海上平臺(tái)高溫高壓氣田井口管道應(yīng)力分析

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(湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司， 廣東 湛江 524057)

0 引 言

東方1-1高溫高壓氣田位于南海鶯歌海盆地，是世界三大高溫高壓氣田之一。高溫高壓氣田開發(fā)屬世界級(jí)難題[1]。東方1-1 氣田F平臺(tái)布置有16口井槽，前期開發(fā)6口井。井口物流溫度達(dá)100 ℃，采氣樹氣嘴前壓力為55 MPa，超過ASME B16.5 2500磅法蘭承受的壓力額定值[2-3]。該平臺(tái)生產(chǎn)井高溫高壓物流引起的井口高抬升位移以及應(yīng)力的循環(huán)荷載帶來的疲勞累積損傷是工程設(shè)計(jì)的管道應(yīng)力分析難點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外高壓管道主要應(yīng)用在鉆完井的高壓泥漿管道上，但是該管道與東方1-1 氣田F 平臺(tái)的井口管道有很大區(qū)別，主要包括：(1)井口采氣樹會(huì)產(chǎn)生上升的位移，威脅與其連接的管道安全；(2)由于高溫、高壓和位移產(chǎn)生的疲勞累積損傷。為了保證海上平臺(tái)高壓管道在各種工況下的應(yīng)力滿足規(guī)范要求，根據(jù)井口管道的特點(diǎn)，將操作壓力、設(shè)計(jì)壓力、水壓試驗(yàn)壓力、地震荷載、風(fēng)載、操作溫度、設(shè)計(jì)溫度組合為52種分析工況，對(duì)高壓管道系統(tǒng)進(jìn)行一次應(yīng)力分析、二次應(yīng)力分析、偶然應(yīng)力分析、法蘭泄漏校核和疲勞分析。

1 高壓管道應(yīng)力分析方法

該管道系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行一次應(yīng)力分析、二次應(yīng)力分析、偶然應(yīng)力分析、法蘭泄漏校核和疲勞分析。

1.1 一次應(yīng)力校核

管道的一次應(yīng)力是由于壓力、重力和外部載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。它是平衡外部載荷所需要的應(yīng)力，隨外部載荷的增加而增加。一次應(yīng)力校核見式(1)，即由重力和壓力引起的軸向應(yīng)力不超過設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

(1)

式(1)中：S1為管道一次應(yīng)力；Sh為材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；Fax為持續(xù)載荷產(chǎn)生的軸向力；Am為管道橫截面積；ii為平面內(nèi)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；io為平面外應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；Mi為持續(xù)荷載產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩；Mo為平面外彎矩；Z為管道抗彎截面模量；P為管道計(jì)算壓力；Do為管道外徑；t為管道壁厚。

1.2 二次應(yīng)力校核

管道的二次應(yīng)力是由于熱脹、冷縮、端點(diǎn)附加位移等位移載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必需的應(yīng)力。二次應(yīng)力的校核公式為

(2)

式(2)中：SE為管道二次應(yīng)力；ii為平面內(nèi)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；io為平面外應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；MT為溫度(二次)載荷引起的扭轉(zhuǎn)力矩；SA為管道許用應(yīng)力范圍；Sc為環(huán)境溫度下材料的許用應(yīng)力；Sh為材料在操作及設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；Z為管道抗彎截面模量。

1.3 偶然應(yīng)力校核

管道的偶然應(yīng)力校核公式為

(3)

式(3)中：P為管道計(jì)算壓力；Di為管道內(nèi)徑；Do為管道外徑；MA為重力和其他持續(xù)荷載，在管道橫截面上產(chǎn)生的合成力矩；MB為搖擺加速度作用于管道橫截面上的合成力矩；Z為管道抗彎截面模量；Sh為材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

圖1 3-1/16 英寸，10 000 psi 6BX法蘭軸向力和彎矩要求

1.4 法蘭泄漏校核

法蘭泄漏校核判定準(zhǔn)則：在當(dāng)前設(shè)計(jì)壓力及最大軸向作用力情況下，法蘭彎矩小于API TR 6AF規(guī)范的規(guī)定值。例如3-1/16 英寸(1英寸=0.025 4 m)，10 000 psi 6BX法蘭軸向力和彎矩要求曲線如圖1所示，其中法蘭螺栓的裝配應(yīng)力為52 500 psi(1 psi= 6.895 kPa)。

1.5 疲勞應(yīng)力分析

疲勞應(yīng)力分析理論根據(jù)規(guī)范IGE/TD/12 氣體工業(yè)工廠管道應(yīng)力分析規(guī)范的公式進(jìn)行[4]。疲勞等效應(yīng)力或應(yīng)力范圍見式(4)，疲勞應(yīng)力的范圍值可在ASME規(guī)范中查得。

(4)

式中：Sa為軸向應(yīng)力；Sh為環(huán)向應(yīng)力；Sq為剪切力；SVM為循環(huán)荷載作用的等效應(yīng)力。

2 南海東方1-1高壓氣田F平臺(tái)實(shí)例分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及分析模型

圖2 高壓井口管道系統(tǒng)分析模型

中國南海東方1-1氣田F平臺(tái)，井口高溫高壓管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下： 設(shè)計(jì)壓力為55 000 kPa，井口管道為5英寸(1英寸=0.025 4 m)，外徑為159 mm，壁厚為28.00 mm，設(shè)計(jì)溫度范圍為-30 ℃ ～ 100 ℃，介質(zhì)密度為2.2 kg/m3，管子材質(zhì)為ASTM A790 S31803的雙相不銹鋼，井口抬升為100 mm。管道受壓力高、溫度高、井口抬升大、井口空間狹小等因素影響，管道應(yīng)力分析過程中需要嘗試用各種方法使應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

