應(yīng)力量化法分析管線局部金屬剝落的主要因素及解決方法

王磊（海洋石油工程股份有限公司維修公司，天津 300270）

周亞鵬（舟山中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，浙江 舟山 316100）

應(yīng)力量化法分析管線局部金屬剝落的主要因素及解決方法

王磊（海洋石油工程股份有限公司維修公司，天津 300270）

周亞鵬（舟山中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，浙江 舟山 316100）

渤海某海上石油平臺(tái)開(kāi)排泵出口管線在運(yùn)行過(guò)程中局部管線表面銹蝕金屬層狀剝落嚴(yán)重，且伴有較大振動(dòng)，影響系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)基于相關(guān)軟件的建模和計(jì)算，主要從分析管線局部應(yīng)力的角度出發(fā)，判斷問(wèn)題的主因，并對(duì)管線做相應(yīng)改造，最終解決上述問(wèn)題。

應(yīng)力；振動(dòng)；建模；計(jì)算分析

渤海某海上石油平臺(tái)開(kāi)排泵出口管線在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)局部銹蝕處表面金屬連帶油漆層狀剝落嚴(yán)重，經(jīng)調(diào)研分析，把問(wèn)題的主要原因限定在以下兩個(gè)：一、管線在安裝過(guò)程中形變量控制不足，加之管支架安裝位置和形式選擇不當(dāng)?shù)仍?，引起局部?yīng)力過(guò)大；二、管線路徑冗長(zhǎng)，彎頭過(guò)多，加劇振動(dòng)，致使局部管線產(chǎn)生機(jī)械疲勞，在外部銹蝕的作用下加速老化、剝離。

判斷出哪個(gè)因素為主對(duì)施工方案的制定具有至關(guān)重要的意義，直接決定著改造思路和工程成本的高低：如果單一是應(yīng)力引起的，那么可以通過(guò)改變管支架的位置和形式或者對(duì)變量過(guò)大的局部管線稍加改造以釋放應(yīng)力，不必大范圍修改管線；如果單一是振動(dòng)引起的，則需要在原有的管線基礎(chǔ)上優(yōu)化路徑，而保留的部分不必再大范圍調(diào)整形變釋放應(yīng)力；如果是兩個(gè)因素兼而有之，那么只能大范圍地改造管線并全部重新合理布置管支架。

然而憑借經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)方法是無(wú)法判斷出主因的。所以我們先借助軟件分析其應(yīng)力：選擇問(wèn)題較為多發(fā)且嚴(yán)重的管線部分，用應(yīng)力計(jì)算軟件建模，各項(xiàng)設(shè)置如下：在General Model Op?tions中Piping Code選B31.3 Process；環(huán)境溫度設(shè)為5℃；Material選擇CHINAGB；在Pipe Properties中通徑選DN50，壁厚選XXS；腐蝕余量設(shè)為3mm；Mill tolerance由壁厚的12.5%計(jì)算而得；保溫按30mm玻璃棉管外包0.5mm花紋鋁皮計(jì)；由于此路工質(zhì)為原油和水的混合物，所以比重按照0.9計(jì)。經(jīng)軟件計(jì)算，應(yīng)力情況如圖1所示：

圖1

結(jié)合計(jì)算報(bào)告可以看出：最大位移為-0.01mm，出現(xiàn)在A12點(diǎn)，最大扭轉(zhuǎn)0.01deg，也出現(xiàn)在A12點(diǎn)，由重力產(chǎn)生的最大應(yīng)力為10.85N/mm2，出現(xiàn)在A18處，最大環(huán)向應(yīng)力為6.16N/mm2，出現(xiàn)在A00處。這些結(jié)果都在許用范圍以內(nèi)，由此可以斷定所考察部分管線的問(wèn)題主因不在應(yīng)力方面。

那么問(wèn)題的癥結(jié)就是管線過(guò)于冗長(zhǎng)，存在過(guò)多彎頭，在工質(zhì)被泵驅(qū)動(dòng)時(shí)，管線振動(dòng)劇烈，加之管支架對(duì)管線的固定作用不足，使管線局部產(chǎn)生機(jī)械疲勞，導(dǎo)致表面金屬和油漆層狀剝落現(xiàn)象嚴(yán)重。

于是，我們著手簡(jiǎn)化和優(yōu)化管線路徑，在不改變流程和原理的前提下盡量減少?gòu)濐^數(shù)量，并合理設(shè)置管支架的位置和形式。

經(jīng)改造后管線長(zhǎng)度由原來(lái)的55m縮短到27m，彎頭由原來(lái)的24個(gè)減少到10個(gè)，路徑優(yōu)化顯著，管支架由原來(lái)的滑動(dòng)式管鞋修改為固定式管卡，并適當(dāng)增加密度，對(duì)管線的固定作用強(qiáng)化明顯。經(jīng)開(kāi)排泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)效試驗(yàn)，改造后的管線振動(dòng)消除，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)流暢，原來(lái)的問(wèn)題宏觀上得到解決。

接下來(lái)我們?cè)購(gòu)奈⒂^上考察改造后的管線應(yīng)力是否在許用范圍以內(nèi)：建模的各項(xiàng)設(shè)置和改造前相同，由軟件應(yīng)力分析得出改造后管線在正常運(yùn)行工況下的應(yīng)力情況如圖2所示：

圖2

結(jié)合計(jì)算報(bào)告可以看出：最大位移為4.46mm，出現(xiàn)在A07點(diǎn)，最大扭轉(zhuǎn)0.34deg，出現(xiàn)在A11點(diǎn)，由重力產(chǎn)生的最大應(yīng)力為100.59N/mm2，出現(xiàn)在A09處，最大環(huán)向應(yīng)力為13.56N/mm2，出現(xiàn)在A00處。這些結(jié)果都在許用范圍以內(nèi)，由此可知改造后管線應(yīng)力方面滿足要求。

利用應(yīng)力量化的創(chuàng)新方法，我們?cè)谑┕で耙呀?jīng)排除了應(yīng)力為產(chǎn)生管線金屬層狀剝落這一問(wèn)題的主因，從而判斷出問(wèn)題的主因是振動(dòng)，進(jìn)而明確了施工方向：即在原有的管線基礎(chǔ)上優(yōu)化路徑，而保留的部分不必再大范圍調(diào)整形變和管支架以釋放應(yīng)力，更有針對(duì)性地解決問(wèn)題，免去不必要追加的成本，創(chuàng)造了更高的經(jīng)濟(jì)效益。