=2δNe

(5)

給定懸空高度下的懸空長(zhǎng)度由式(6)計(jì)算:

(6)

2.2 應(yīng)用實(shí)例

用Excel表格建立OTC6335的計(jì)算程序,結(jié)果見表2～3。

比較表2、3中的屈曲計(jì)算結(jié)果,未腐蝕的新建管道計(jì)算值相對(duì)保守(所需向下的阻力更大),因此,在設(shè)計(jì)管道斷面圖時(shí),應(yīng)遵循表3中基于非腐蝕條件(新建管道,未扣減腐蝕余量)的計(jì)算值。

表2 基于OTC6335理論的完全腐蝕條件下計(jì)算結(jié)果表Tab.2 Calculation result of corroded condition(OTC6335)

表3 基于OTC6335理論的新建管道(未腐蝕)條件計(jì)算結(jié)果表Tab.3 Calculation result of non-corroded condition(OTC6335)

3 Shell DEP理論

3.1 方法理論

Shell DEP 31401016的屈曲分析方法計(jì)算了在假定的懸空高度下管道可以抵抗隆起屈曲所需的外力,在考慮一定安全系數(shù)情況下將該外力與覆土及管道固有剛度形成的可用阻力進(jìn)行比較,以判斷是否滿足要求。該理論由于有Palmer A C的較大貢獻(xiàn),因此同OTC6335論文有很大的淵源性。Shell DEP 31401016對(duì)管道屈曲風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估分四個(gè)步驟:第一步是計(jì)算驅(qū)動(dòng)力(driving force);第二步是確定管道保持原位不發(fā)生隆起屈曲所需的向下總阻力(total downward force);第三步是根據(jù)管道重量,覆土的重量和抗剪力(埋設(shè)的管道)計(jì)算可用的抗拔力(available uplift resistance);第四步是比較所需的向下阻力和可用的向下阻力,以最終確定覆土是否滿足要求。

產(chǎn)生隆起屈曲的驅(qū)動(dòng)力是受限管道及其輸送介質(zhì)中的軸向壓力。該力一部分是由于介質(zhì)溫度升高引起,另一部分是由壓力引起,壓力會(huì)在包括鋼管和輸送介質(zhì)在內(nèi)的整個(gè)管道橫截面上產(chǎn)生壓力,還有一部分是管道鋪設(shè)后的殘余張力。

鋼管和輸送介質(zhì)在工作溫度和壓力以及殘余張力的共同作用下產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力(軸向壓力)Ne為:

Ne=(1-2ν)πR2p+2πRtEαΔT-TR

(7)

(8)

Hi

(9)

向下的阻力由管道重量及覆土向下施加的力之和組成。在給定的覆土深度下,每單位管道長(zhǎng)度的抗拔力由式(10)給出:

Q=HeDρs

(10)

(11)

3.2 應(yīng)用實(shí)例

用Excel表格建立Shell DEP的計(jì)算程序,結(jié)果見表4～5。

比較表4、5中的屈曲計(jì)算結(jié)果,未腐蝕的新建管道計(jì)算值相對(duì)保守(所需向下的阻力更大),因此,在設(shè)計(jì)管道斷面圖時(shí),應(yīng)遵循表5中基于非腐蝕條件(新建管道,未扣減腐蝕余量)的計(jì)算值。

表5 基于Shell DEP理論的新建管道(未腐蝕)條件計(jì)算結(jié)果表Tab.5 Calculation result of non-corroded condition(Shell DEP)

4 K Peters理論

4.1 方法理論

根據(jù)K Peters針對(duì)埋地(或堤埋)管道的論文[17],可以采用Mathcad軟件開發(fā)的程序計(jì)算管道沿線最大允許上彎角度。

4.1.1 彎曲應(yīng)力計(jì)算

為了降低屈曲發(fā)生的可能性,管道方向的變化必須以受控的方式設(shè)計(jì),因此需要計(jì)算最大允許上彎角度或最大水平轉(zhuǎn)角。為此,首先需要根據(jù)ASME B31.8—2018Gas Transmission and Distribution Piping Systems(以下簡(jiǎn)稱ASME B31.8)[27]第833.3節(jié)或ASME B31.4—2019Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries(以下簡(jiǎn)稱ASME B31.4)[28]第402.6.1節(jié)計(jì)算允許的彎曲應(yīng)力,另外需要滿足ASME B31.8第833.4節(jié)或ASME B31.4第402.7節(jié)組合應(yīng)力判則。

根據(jù)ASME B31.8第833.3節(jié)或ASME B31.4第402.6.1節(jié),受限管道(埋地管道)中的凈軸向應(yīng)力應(yīng)不大于90%SMYS,計(jì)算如下:

SL=SP+ST+SX+SB≤0.9×SMYS×T

(12)

(13)

4.1.2 懸空長(zhǎng)度計(jì)算

K Peters理論中管道允許上彎角度所需的臨界懸空長(zhǎng)度L的計(jì)算公式為:

L=2π

(14)

(15)

F=αΔTEA+(1-2ν)pAi

(16)

(17)

Ai

(18)

