王春霞,雷俊杰,郝孟江,陳修輝,紀(jì)志遠(yuǎn)

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計院,天津 300451)

0 引 言

我國海上稠油資源豐富，渤海灣已探明多個稠油油田，儲量巨大。高效、經(jīng)濟、安全的開發(fā)模式對稠油資源的開采具有重要意義。目前稠油資源的開發(fā)主要采用蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油等3種方式。渤海區(qū)域主要采用蒸汽吞吐的方法，原理是周期性地向油田注入蒸汽，加熱油層，降低原油黏度。實現(xiàn)稠油熱采需要配套鍋爐水處理、注汽鍋爐、氮氣系統(tǒng)、高黏原油集輸?shù)扰涮坠に嚰夹g(shù)[1]，設(shè)計難度大、成本高，傳統(tǒng)模式是每個熱采平臺單獨配置一套鍋爐設(shè)備，無法實現(xiàn)各區(qū)塊規(guī)?；_發(fā)，經(jīng)濟效益差。

渤海某油田開發(fā)項目突破傳統(tǒng)開發(fā)模式，首次利用自升式移動注熱平臺交替為熱采平臺提供注熱蒸汽，實現(xiàn)多個平臺的資源共享，降低鍋爐等設(shè)備的成本，提高稠油熱采的經(jīng)濟效益。

1 棧橋與平臺連接方式

移動注熱平臺與熱采平臺通過棧橋連接，如圖1所示。

圖1 棧橋連接方案

棧橋采用旋轉(zhuǎn)設(shè)計方案，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在移動平臺端支撐立柱上；在固定平臺端設(shè)置搭接裝置，配置水平、豎直方向擋塊，約束棧橋過度運動。在進(jìn)行海上安裝時，棧橋通過旋轉(zhuǎn)裝置旋至固定平臺端的搭接端進(jìn)行安裝。棧橋在橫向分成2部分：一部分作為人行通道；一部分作為管道和電纜通道，為其提供支撐結(jié)構(gòu)。棧橋蒸汽管線與兩端平臺采用硬管連接，在兩端棧橋連接處設(shè)置法蘭連接。在平臺移位時，通過法蘭將兩端管線拆除，棧橋收回放置到移動平臺休息臂上。

2 蒸汽管線工況定義

在移動注熱平臺進(jìn)行海上作業(yè)時，需要分析其靜態(tài)工況和疲勞工況。

2.1 靜態(tài)工況

靜態(tài)工況按照載荷類型分為持續(xù)載荷、位移載荷、偶然載荷。持續(xù)載荷包括重力(管道、流體、保溫)、壓力載荷；位移載荷包括由溫度、棧橋位移造成的載荷；偶然載荷包括風(fēng)、地震載荷。基本工況如表1所示。

2.2 疲勞工況

按照應(yīng)變類型，疲勞分為低周疲勞和高周疲勞。低周疲勞的特點是高應(yīng)力、低壽命(小于105次)，在疲勞中起主導(dǎo)作用的為循環(huán)應(yīng)變，低周疲勞也被稱為應(yīng)變疲勞或塑性疲勞。高周疲勞的特點是低應(yīng)力、高壽命(疲勞壽命一般不低于105次)[2]。移動注熱平臺在通過棧橋蒸汽管線輸送蒸汽時，既有注熱啟停溫度變化引起的低周疲勞，又有波浪周期運動引起的高周疲勞。

某項目有2座熱采平臺，所處區(qū)域的波浪參數(shù)如表2所示。作業(yè)工況選擇一年一遇的波浪參數(shù)，自存工況選擇百年一遇的波浪參數(shù)。疲勞分析考慮3種疲勞工況：注熱啟停管道熱脹冷縮作用下的低周疲勞；作業(yè)工況波浪運動引起管道變形的高周疲勞；自存工況波浪運動引起管道變形的高周疲勞[3]。

某項目移動注熱平臺的設(shè)計壽命為20 a，前期注熱方案為蒸汽吞吐，交替服役于2座熱采平臺，共16個注熱周期，后期轉(zhuǎn)為化學(xué)輔助蒸汽驅(qū)，固定在1座平臺持續(xù)注熱。根據(jù)波浪周期，計算出在設(shè)計壽命內(nèi)的高周疲勞循環(huán)次數(shù)如3表所示。

3 疲勞分析方法

3.1 理論基礎(chǔ)

管道疲勞分析方法一般分為疲勞極限分析法、ASME B31.3疲勞分析方法、疲勞累積損傷法等3種。本項目采用后2種相結(jié)合的分析方法。

ASME B31.3疲勞分析方法通過控制計算位移應(yīng)力SE在規(guī)范許用的范圍之內(nèi)來防止疲勞的發(fā)生。ASME B31.3規(guī)定材料的計算位移應(yīng)力SE不能超過材料的許用位移應(yīng)力SA[4]：

