靜態(tài)柔性軟管彎曲加強(qiáng)器的設(shè)計(jì)

李 蘭，張蔭納

(天津海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

靜態(tài)柔性軟管彎曲加強(qiáng)器的設(shè)計(jì)

李 蘭，張蔭納

(天津海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

隨著柔性軟管的國產(chǎn)化，國內(nèi)越來越多的油田采用柔性軟管輸送油品介質(zhì)。在軟管管段之間的連接接頭屬于剛性結(jié)構(gòu)，而管體屬于柔性結(jié)構(gòu)，在接頭與管體之間存在剛度的突變，在受到較大彎矩作用時(shí)，柔性管體將被破壞，因此需要在管體和接頭之間設(shè)置彎曲加強(qiáng)器，起到剛度過渡的作用，保護(hù)管體。在進(jìn)行彎曲加強(qiáng)器的設(shè)計(jì)時(shí)，參考國外實(shí)例，選用聚氨酯彈性體作為結(jié)構(gòu)主材，并配有連接鋼件。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，重點(diǎn)介紹了靜態(tài)柔性軟管彎曲加強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)可在軟管過駁和安裝時(shí)保護(hù)管體。

海底管道；柔性軟管；接頭；彎曲加強(qiáng)器；聚氨酯彈性體

0 引 言

21世紀(jì)是開發(fā)利用海洋的新時(shí)代。我國的海洋石油開發(fā)技術(shù)正在飛速發(fā)展，對(duì)海洋石油管道的需求大大增加。目前海底管道分為2類，即鋼質(zhì)管道和柔性軟管。相對(duì)于鋼管，柔性軟管具有可設(shè)計(jì)、耐腐蝕、易彎曲、易鋪設(shè)、可回收、開發(fā)更經(jīng)濟(jì)、更適應(yīng)海洋環(huán)境等特點(diǎn)。柔性軟管最突出的特點(diǎn)是彎曲柔性好，可以承受較大的彎曲變形。在邊際油田開發(fā)中采用柔性管道，由于易鋪設(shè)、可回收、工期短，可以顯著降低工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本。柔性軟管在我國的邊際油田已逐步應(yīng)用。

柔性軟管的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝早期基本由國外三大軟管公司壟斷：法國Technip，英國Wellstream，丹麥NKT。但從2003年開始，國內(nèi)企業(yè)也紛紛開始研制國產(chǎn)軟管。目前已有應(yīng)用案例的如天津海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，其業(yè)務(wù)包含設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝及后期的維護(hù)，到目前為止已鋪設(shè)并投入使用的靜態(tài)軟管共8條，含注水管2條、輸氣管2條及三相混輸管4條，共約48.65 km。以上軟管目前都運(yùn)行正常，表明海洋柔性軟管已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

在軟管的生產(chǎn)過程中，受設(shè)備承重能力和空間大小的限制，一根軟管不可能是完全連續(xù)的，每1～2 km就會(huì)存在一個(gè)連接件，即接頭。接頭是鋼質(zhì)構(gòu)件澆筑環(huán)氧樹脂，接頭的剛度基本等同于金屬鋼件；而柔性軟管是由非金屬擠塑和金屬鋼絲纏繞而成，其柔性好，剛度低。這樣在接頭與軟管對(duì)接處，就出現(xiàn)一個(gè)剛度突變區(qū)，如果受到過大載荷或者反復(fù)的彎曲，在這個(gè)突變區(qū)就會(huì)損壞剛度小的軟管，造成軟管的失效。為了避免這種情況，可以在接頭與軟管的連接處設(shè)置彎曲加強(qiáng)器(BS)，在接頭與柔性軟管間起到剛度過渡的作用，從而保護(hù)軟管結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，重點(diǎn)介紹了靜態(tài)柔性軟管BS的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)可在軟管過駁和安裝時(shí)保護(hù)管體。

1 彎曲加強(qiáng)器簡(jiǎn)介

在軟管的生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備和空間的限制，所以每1～2 km就需要用接頭連接[1-2]。接頭連接柔性軟管的示意圖如圖1所示。

圖1 接頭與管體連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of end fitting connecting flexible pipes

