深水自由站立式立管壁厚及材料設(shè)計(jì)方法研究

黃 鈺

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

自由站立式立管(FSHR)由法國(guó)Technip公司開(kāi)發(fā)[1]，最早于1988年在墨西哥灣安裝完成。由于其良好的疲勞性能[2]，在之后的20年里，自由站立式立管在600～2 600 m的水深范圍里得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。目前服役的自由站立式立管均由國(guó)外公司設(shè)計(jì)安裝完成，技術(shù)較為成熟。我國(guó)在該領(lǐng)域相比國(guó)外起步較晚，相關(guān)研究較少。隨著我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)活動(dòng)逐漸從淺水走向深水，作為深水油氣開(kāi)發(fā)重要裝備之一的深水立管相關(guān)的技術(shù)也越來(lái)越得到重視。特別是近年來(lái)，我國(guó)的深水立管技術(shù)已經(jīng)逐漸從科研實(shí)驗(yàn)走向了生產(chǎn)應(yīng)用。而在諸多深水立管形式中，具有代表性的自由站立式立管也因其優(yōu)良的生產(chǎn)性能及工程業(yè)績(jī)受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文在對(duì)自由站立式立管壁厚計(jì)算原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例，介紹了其壁厚和材料的選擇方法。

1 自由站立式立管簡(jiǎn)介

自由站立式立管主要用于深海油氣田的開(kāi)發(fā)，目前在墨西哥灣、西非及巴西均有廣泛的應(yīng)用。依據(jù)目前的工程業(yè)績(jī)，截止到2009年，自由站立式立管的最大作業(yè)水深可達(dá)2 600 m。

自由站立式立管(FSHR)是一種以鋼性立管作為主體部分，通過(guò)頂部浮力筒的張力作用，垂直站立在海底，以跨接軟管作為外輸裝置與海上浮體相連接的立管結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合其自身特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中所依據(jù)的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)原理，包括所考慮的功能載荷、環(huán)境載荷、失效模式[3]等，和一般的淺水立管均有所不同。FSHR主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照截面形式劃分，自由站立式立管立管主體可分為單管式、管中管式和集束混合塔式立管三種[4]，而集束塔式立管又分為內(nèi)捆綁式和外捆綁式兩種。具體截面結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖1 FSHR主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 FSHR structure sketch

圖2 FSHR立管主體截面形式Fig.2 FSHR cross section configuration

2 自由站立式立管壁厚初步設(shè)計(jì)

2.1 概 述

自由站立式立管的壁厚初步設(shè)計(jì)是立管總體設(shè)計(jì)初始階段的一項(xiàng)重要內(nèi)容。準(zhǔn)確合理的壁厚初步選擇可以為自由站立式立管的后續(xù)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

自由站立式立管在壁厚初步選擇上遵循圖3所示流程。

圖3 FSHR壁厚設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 FSHR wall thickness design process

自由站立式立管主體在壁厚選擇中主要考慮以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)載荷：設(shè)計(jì)壓力；水壓試驗(yàn)壓力；水深引起的外部壓力；自由站立式立管主體(及所有涂層)重量；內(nèi)部介質(zhì)重量；浮力筒提供的有效張力。

頂部張力的主要作用是維持立管的穩(wěn)定性，自由站立式立管的頂部張力主要是由立管頂部的浮力筒來(lái)提供的。影響浮力筒尺度的兩個(gè)關(guān)鍵因素一是水深，因?yàn)檩^大的水深需要較大的浮力筒尺寸，浮力筒距離海面的深度與其所處海域(墨西哥灣、西非、巴西等)有很大關(guān)系，另外一個(gè)因素則是垂直立管所需張緊力，這由立管主體的材質(zhì)與尺寸決定。

在自由站立式立管壁厚的初選階段，浮力筒尺寸尚未完成，立管壁厚選擇分析中輸入的初始浮力筒張力，需要由立管重量與頂部張力系數(shù)(TTF)相乘得到、為保證浮力筒可以提供足夠的頂部張力，初步選定的立管壁厚可適當(dāng)保守考慮。

自由站立式立管主體壁厚選擇組合應(yīng)力分析[5]考慮操作期和水壓試驗(yàn)期兩個(gè)工況。外壓壓潰分析[5]中由于不考慮立管內(nèi)部壓力，所以壓潰分析只考慮操作期，不考慮水壓試驗(yàn)期。

2.2 組合應(yīng)力校核

沿立管任一點(diǎn)的應(yīng)力分量如下計(jì)算。

徑向應(yīng)力：

(1)

環(huán)向應(yīng)力：

(2)

軸向應(yīng)力：

(3)

Von Mises 應(yīng)力:

(4)

式中：Do為外徑；Di為內(nèi)徑；t為壁厚；A為截面積，

(5)

I為慣性矩；M為彎矩；Po,Pi,T, 和M是沿立管任一點(diǎn)的外壓、內(nèi)壓、真實(shí)的管壁拉力和彎矩。考慮多軸應(yīng)力組合，最大應(yīng)力可能出現(xiàn)在沿立管的任一點(diǎn)。

應(yīng)力校核公式為

σVonMises≤Cfσa，

(6)