SE≤SA=f(1.25Sc+0.25Sh)

(1)

疲勞累積損傷法基于材料的疲勞曲線(S-N曲線)和Miner線性累計損傷理論[5]。該理論認(rèn)為，當(dāng)材料結(jié)構(gòu)在多交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞破壞時，其總的損傷量D是各應(yīng)力范圍水平下的損傷量之和：

(2)

式中：k為多交變應(yīng)力范圍分級的個數(shù)，各級應(yīng)力范圍用Si表示；ni為應(yīng)力范圍Si在壽命內(nèi)的實際循環(huán)次數(shù)；Nia為材料達(dá)到疲勞極限所允許的循環(huán)次數(shù)。用D來度量材料結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷，當(dāng)D=1時，認(rèn)為材料發(fā)生疲勞破壞。

3.2 分析步驟

(1)基于ASME B31.3 確定各疲勞工況下的最大應(yīng)力范圍SE。蒸汽管線的材質(zhì)為A106B，設(shè)計溫度為390 ℃，最低環(huán)境溫度為-17.2 ℃。對應(yīng)的Sc為138 MPa、Sh為105 MPa。保守考慮，f設(shè)置為0.8，求得SE為160 MPa。

(2)計算波浪運動引起的疲勞工況下全位移當(dāng)量循環(huán)次數(shù)N。表3中計算的循環(huán)次數(shù)沒有考慮不同浪高作用在管道上的交變應(yīng)力的差異性。由波浪玫瑰圖(見圖2)可知：低浪高出現(xiàn)的概率高，但交變應(yīng)力小，對應(yīng)的位移應(yīng)力范圍小，在全壽命內(nèi)的許用循環(huán)次數(shù)多；高浪高出現(xiàn)的概率低，但交變應(yīng)力大，對應(yīng)的位移應(yīng)力范圍大，在全壽命內(nèi)的許用循環(huán)次數(shù)少。應(yīng)用DNV-RP-C203[6]的韋伯函數(shù)統(tǒng)計方法，假定最大浪高對應(yīng)的位移應(yīng)力范圍為SE，以0.1 m浪高為步長，計算每個浪高在對應(yīng)位移應(yīng)力范圍內(nèi)的當(dāng)量循環(huán)次數(shù)：

(3)

圖2 熱采平臺1波浪玫瑰圖

式中：Δσ為每個浪高對應(yīng)的位移應(yīng)力范圍，MPa；Q(Δσ)為超出應(yīng)力范圍Δσ出現(xiàn)的概率，應(yīng)力范圍出現(xiàn)的概率應(yīng)為1-Q(Δσ)；q為韋伯函數(shù)尺度因子；h為韋伯分布函數(shù)形狀因子，根據(jù)循環(huán)次數(shù)和最大應(yīng)力范圍，查DNV NOTES No.30.7 Table B-1，取1.04。

當(dāng)量循環(huán)次數(shù)的折算公式為

(4)

式中：Δσ0為計算的最大位移應(yīng)力范圍，MPa；Nwi為每個浪高單獨作用下引起的循環(huán)次數(shù)，Nwi=N0{1-Q(Δσi)-N0[1-Q(Δσi-1)]}，其中N0為生命周期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)API RP 2A-WSD(2010)，棧橋管線考慮2倍疲勞設(shè)計因子。平臺1在作業(yè)工況下的浪高為4.6 m，峰值應(yīng)力范圍為160 MPa，在生命周期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)為48 450 033，韋伯函數(shù)形狀因子h為1.04，韋伯函數(shù)尺度因子q為10.098。波浪運動的全位移當(dāng)量循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表4 韋伯函數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

同理，計算出平臺1在自存工況下以及平臺2在作業(yè)工況和自存工況下的全位移當(dāng)量循環(huán)次數(shù)。將各工況進(jìn)行累加，得出蒸汽管線在設(shè)計壽命內(nèi)總?cè)灰飘?dāng)量次數(shù)N=11 772。計算應(yīng)力減小系數(shù)f=0.92。

編制疲勞分析工況。根據(jù)第2節(jié)定義的靜態(tài)工況和疲勞工況以及第3節(jié)計算的全位移當(dāng)量循環(huán)次數(shù)。編制疲勞分析工況如表5所示。

表5 疲勞分析工況

確定疲勞分析曲線(S-N)。根據(jù)蒸汽管線的材料和溫度選用ASME Ⅷ DIV.2 ANNEX 3-F Figure 3-F.1M[7]作為疲勞分析曲線(見圖3)。該曲線適用于溫度不超過371 ℃的碳鋼，本研究課題蒸汽的最高操作溫度為355 ℃，在曲線的適用溫度范圍之內(nèi)。蒸汽的最高設(shè)計溫度為390 ℃，超過曲線的最高溫度，但考慮設(shè)計溫度屬于事故溫度，發(fā)生的概率低、時間短，而疲勞分析考慮的是長期周期應(yīng)力作用的結(jié)果，因此可基于該疲勞曲線進(jìn)行疲勞分析。