在接頭與軟管對(duì)接處有剛度突變區(qū)，如果受到過大載荷或者反復(fù)的彎曲，在這個(gè)突變區(qū)就會(huì)損壞剛度小的軟管，從而破壞軟管結(jié)構(gòu)完整，造成軟管的失效。設(shè)置BS就是為了避免這種情況的出現(xiàn)。BS一般為錐子狀，在接頭與柔性軟管間起到剛度過渡的作用，保護(hù)軟管結(jié)構(gòu)[2]。圖2 為相關(guān)規(guī)范[3-4]中典型的動(dòng)態(tài)BS示意圖。

目前BS分為兩類：靜態(tài)BS和動(dòng)態(tài)BS[3]。美國特瑞堡公司是國際上有實(shí)力的BS設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家，其產(chǎn)品最長(zhǎng)已應(yīng)用15年。圖3為特瑞堡公司生產(chǎn)的BS照片。

圖2 典型的動(dòng)態(tài)BS示意圖Fig.2 Typical dynamic BS

圖3 特瑞堡公司生產(chǎn)的BS Fig.3 Trelleborg’s BS product

靜態(tài)BS主要配合輸油管線使用，用于在軟管岸邊過駁和鋪設(shè)中的軟管保護(hù)，防止軟管端部過度彎曲。

靜態(tài)BS由聚氨酯澆筑而成，見圖4。一般靜態(tài)BS長(zhǎng)度為1～2 m，其結(jié)構(gòu)形式多樣化，主要根據(jù)設(shè)計(jì)和安裝需要而定，其作用是增加軟管局部剛度。

圖4 BS澆鑄成型照片F(xiàn)ig.4 BS casting and molding

動(dòng)態(tài)BS主要用于柔性立管和臍帶纜，例如立管出浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)套筒局部，見圖5。

圖5 動(dòng)態(tài)BS用于FPSO的示意圖Fig.5 Application of dynamic BS to FPSO

一般動(dòng)態(tài)應(yīng)用其要求的壽命都比較長(zhǎng)，在15～25年之間。動(dòng)態(tài)BS與靜態(tài)BS都由聚氨酯澆鑄而成。

動(dòng)態(tài)BS主要是保護(hù)立管或者臍帶纜，增加其局部剛度，在環(huán)境力和船舶運(yùn)動(dòng)下，軟管所受拉力和曲率下的彎曲半徑不超過軟管的最小彎曲半徑。動(dòng)態(tài)BS都是依據(jù)項(xiàng)目需求，經(jīng)過專業(yè)分析軟件分析后確定的，都是特制品。

靜態(tài)BS的作用是過駁和安裝時(shí)的保護(hù)，所以其設(shè)計(jì)服務(wù)壽命一般是半年到一年，一般的聚氨酯彈性體都可達(dá)到。下面主要介紹靜態(tài)柔性軟管BS的設(shè)計(jì)。

2 靜態(tài)彎曲加強(qiáng)器的設(shè)計(jì)

BS的設(shè)計(jì)分為材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分。

2.1 材料選擇

BS主要包含非金屬聚氨酯主體和鋼質(zhì)連接件。

聚氨酯主體一般是聚氨酯彈性體材料，韌性好，耐用，并且能夠很好地適應(yīng)海底工況。聚氨酯的兩大特點(diǎn)是彈性模量低和斷裂伸長(zhǎng)率高，這樣就帶來很好的柔性和韌性。

由于鋼質(zhì)連接件需要長(zhǎng)期與海水直接接觸，所以對(duì)鋼構(gòu)件需要進(jìn)行防腐考慮。鋼質(zhì)連接件分為兩種：一種是采用耐海水腐蝕的超級(jí)雙相不銹鋼或者同等材料；另一種采用碳鋼材料，但是由于其不耐海水，就需要借助與BS對(duì)接的接頭防腐陽極保護(hù)系統(tǒng)，通過導(dǎo)線連接，進(jìn)而保護(hù)BS的碳鋼連接件。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于靜態(tài)BS，其作用是過駁和安裝時(shí)的保護(hù)，所以其設(shè)計(jì)服務(wù)壽命一般是半年到一年，一般的聚氨酯彈性體都可達(dá)到。

BS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)軟管和接頭的尺寸以及安裝的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。基本遵守如下原則：