式中：

σa=Caσy，基本許用應(yīng)力；

σy：材料的最小屈服強(qiáng)度；

Cf：設(shè)計(jì)工況因子。依據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)API-RP-2RD[6]規(guī)范，具體設(shè)計(jì)工況因子如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)工況因子

2.3 外壓壓潰校核

允許壓潰壓力判別標(biāo)準(zhǔn)為

Pa≤DfPc，

(7)

式中：Df為設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)API規(guī)范要求，對(duì)于無(wú)縫管或ERW管Df=0.75，對(duì)于DSAW管Df=0.60；

(8)

(9)

(10)

Py=2Yrt/D，

(11)

其中：Pc為預(yù)期的壓潰壓力；Pe為彈性屈曲壓力；Py為與拉力并存的屈服應(yīng)力；g為考慮管子不圓度的缺陷系數(shù)；so：臨界彎曲應(yīng)變，so=t/2bD；b為應(yīng)變衰減系數(shù)；s為圓管發(fā)生的彎曲應(yīng)變。

3 算 例

為了進(jìn)一步對(duì)自由站立式立管壁厚及材料選擇方法進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)以下算例分別選取不同的立管壁厚及材料等級(jí)進(jìn)行比較及驗(yàn)證。

算例FSHR立管主體壁厚設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示：

表2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

分析中設(shè)計(jì)工況因子操作期選取1.0，水壓試驗(yàn)期選取1.35。

初步選定擬校核立管壁厚為19.1 mm，材質(zhì)為API 5L PSL2 X70，并依據(jù)校核結(jié)果對(duì)壁厚及材料等級(jí)依次遞減，匯總成壁厚及材料等級(jí)組合列表，如表3所示。

表3 壁厚及材料等級(jí)組合校核列表

依據(jù)立管壁厚設(shè)計(jì)方法要求，對(duì)表3中的各組壁厚與材料等級(jí)分別進(jìn)行組合應(yīng)力和外壓壓潰的校核。其中，外壓壓潰校核保守考慮立管內(nèi)部無(wú)介質(zhì)，由于水壓試驗(yàn)期立管內(nèi)部充滿(mǎn)介質(zhì)水，故不進(jìn)行外壓壓潰校核。得到分析結(jié)果如表4所示。

表4 分析結(jié)果

如表4所示，當(dāng)UC值小于1時(shí)，分析結(jié)果滿(mǎn)足API-RP-2RD規(guī)范要求。當(dāng)壁厚為15.9 mm時(shí)，操作期“X65”和“X70”兩組的UC值均大于1，所以15.9 mm的立管主體壁厚不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

通過(guò)對(duì)不同壁厚及材料等級(jí)的分析結(jié)果進(jìn)行比較可知，校核結(jié)果變化趨勢(shì)合理，與工程實(shí)際相符。操作期的組合應(yīng)力校核結(jié)果為立管壁厚設(shè)計(jì)的控制工況，操作期結(jié)果大于水壓試驗(yàn)期結(jié)果，且隨著壁厚及材料等級(jí)的增加，校核結(jié)果逐漸減小。

依據(jù)表4分析結(jié)果，最終確定滿(mǎn)足API-RP-2RD規(guī)范要求的最小壁厚及材料等級(jí)初選結(jié)果為17.5 mm / API 5LPSL2 X65 (ERW)。

4 結(jié) 語(yǔ)

自由站立式立管作為一種應(yīng)用廣泛的深水立管，在設(shè)計(jì)方法以及參考規(guī)范等眾多方面都與淺水立管均有所不同。本文針對(duì)深水自由站立式立管的壁厚及材料設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。在自由站立式立管壁厚及材料初步選擇方法上，依托API-RP-2RD規(guī)范，分別從組合應(yīng)力和外壓壓潰兩個(gè)方面對(duì)自由站立式立管主體部分的初選的壁厚進(jìn)行校核，在校核過(guò)程中，需要針對(duì)不同的環(huán)境工況及載荷類(lèi)型依據(jù)規(guī)范選取相應(yīng)的設(shè)計(jì)因子，這種方法總體上屬于立管壁厚校核方法中的許用應(yīng)力法。依據(jù)這種方法初步選定的壁厚及材料等級(jí)還需要通過(guò)進(jìn)行其他分析校核，從而確定最終的自由站立式立管的壁厚及材料等級(jí)。在壁厚初步選擇中，準(zhǔn)確合理的選擇方法不僅可以保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)也可以提升設(shè)計(jì)效率，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作有效節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

[1] 張長(zhǎng)智，王桂林，段夢(mèng)蘭，等. 深水開(kāi)發(fā)中的幾種新型混合生產(chǎn)立管系統(tǒng)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(9)：20.

[2] 康莊,李輝,孫麗萍,等. 自由站立式立管總體運(yùn)動(dòng)疲勞分析[J]. 海洋工程，2011，29(4)：43.

[3] 曹靜，夏秋玲. 立管完整性管理分析[J].中國(guó)造船，2007(增刊)：654.

[4] 康莊,李輝,孫麗萍,等. 自由站立式立管總體設(shè)計(jì)與分析[J].船海工程，2011，40(5)：154.

[5] 張睿. 張力腿平臺(tái)TTR立管壁厚設(shè)計(jì)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[6] American Petroleum Institute. API-RP-2RD. Design of risers for floating production systems (FPSs) and tension-leg platforms (TLPs)[S].2006.