模塊鉆機管線的材料及壁厚選用

陳明慶

(天津中海油工程設(shè)計有限公司 天津300452)

模塊鉆機管線的材料及壁厚選用

陳明慶

(天津中海油工程設(shè)計有限公司 天津300452)

模塊鉆機管道材料及管道壁厚的選用對管道的制造、使用安全及管道投資有著舉足輕重的作用。合理選用管道材料及壁厚，一方面能很好地保證管道系統(tǒng)使用的安全性，也能在一定程度上降低工程的一次投資及后續(xù)維保費用。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合以往項目的工程經(jīng)驗，從系統(tǒng)壓力、管道介質(zhì)、材料選用及腐蝕余量等方面，系統(tǒng)論述了不同流體工況對管道材料及壁厚的不同要求，給出了模塊鉆機上管道材料及壁厚的一般選用原則。

模塊鉆機 流體工況 管道材料 壁厚計算

0 引 言

模塊鉆機由鉆井設(shè)備模塊(DES)和鉆井支持模塊(DSM)組成。作為海上生產(chǎn)設(shè)施的重要組成之一，模塊鉆機主要負責(zé)鉆井、修井等重要生產(chǎn)作業(yè)。模塊鉆機管道系統(tǒng)由公用管道系統(tǒng)、泥漿管道系統(tǒng)、液壓控制管道系統(tǒng)等組成。其中，管道系統(tǒng)材料及壁厚的選用是模塊鉆機管道設(shè)計的重要組成部分，對整個管道費用的控制、建造采辦要求及后期維護都有很大的影響。有鑒于此，本文對模塊鉆機管道系統(tǒng)材料及壁厚的選用進行了較為全面的探討，給出了模塊鉆機管道系統(tǒng)材料及壁厚選用的一些基本原則。

1 模塊鉆機管道系統(tǒng)流體工況分類

模塊鉆機管道系統(tǒng)依照ASME B31.3《工藝管道》進行分類，可分為D類流體工況、常規(guī)流體工況及高壓流體工況3大類，具體分類見表1：

表1 模塊鉆機管道系統(tǒng)分類Tab.1Category of piping systems of modular drilling rig

2 模塊鉆機管線的材料選用

模塊鉆機各管道系統(tǒng)的材質(zhì)主要包括碳鋼、鍍鋅碳鋼、合金鋼及不銹鋼。根據(jù)各個流體工況的壓力、溫度及腐蝕性等的差別，模塊鉆機管道系統(tǒng)材質(zhì)的選取建議如下：

2.1 D類流體管道系統(tǒng)選材

D類流體屬于低壓(設(shè)計壓力為1,MPa以下)、無毒介質(zhì)，管線材質(zhì)選用碳鋼，管子材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME A106,Gr.B或20# GB/T,8163，管徑2"及以上管件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME A234,Gr．WPB或20# GB/T,8163，2"以下管件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME A105或16,Mn JB4726。由于D類流體腐蝕性較小，同時管道系統(tǒng)對清潔度的要求不是特別高，故管線一般不做內(nèi)部防腐處理，只需適當(dāng)選取腐蝕余量即可。

2.2 常規(guī)流體管道系統(tǒng)選材

對于常規(guī)流體管道，由于介質(zhì)或者設(shè)備對管道系統(tǒng)的承壓及清潔度不同，所以模塊鉆機中常規(guī)流體管道系統(tǒng)的材料選用可分為以下4部分：

①對于海水系統(tǒng)及消防水系統(tǒng)管線材質(zhì)選用ASME A106,Gr.B或20# GB/T,8163，管徑2"及以上管件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME A234,Gr．WPB或20# GB/T,8163，2"以下管件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為ASME A105或16,Mn JB4726。考慮到介質(zhì)對管線材料的腐蝕影響，模塊鉆機配管工程設(shè)計中建議對管線進行熱浸鋅處理，同時加大管線腐蝕余量，以延長管線壽命，減少項目投產(chǎn)后的維護、改造費用。

②對于公用氣/儀表氣系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)管線材質(zhì)選用ASME A106,Gr.B或20# GB/T,8163，管徑3"及以上管件材質(zhì)選用ASME A234,Gr.WPB或20# GB/T,8163，3"以下管件材質(zhì)選用ASME A105或16,Mn JB4726。為保證現(xiàn)場使用過程中介質(zhì)的清潔度，建議對管線進行熱浸鋅處理，避免由于管道內(nèi)部銹蝕而影響設(shè)備或儀表的正常工作。

③對于FM200系統(tǒng)，考慮其屬于中壓系統(tǒng)，且介質(zhì)泄放時管線震動較大，如果使用國內(nèi)材料，應(yīng)使用制造要求更為嚴格的鋼管材料，以滿足管道的使用要求。一般模塊鉆機上管線材質(zhì)選用ASME A106,Gr.B或20# GB/T,6479，管徑2"及以上管件材質(zhì)選用ASME A234,Gr．WPB或20# GB/T,6479，2"以下管件材質(zhì)選用ASME A105或16,Mn JB4726。同時，為保證管道內(nèi)部的清潔度，建議對管線進行熱浸鋅處理，避免由于管道內(nèi)部生銹堵塞噴嘴，影響噴淋效果。

