趙明哲，郭興偉，王偉，趙曉磊，杜孟云

（海洋石油工程股份有限公司， 天津市 300452）

引言

隨著水下油氣資源開發(fā)逐漸深入，我國將發(fā)展水下項目、打造水下工程裝備和開發(fā)水下生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計和施工技術(shù)作為實施水下工程戰(zhàn)略措施。PLET（Pipeline End Termination）即海底管道終端設(shè)備，位于海管的末端，將海管和其他生產(chǎn)設(shè)施（如管匯、采油樹等）通過跨接管連接起來，是水下生產(chǎn)設(shè)施中重要的設(shè)備之一。在不同的水下項目中，PLET形式各種各樣，典型的PLET有整體式、分體式和折疊式。但是其組成通常有以下幾部分：管道系統(tǒng)和組件、結(jié)構(gòu)框架、防沉板基礎(chǔ)和YOKE（軛）[1]。管道系統(tǒng)是水下生產(chǎn)設(shè)施的動脈，維修成本高昂，一旦泄露會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境影響，其可靠性至關(guān)重要。海底管道終端設(shè)備管道在安裝、運(yùn)行過程中所受外力復(fù)雜，在設(shè)計階段，要通過完備的強(qiáng)度校核以保證其安全可靠。文章以南海某氣田開發(fā)項目水下產(chǎn)品PLET管道設(shè)計為例，基于DNVGL-ST-F101規(guī)范，介紹了水下PLET剛性管道強(qiáng)度設(shè)計分析及選取的方法，為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

1 產(chǎn)品簡介

該南海氣田項目的開發(fā)包括一棵水下采油樹、一條水下管道和一條水下臍帶電纜。來自該項目的井液將通過一條8“管道輸送至相鄰氣田的水下管匯。本項目PLET管道與海底管道公稱直徑保持一致，選取8“管道，材質(zhì)是復(fù)合管，在強(qiáng)度計算時，不考慮內(nèi)部腐蝕余量。設(shè)計水深約750m，PLET整體布置圖詳見圖1。其中2號件是該產(chǎn)品主管道，一端用90°彎管和管段與連接器HUB焊接。一般用連接器通過JUMPER（跨接管）把PLET與其它水下生產(chǎn)設(shè)施相連。主管道的另一端焊接錨固件（BULKHEAD）與海管連接。文章重點(diǎn)介紹PLET主管道設(shè)計方法。

圖1 整體式海底管道終端設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖2 海底管道終端設(shè)備管道布置圖

2 主管道設(shè)計選取方法

2.1 設(shè)計數(shù)據(jù)

水下PLET是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其管道設(shè)計應(yīng)滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的使用要求，還要滿足產(chǎn)品建造、測試以及下水安裝的要求。在管道設(shè)計計算過程參考了規(guī)范DNVGL-ST-F101（海底管道系統(tǒng)）。輸入數(shù)據(jù)：設(shè)計水深750m，設(shè)計溫度-29/80℃（最低/最高），材質(zhì)為碳鋼無縫管DNVGL 450FD，運(yùn)行期介質(zhì)密度40～180 Kg/m3。詳細(xì)數(shù)據(jù)參見表1-1：

表1-1：用于壁厚計算的PLET管道數(shù)據(jù)輸入

碳鋼級 DNVGL 450FD運(yùn)行期介質(zhì)密度（最小/最大）[Kg/m3]40～180屈服[MPa] 450 試驗介質(zhì)密度[Kg/m3] 1025抗拉[MPa] 535 設(shè)計水深[m] 747楊氏模量[MPa] 207000 最高水位 2.71泊松比[-] 0.3 海水密度[Kg/m3] 1025 DNV最大制造因子αfab 1.00溫度引起的材料DNV降額[MPa] 18

安全等級分為低級、中級和高級。安全等級的選取是根據(jù)輸送介質(zhì)、管道分區(qū)和工況進(jìn)行。本例中在安裝和壓力測試期其安全等級輸入低，在運(yùn)行期，輸入等級中等。管道特性輸入數(shù)據(jù)是根據(jù)項目需求選取的管道鋼級、腐蝕余量、制造公差、設(shè)計壓力、水壓試驗壓力等參數(shù)。

2.2 計算方法

本文PLET管道的設(shè)計是按照載荷抗力系數(shù)法（LRFD），是一種基于可靠度分析的極限狀態(tài)設(shè)計[2]，要求設(shè)計載荷不超過設(shè)計抗力。無論在施工、安裝、系統(tǒng)測試或運(yùn)行期間，管道應(yīng)能承受管道內(nèi)部和外部壓力之間的最大壓差。在計算過程中單管壁厚設(shè)計考慮以下2個條件：內(nèi)壓（爆破）設(shè)計和外壓（壓潰）設(shè)計。

依據(jù)DNVGL-ST-F101，計算時假設(shè)條件：

在抗爆破分析時，假設(shè)內(nèi)壓最大，外壓最?。磯翰钭畲髼l件）?？捎嬎愠龉艿辣苊馄屏训淖钚”诤?。

在抗壓潰分析時，假設(shè)外壓最大而內(nèi)壓最小，計算出管道避免壓潰的最小壁厚。

諸多研究表明，壓潰壓力是管道產(chǎn)生屈曲的必要條件，并且屈曲傳播壓力小于壓潰壓力。在計算分析時，抗屈曲傳播分析可與抗壓潰分析同時考慮，根據(jù)最大差壓，計算管道所需最小壁厚。

計算時使用t1和t2兩種壁厚特征，當(dāng)在薄弱環(huán)節(jié)可能發(fā)生失效時，使用厚度t1。而厚度t2用于下表中定義的在最大載荷下，在管道壁厚平均厚度的位置處可能發(fā)生失效時，根據(jù)DNVGL規(guī)范，t1用于爆破和壓潰檢查。如下表所示：