4.1.3 允許上彎角度計(jì)算

允許的上彎角度可使用K Peters論文中公式25的第一部分計(jì)算得出。η的值可通過式(19)計(jì)算得出:

(19)

ψL

(20)

(21)

4.1.4 給定上彎角度下允許的最小埋深計(jì)算

使用K Peters論文公式25的第二部分來(lái)計(jì)算給定角度下所需的抵抗隆起屈曲的阻力Rrequ。

(22)

(23)

(24)

4.2 應(yīng)用實(shí)例

用Mathcad建立K Peters理論的計(jì)算程序,見表6～7。

表6 基于K Peters理論的完全腐蝕條件下計(jì)算結(jié)果表Tab.6 Calculation result of corroded condition(K Peters)

比較表6、7中的屈曲計(jì)算結(jié)果,很明顯未腐蝕的新建管道計(jì)算值相對(duì)保守,因此,在設(shè)計(jì)管道斷面圖時(shí),應(yīng)遵循表7中基于非腐蝕條件(新建管道,未扣減腐蝕余量)的計(jì)算值。

表7 基于K Peters理論的新建管道(未腐蝕)條件計(jì)算結(jié)果表Tab.7 Calculation result of non-corroded condition(K Peters)

5 結(jié)論及建議

比較表2～7中針對(duì)OTC6335理論、Shell DEP理論和K Peters理論得出的隆起屈曲計(jì)算結(jié)果,各類計(jì)算情況下“非腐蝕”條件的結(jié)果更為保守,OTC6335和Shell DEP的計(jì)算方法較為容易通過Excel表格建立,K Peters理論的一些公式需要通過軟件建立。根據(jù)同海外油氣田項(xiàng)目業(yè)主及工程設(shè)計(jì)公司的項(xiàng)目合作經(jīng)驗(yàn),對(duì)海外油氣田集輸管道隆起屈曲計(jì)算的主要建議如下。

1)在基本設(shè)計(jì)階段,使用相對(duì)簡(jiǎn)單且可用Excel編輯計(jì)算的OTC6335理論或Shell DEP理論的公式原理對(duì)管道隆起屈曲進(jìn)行初步分析,并提出建議。

2)K Peters理論相對(duì)于OTC6335理論及Shell DEP理論來(lái)說(shuō)比較保守,且更加詳細(xì),因此在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,可采用K Peters理論對(duì)管道的隆起屈曲進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算,確定管道最大允許上彎角度及對(duì)應(yīng)的覆土厚度要求,用于指導(dǎo)管道斷面圖設(shè)計(jì)及施工。

3)屈曲計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮在未腐蝕條件下進(jìn)行計(jì)算。

由于油氣集輸管道設(shè)計(jì)溫度往往都在80 ℃以上,甚至達(dá)到110 ℃及以上,在海外油氣田中,管道的隆起屈曲常有發(fā)生。結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn),為減少管道的隆起屈曲危害,建議采取以下措施。

1)在特定的設(shè)計(jì)參數(shù)下有兩個(gè)主要方法可以控制隆起屈曲:第一個(gè)是確保在給定的覆土厚度下,管道縱向角度變化在計(jì)算得出的最大允許上彎角度上限之內(nèi);第二個(gè)是增加土壤阻力以增加上彎角度允許值上限。增加土壤阻力最直接的方法是增加覆土厚度。增加覆土厚度的首選方法就是埋地管道加大埋深,堤埋管道增加管堤高度。

2)管道縱斷面設(shè)計(jì)時(shí),如果管道縱向變化的角度超過計(jì)算的允許值,則需要對(duì)起伏較大的地形進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠秸詼p少管道縱向角度變化值或增加覆土深度(減少上彎角度,使斷面緩慢變化)。

3)由于集輸管道普遍存在同溝設(shè)計(jì)的問題,當(dāng)多條管道同溝時(shí),則最大允許上彎角度應(yīng)為所有管道中最大允許上彎角度中的最小值。

4)管道隆起屈曲計(jì)算報(bào)告結(jié)果應(yīng)反映在管道縱斷面圖中,以便有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工,圖紙應(yīng)說(shuō)明施工及設(shè)計(jì)中最大允許上彎角度并標(biāo)明最小彈性彎曲半徑。

5)在海外油氣管道設(shè)計(jì)文件中,管道屈曲校核往往作為管道壁厚及應(yīng)力校核的一部分內(nèi)容,當(dāng)進(jìn)行屈曲計(jì)算時(shí),若發(fā)現(xiàn)管道很容易出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象(例如,普遍需要提高覆土厚度或允許的彎曲角度很小),則需要考慮改變一定的設(shè)計(jì)輸入條件。根據(jù)Shell DEP 31401016第3章的建議,減少屈曲可采取的方式主要有提高鋼級(jí)(強(qiáng)度增大,有利于應(yīng)力計(jì)算即校核)、減小壁厚(即上述計(jì)算中遇到的,管道減薄/腐蝕情況下,屈曲危害降低;提高鋼級(jí)實(shí)質(zhì)也是達(dá)到了減小管道壁厚的目的)、改變?cè)O(shè)計(jì)/操作條件(比如,降低操作壓力及操作溫度)。