④對于液壓系統(tǒng)，液壓設(shè)備對系統(tǒng)清潔度要求極高，且整個液壓系統(tǒng)為內(nèi)部循環(huán)流程，如果采用一般的碳鋼材料進行內(nèi)涂防腐處理，一旦涂層損壞，管線本體便會受到腐蝕，而如果銹屑進入到管道系統(tǒng)中，便會影響到設(shè)備的正常運行，甚至停機。為了避免上述情況的發(fā)生，液壓系統(tǒng)材料選用不銹鋼，模塊鉆機液體系統(tǒng)常用奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼具有良好的韌性、塑性、焊接性、耐腐蝕性及優(yōu)異的低溫和高溫性能，因此比較適合應(yīng)用于液壓油系統(tǒng)。奧氏體不銹鋼根據(jù)含碳量的不同分為高碳型、低碳型和超低碳型。根據(jù)3種奧氏體不銹鋼的性能特點，結(jié)合液壓系統(tǒng)介質(zhì)的使用壓力、溫度及系統(tǒng)性能要求，液壓系統(tǒng)材質(zhì)選用超低碳奧氏體不銹鋼，管線材質(zhì)選用A312,TP316L或00Cr17Ni14Mo2,GB/T,14976，管件材質(zhì)選用ASME A182,F316L或00Cr17Ni14 Mo2 JB4728。

2.3 高壓流體管道系統(tǒng)選材

對于高壓流體管道系統(tǒng)，因為系統(tǒng)壓力較高，且管道本體直接與鉆井液或井口返回液體接觸，井口液中含有一定量的硫化氫、二氧化碳等的混合物，所以在選材時應(yīng)選用滿足API 6A中推薦的高強度合金鋼，保證管道的耐壓、耐磨損性能。同時，材料的性能應(yīng)滿足NACE-MR-0175的要求，保證材料的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能。

對于壓力等級為5,000,PSI的高壓泥漿、高壓放空及節(jié)流壓井液管道系統(tǒng)，管線材質(zhì)選用API 5,L X52或16,Mn GB,6479，管件材質(zhì)選用ASTM A694 F52或16,Mn GB,6479。對于高壓泥漿系統(tǒng)，以上材料在現(xiàn)場應(yīng)用中被證明可焊性較好，且能很好地滿足強度要求。

對于壓力等級為10,000,PSI的高壓水泥管道系統(tǒng)，管線選用ASTM A519 Gr.4130或35,CrMo GB/T,3077，管件選用AISI 4130或35,CrMo GB/T,3077被證明效果是較好的。但是由于合金剛碳當(dāng)量較大，所以焊后需要進行熱處理，以保證焊口具有良好的機械強度。同時，供應(yīng)商應(yīng)提供管線及管件的沖擊試驗、合金含量、拉伸試驗及水壓實驗等數(shù)據(jù)。

3 管道壁厚計算與壁厚選用

3.1 設(shè)計壓力

根據(jù)相應(yīng)的管道設(shè)計壓力，海上模塊鉆機工程設(shè)計中各管線系統(tǒng)采用的公稱壓力分級包括以下3種：

①除了液壓油系統(tǒng)外的D類流體和常規(guī)流體，采用美國國家材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.5《管法蘭和法蘭管件》的公稱壓力分級，ASME B16.5的壓力分級見表2：

表2 ASME公稱壓力分級(單位：lb.)Tab.2 ASME nominal pressure rating(Unit：lb.)

②液壓系統(tǒng)采用美國汽車工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《四螺栓拼合法蘭型液壓法蘭管、管道及軟管接頭》(SAE J518 CODE61)的公稱壓力分級，SAE J518 CODE61的壓力分級見表3：

表3 SAE公稱壓力分級(單位：psi)Tab.3 SAE nominal pressure rating(Unit：psi)

③高壓流體工況系統(tǒng)采用美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》(API Spec 6A)的公稱壓力分級，API Spec 6A的壓力分級見表4：

表4 API公稱壓力分級(單位：psi)Tab.4 API nominal pressure rating(Unit：psi)

3.2 設(shè)計溫度

模塊鉆機管道及其管件的設(shè)計溫度按照以下原則選取：

①操作溫度高于15,℃，設(shè)計溫度的上限應(yīng)不低于最大操作溫度以上30,℃；設(shè)計溫度的下限應(yīng)等于或低于環(huán)境溫度。②操作溫度在-30～15,℃之間，設(shè)計溫度的上限應(yīng)為50,℃；設(shè)計溫度的下限應(yīng)低于最低操作溫度至少5,℃或等于環(huán)境溫度，取較低者。

3.3 管道壁厚計算

鋼管的尺寸、材質(zhì)、壁厚等的選定，首先從管內(nèi)流速、壓力損失確定經(jīng)濟的管徑，其次根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)腐蝕、經(jīng)濟性、安全性或耐用年數(shù)(使用壽命)等因素綜合考慮，選擇合適的鋼管和壁厚，使其滿足使用的安全性和成本的合理性。