表1-1 特征壁厚

設(shè)計強(qiáng)度按如下公式：

其中：

Rc特征抗力

fc特征材料強(qiáng)度

tc特征厚度

O0加載前管道的不圓度

γm材料抗力系數(shù)

γSC，i安全等級抗力系數(shù)

材料抗性系數(shù)γm取決于極限狀態(tài)類別，計算時按表2定義[3]

表2材料抗性系數(shù)γm

其中：SLS 操作極限狀態(tài)

ULS 極端極限狀態(tài)

ALS 偶然極限狀態(tài)

FLS 疲勞極限狀態(tài)

安全等級抗性系數(shù)γSC可按表3定義

表3安全等級抗性系數(shù), γSC

在抗力計算中，還需使用的材料特性有特征屈服強(qiáng)度fy=(SMYS-fy,temp)×αu和特征抗拉強(qiáng)度fu=(SMTS-fu,temp)×αu。其中，材料強(qiáng)度系數(shù)αu，取0.96。

fy，temp和fu，temp分別是屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度因溫度變化而降低的額定值。圖3為DNVGL-ST-F101建議的用于評估C-Mn鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的降值。

圖3 屈服應(yīng)力的建議降值

抗爆破能力分析時，依據(jù)DNVGL-ST-F101要求，需滿足內(nèi)壓載荷小于內(nèi)壓抗力。下面公式分別用于操作狀態(tài)和試壓狀態(tài)下的抗爆破設(shè)計。二個公式均是由管道實際內(nèi)壓與內(nèi)壓抗力進(jìn)行對比，以此來確定滿足相應(yīng)條件的管道最小壁厚[4]。

其中

pe外部壓力

t1管道特征壁厚

=t - tfab, 用于運(yùn)行前條件

=t -tfab- tcorr, 用于運(yùn)行條件

γm材料抗力系數(shù)

γsc,pc安全等級抗力系數(shù)

pb(x) 抗壓能力

pli= 局部偶然壓力

=pd·γinc+ ρcont·g·h

pd設(shè)計壓力

γinc設(shè)計壓力附帶比

g 重力加速度

h 點(diǎn)和參考點(diǎn)之間高度差

tfab制造厚度公差

tcorr腐蝕余量

αmpt和αspt由表4給出.

表4 壓力試驗系數(shù)

ν泊松比

fy特征屈服應(yīng)力

Dmax測得的最大內(nèi)徑或外徑

Dmin測量的最小內(nèi)徑或外徑

D標(biāo)稱外徑

從公式可以看出管道屈曲發(fā)生與材料建造系數(shù)、屈服應(yīng)力、和管道規(guī)格（外徑和壁厚）相關(guān)。其中，t/D值越大，彈性壓潰的臨界力越大，則屈曲傳播激發(fā)的壓力越大。

抗壓能力pb(t) 由下公式給出:

承壓能力可使用DNVGL開發(fā)的Excel表格進(jìn)行計算分析。

抗外部壓潰設(shè)計分析時，需滿足下面公式：

公式中Pmin是可維持的最小內(nèi)部壓力，在本例計算中，Pmin取0，Pc為 特征壓潰壓力。該式要求外壓載荷不大于外壓特征抗力。外部壓潰分析，是考慮產(chǎn)品在內(nèi)部無填充時，由于海水靜壓作用，引起管道發(fā)生徑向壓潰。深水PLET管道系統(tǒng)設(shè)計中，抗海水壓潰分析是重要的校核要點(diǎn)。

同時，規(guī)范規(guī)定局部屈曲極限狀態(tài)應(yīng)滿足系統(tǒng)崩潰要求，所有規(guī)定荷載組合應(yīng)滿足極限狀態(tài)要求。外部壓力崩潰的特征抗力由下面工時計算：

其中：pp塑性破壞臨界力

Pel彈性壓潰臨界力

αfab建造系數(shù)

E彈性模量

2.3 計算結(jié)果

根據(jù)DNVGL-ST-F101并使用DNVGL開發(fā)的Excel表格進(jìn)行計算分析，在設(shè)計水深750m計算8in PLET剛性管道，壓潰（外部超壓）臨界壁厚為7.41mm，承壓（爆破）臨界壁厚為6.71mm，系統(tǒng)測試需要最小壁厚為8.54mm。綜上所述，選取的8in PLET剛性管道壁厚不應(yīng)小于8.54mm。結(jié)合工程項目水下生產(chǎn)系統(tǒng)主管道信息，實際選取的PLET主管道壁厚為12.7mm（包含3mm復(fù)合層，內(nèi)部腐蝕余量0）。

3 結(jié)論

文章根據(jù)DNVGL-ST-F101，應(yīng)用管道強(qiáng)度分析的載荷抗力系數(shù)法（LRFD），以南海某氣田開發(fā)項目水下管道終端設(shè)備剛性管道設(shè)計為例，進(jìn)行管道壁厚的計算驗證。通過分析得出壓潰（外部超壓）和爆破（內(nèi)部超壓）是水下PLET管道強(qiáng)度計算的主要影響因素。在最大壓差假設(shè)條件下，計算出管道發(fā)生破壞極限狀態(tài)的最小壁厚，驗證了管道強(qiáng)度。結(jié)合工程項目的水下生產(chǎn)系統(tǒng)主管道尺寸規(guī)格，為PLET主管道選取了適合的參數(shù)。經(jīng)計算分析得出以下結(jié)論：壓潰（外部超壓）和爆破（內(nèi)部超壓）是水下PLET管道強(qiáng)度計算的主要影響因素；管道的厚徑比（t/D）值越大，發(fā)生壓潰的臨界力越大，則激發(fā)屈曲傳播的壓力越大。