圖3 溫度不超過371 ℃、拉伸強度不超過552 MPa的碳鋼疲勞曲線

4 棧橋蒸汽管線方案設(shè)計

4.1 方案描述

為滿足移動注熱平臺及棧橋能適應(yīng)不同作業(yè)油田的差異性，減小棧橋位移對固定平臺和移動平臺內(nèi)端管線布置的影響，盡可能在固定平臺和移動平臺與棧橋連接位置附近設(shè)置固定支架，主要通過在棧橋上設(shè)置π形彎來吸收棧橋位移及高溫引起的管道熱應(yīng)力。

棧橋軸向位移達(dá)930 mm，考慮增加垂直于棧橋軸向的管段，即增加π形彎進(jìn)行長度補償；棧橋側(cè)向位移達(dá)3 839 mm，考慮利用棧橋與平臺的高度差，或設(shè)置豎直π形彎進(jìn)行補償。根據(jù)上述設(shè)計思路，對3種管道布置方案進(jìn)行詳細(xì)的靜態(tài)分析和疲勞分析。

3種方案的管道布置如圖4～圖6所示。方案1在靠近熱采平臺端設(shè)置2個方向相反的水平π型彎，由于棧橋的尺寸限制，π型彎懸至棧橋外部。方案2在靠近熱采平臺端設(shè)置1個水平π型彎和1個豎直向下的π型彎。方案3在靠近熱采平臺端設(shè)置1個水平π型彎和1個豎直向上的π型彎。

圖4 方案1

圖5 方案2

圖6 方案3

4.2 分析結(jié)果

采用CAESARⅡ軟件分別對3種方案進(jìn)行分析，3種方案的位移應(yīng)力云圖和疲勞應(yīng)力云圖如圖7～圖12所示，疲勞累積損傷率分別為0.38、0.06、0.03。

圖7 方案1位移應(yīng)力云圖

圖8 方案2位移應(yīng)力云圖

圖9 方案3位移應(yīng)力云圖

圖11 方案2疲勞應(yīng)力云圖

圖12 方案3疲勞應(yīng)力云圖

4.3 方案對比

將應(yīng)力分析結(jié)果、棧橋結(jié)構(gòu)、管道維護(hù)等方面進(jìn)行綜合對比，結(jié)果如表6所示。由表6可知，方案3的位移應(yīng)力和疲勞應(yīng)力最小，結(jié)構(gòu)的附加設(shè)計少、占用空間小，可滿足蒸汽管線安全、經(jīng)濟方面的要求。

表6 方案對比

5 結(jié) 論

(1)蒸汽管線高溫高壓且受棧橋大位移的影響，具有很高的危險性。必須進(jìn)行管道靜態(tài)分析、疲勞分析，以對管道的安全性進(jìn)行評估，保證生命財產(chǎn)的安全。

(2)棧橋蒸汽管線與移動注熱平臺及熱采平臺之間通過硬管(碳鋼材質(zhì))連接，采用管道自然補償,可吸收蒸汽高溫?zé)嵛灰萍捌脚_相對移動的棧橋大位移,同時消除波浪周期運動引起的管道疲勞。

(3) 借助韋伯函數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法,考慮不同波高對管道作用的差異性,計算各波高對應(yīng)的位移應(yīng)力范圍,折算當(dāng)量循環(huán)次數(shù)。與采用最大波高相比,設(shè)計更接近波浪真實的作用情況,避免設(shè)計冗余。

(4) 棧橋管線的布置方案除了需要考慮管道應(yīng)力外,還需要考慮棧橋結(jié)構(gòu)的強度、棧橋回放時布置空間的可行性、工藝的合理性等。

(5) 為滿足移動注熱平臺服役于不同平臺的兼容性,蒸汽管線布置方案在固定平臺和移動平臺端靠近棧橋連接處設(shè)置固定支架,將棧橋位移對平臺內(nèi)部管線的影響限定在有限的范圍內(nèi)。在詳細(xì)設(shè)計階段,在保證棧橋上管線方案不變的前提下,可將固定點的位置根據(jù)平臺內(nèi)管道的柔性進(jìn)行調(diào)整。

(6) 根據(jù)熱采平臺的移動需求,蒸汽管線與注熱平臺端管道連接須采用安全可靠的形式。本方案設(shè)計的是法蘭連接,并通過法蘭泄漏校核。但考慮熱采平臺實際就位的偏差,盡可能減少泄漏的原則,采用焊接的方案更可靠。