管壁厚度的計算使用美國國家協(xié)會ASME B31.3《工藝管道》規(guī)定的管壁厚計算方法，計算公式如下：

式中：t——承受內(nèi)壓力的計算壁厚，mm；tm——最小管壁厚，mm；C——機械加工減薄量，見ASME B1.1和腐蝕裕量(見表5)的總和，mm。

當(dāng)金屬管壁厚t＜D/6時，內(nèi)壓管線壁厚按下式計算：

式中：t——承受內(nèi)壓力的計算壁厚，mm；P——設(shè)計壓力，MPa(表壓)；D——管道外徑，碳鋼管見ASME B36.10，不銹鋼管見ASME B36.19，mm；S——許用應(yīng)力，見ASME B31.3或GB 150，MPa；E——縱向焊接系數(shù)，模塊鉆機選用無縫鋼管，焊接系數(shù)為1，見ASME B31.3；Y——溫度系數(shù)，Y值見ASME B31.3；W——焊接接頭強度減弱系數(shù)，見ASME B31.3。

用上述公式計算得到的是管子的最小壁厚，但在工廠制造時會存在一定的公差，所以選用厚度時應(yīng)考慮到鋼管的制造公差，故：

式中：T——管子選用壁厚，mm；tm——計算得到的管子壁厚，mm；M——允許的制造公差，鋼管制造公差為±12.5%。

表5 模塊鉆機管道系統(tǒng)腐蝕余量Tab.5Piping system’s corrosion allowance of modular drilling rig

3.4 管線壁厚選用

壓力管道一般以管子表號表示管子的壁厚，管子表號為操作壓力和操作溫度下的材料許用應(yīng)力的比值乘以1,000并經(jīng)過圓整后的數(shù)值，按照以下公式計算得出：

SCH[]＝P/S×100

式中：P——操作壓力，MPa；S——操作溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa。

模塊鉆機配管工程設(shè)計中，碳鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)遵照ASME B36.10，奧氏體不銹鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)遵照ASME B36.19。值得注意的是，為了保證管線的機械強度，管子選用壁厚T有以下要求：

① N.P.S為1/2"～2"，管子選用壁厚T≥SCH80。② N.P.S為3"～8"，管子選用壁厚T≥STD。③N.P.S為10"～24"，管子選用壁厚T≥SCH20。

根據(jù)管線腐蝕余量表，選用腐蝕余量3,mm，管線為焊連接，機械加工減薄量為0,mm，故C＝3,mm，管線最小壁厚tm值如下：

選用鋼管制造公差M為-12.5%,，管線的選用壁厚為：

對照ASME B36.10管線壁厚表，選用SCH80管線壁厚等級。同時，此壁厚等級滿足N.P.S為1/2"～2"的管線最小壁厚要求，能滿足管線機械強度要求，故壁厚選用合適。

4 結(jié) 論

以上給出了海洋模塊鉆機管道系統(tǒng)材料及壁厚選用的一些基本原則。管線材料及壁厚的選用應(yīng)以工藝介質(zhì)、壓力、溫度為基礎(chǔ)，考慮管道內(nèi)腐蝕及應(yīng)力腐蝕的要求，保證管線材料的機械性能及壁厚選用滿足系統(tǒng)壓力和溫度組成的最苛刻條件下的強度要求。上述基本原則對于海洋鉆機管道系統(tǒng)材料及壁厚的選用具有一定的實際指導(dǎo)意義，既能在很大程度上縮短管線的設(shè)計周期，保證管道系統(tǒng)的整體質(zhì)量及安全性能，同時對海洋模塊鉆機管道費用的控制、建造采辦要求及后期維護具有一定的參考意義?！?/p>

［1］ 《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會. 海洋石油工程設(shè)計指南第七冊[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［2］ 董大勤. 化工設(shè)備機械基礎(chǔ)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］ 查爾斯·貝赫特IV. 工藝管道ASME B31. 3實用指南[M]. 2版，陳登豐，譯. 北京：化學(xué)工藝出版社，2006.

［4］ 內(nèi)亞(Nayyar M L). 管道手冊[M]. 李國成，等譯，北京：中國石化出版社，2006.

A Brief Probe into the Selection of Pipe Material and Wall Thickness for Offshore Modular Drilling Rigs

CHEN Mingqing
(CNOOC Tianjin Engineering Design Corp．Ltd.，Tianjin 300452，China)

The selection of pipe material and wall thickness is important to piping fabrication，safety service and investment of modular drilling rigs．Reasonable selection of pipe material and wall thickness can not only guarantee the service safety of piping system，but also reduce the first investment and following maintenance costs．According to the requirements of relevant design specifications，standards as well as engineering experience，this paper systematically discusses different fluid service requirements on different pipe materials and wall thicknesses from the aspects of system pressure，fluid service，material selection and corrosion allowance and etc.，and gives a general selection principle of pipe material and wall thickness for modular drilling rigs.

modular drilling rig；fluid service；piping material；wall thickness calculation

P752

A

1006-8945(2016)03-0031-03

2016-01-28