(1) 考慮經(jīng)濟(jì)性，長(zhǎng)度在1～2 m；

(2) 最大外徑盡量不超過接頭外徑和連接構(gòu)件的外徑，也就是BS、接頭和軟管不要有凸起的部分，盡量是平滑的過渡，安裝方便快捷；

(3) BS需要與接頭進(jìn)行固定，保證BS在特定載荷(經(jīng)過多種載荷篩選)下的連接強(qiáng)度；

(4) 如果采用碳鋼的連接構(gòu)件，那么就需要考慮將其與接頭陽極通過導(dǎo)線連接進(jìn)行保護(hù)。

2.3 靜態(tài)BS設(shè)計(jì)實(shí)例

以某項(xiàng)目8英寸(1英寸=2.54 cm)保溫軟管為例，簡(jiǎn)述靜態(tài)BS的設(shè)計(jì)成果。

項(xiàng)目軟管為8英寸保溫軟管。為了避免在過駁和安裝中損壞軟管導(dǎo)致泄漏，可以在接頭與軟管連接處設(shè)計(jì)靜態(tài)BS。圖6為8英寸軟管接頭與管體連接示意圖。

圖6 8英寸軟管接頭與管體連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of the connection between end fitting and 8-inch pipe body

圖7 本項(xiàng)目靜態(tài)BS主尺度示意圖Fig.7 Principal dimensions of the designed static BS

本次設(shè)計(jì)靜態(tài)BS結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。其總長(zhǎng)1 000 mm，最大外徑600 mm，左端短錐段100 mm，右端長(zhǎng)錐段280 mm，平直段620 mm。其非金屬主材為聚氨酯彈性體，采用東大一諾威的D2186；鋼質(zhì)連接件采用Q345A，安裝完成后采用銅導(dǎo)線與接頭陽極連接，進(jìn)行防海水保護(hù)。連接螺栓采用M12，12.9級(jí)。 BS各材料如圖8所示。聚氨酯D2186和鋼件Q345A的性能見表1、表2。

圖8 靜態(tài)BS所用材料Fig.8 Materials used in the static BS

表1 聚氨酯D2186性能Table 1 Properties of polyurethane D2186

表2 Q345A性能Table 2 Properties of Q345A

BS與接頭和軟管的最終組裝連接結(jié)果如圖9所示。

圖9 BS與接頭和軟管組裝連接示意圖Fig.9 Assembly schematic diagram of BS with end fitting and pipe body

3 結(jié) 語

綜上所述，為了更好地保護(hù)接頭和軟管的連接處，避免損壞軟管，可以增設(shè)靜態(tài)BS。靜態(tài)BS在設(shè)計(jì)時(shí)，更多的是考慮安裝中保護(hù)軟管；其形式則是從經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)施工的便利性上擇優(yōu)確定。同時(shí)，BS的主材采用聚氨酯；鋼質(zhì)連接件采用雙相不銹鋼，也可采用碳鋼，但需要考慮其海水保護(hù)。

[1] American Petroleum Institute.API SPEC 17J.Specification for unbonded flexible pipe[S].2008.

[2] American Petroleum Institute.API RP 17B.Recommended practice for flexible pipe[S].2008.

[3] American Petroleum Institute.API SPEC 17L1.Specification for flexible pipe ancillary equipment[S].2012.

[4] American Petroleum Institute.API RP 17L2.Recommended practice for flexible pipe ancillary equipment[S].2012.

DesignofStaticBendStiffenerforFlexiblePipes

LI Lan,ZHANG Yin-na

(NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)

With the localization of flexible pipes,more and more oil fields use the flexible pipe as conveying flowline.End fitting whose function is to connect the pipe sections is a rigid structure,while the pipe body is flexible,there is a stiffness mutation between them.When subjected to a large bending moment,the pipe body will be damaged,so it is necessary to set a bend stiffener between the pipe and the end fitting.To design a bend stiffener,an applicable material should be selected.We use polyurethane elastomer as the principal material for the bend stiffener.Besides,some steel interface structures are requisite.We mainly introduce a static bend stiffener design.It can protect the pipe during installation and overboarding.

subsea pipeline; flexible pipe; end fitting; bend stiffener; polyurethane elastomer

TE973；TE42

A

2095-7297(2014)03-0223-04

2014-08-07

國家科技重大專項(xiàng) (2011ZX05026-005)

李蘭(1984—)，女，助理工程師，主要從事海洋工程和軟管方面的研究。