采用美國COADE 公司研發(fā)的管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II為分析工具，進(jìn)行管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析。該管路系統(tǒng)的安裝溫度為21 ℃。井口管道的應(yīng)力分析模型如圖2所示。

2.2 工況組合

在管道應(yīng)力分析過程中，需要確定載荷工況組合[5-7]。本文在管系計(jì)算時(shí)主要考慮正常的操作載荷、地震及風(fēng)荷載，并進(jìn)行單獨(dú)的疲勞應(yīng)力校核。校核工況組合見表1。

表1 校核工況組合

續(xù)表1 校核工況組合

2.3 分析調(diào)整過程要點(diǎn)

在應(yīng)力分析過程中發(fā)現(xiàn)，管道受壓力高、溫度高、井口抬升大的影響，管道由應(yīng)力引起的變形較常壓管道明顯提高。初期管道布置，在沒有增加彈簧的情況下，采氣樹附近支架出現(xiàn)多個(gè)支架熱態(tài)脫空現(xiàn)象。管道在一次應(yīng)力校核結(jié)果顯示部分管道應(yīng)力超標(biāo)，部分管道出現(xiàn)較大的撓度變形。

由于采氣樹存在升高位移，且真實(shí)位移值無法精確評(píng)估，為解決初期管道布置中存在的問題，本文通過設(shè)置部分恒力彈簧支架和增加管道水平段長度，達(dá)到改善管道應(yīng)力的效果。

恒力彈簧支架根據(jù)力矩平衡原理,用合適的連桿機(jī)構(gòu)讓彈簧側(cè)力矩與荷載力矩相等,保證載荷變化很小或不變，非常適用于井口位移較大管道的支撐[8]。恒力彈簧支架目前市場(chǎng)上主要有吊掛式和支撐式2種。本平臺(tái)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間，采用了2種彈簧支架進(jìn)行安裝，如圖3和圖4所示。

圖3 吊掛式恒力彈簧支架 圖4 支撐式恒力彈簧支架

3 分析結(jié)果

運(yùn)用高壓管道應(yīng)力分析方法，對(duì)F平臺(tái)高壓井口管道進(jìn)行分析。

3.1 一次應(yīng)力分析校核結(jié)果

由于高壓管道承受內(nèi)壓較大，因此壁厚比較厚，比普通井口管道的壁厚大一倍以上，管道重量相應(yīng)增加。在一次應(yīng)力校核調(diào)整過程中，支架的數(shù)量明顯增加，最大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力出現(xiàn)在工況L48,在設(shè)計(jì)溫度下熱態(tài)一次應(yīng)力達(dá)到許用范圍的47%。表2為一次應(yīng)力最大值，可以看出: 該高壓井口管道系統(tǒng)的一次應(yīng)力最大值滿足ASME B31.3 規(guī)范的要求。

表2 高壓井口管道系統(tǒng)一次應(yīng)力最大值

3.2 二次應(yīng)力分析校核結(jié)果

由于井流溫度較高，通常為100 ℃，管道的熱脹冷縮對(duì)二次應(yīng)力的影響較明顯。此外，由于高溫高壓引起井口油管和隔水套管的抬升，造成井口抬升位移較大，達(dá)100 mm。在應(yīng)力分析過程中，通過調(diào)整管線布置，增加水平管道長度并增加彈簧支架設(shè)置改善管道的應(yīng)力。表3為二次應(yīng)力最大值，可以看出: 該高壓井口管道系統(tǒng)的二次應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況L50，設(shè)計(jì)溫度二次應(yīng)力滿足ASME B31.3 規(guī)范的要求。

表3 高壓井口管道系統(tǒng)二次應(yīng)力最大值

3.3 偶然應(yīng)力分析校核結(jié)果

偶然應(yīng)力最大值分析結(jié)果見表4，可以看出：該高壓井口管道系統(tǒng)的偶然應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況L46,滿足ASME B31.3 規(guī)范的要求。

表4 高壓井口管道系統(tǒng)偶然應(yīng)力最大值

3.4 法蘭泄漏校核結(jié)果

疲勞應(yīng)力最大值見表5，可以看出：疲勞應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工況L51，最大軸向力為15 344 N，最大彎矩為24 119 N·m。由API TR 6AF規(guī)范中相關(guān)法蘭曲線圖可知，在當(dāng)前設(shè)計(jì)壓力55 MPa(8000 psi)及15 344 N最大軸向作用力的情況下，24 119 N·m的法蘭彎矩滿足要求，即所有法蘭及進(jìn)口法蘭滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 法蘭疲勞應(yīng)力最大值

3.5 疲勞應(yīng)力分析校核結(jié)果

管道由于高溫高壓的作用，特別是在循環(huán)開關(guān)井的工況下，管道的疲勞累積損傷比較明顯。疲勞分析是高壓管道與常規(guī)管道應(yīng)力分析比較重要的區(qū)別。根據(jù)ASME第8卷鍋爐及壓力容器規(guī)范第1分冊(cè)以及工程經(jīng)驗(yàn)，通常取管道7 000次循環(huán)工況材料的許可最大綜合應(yīng)力進(jìn)行校核。7 000次循環(huán)工況對(duì)井口的要求相當(dāng)于每周開關(guān)井7次，滿足20年，這個(gè)開關(guān)頻率對(duì)海上生產(chǎn)操作是可以接受的。為了使管道的循環(huán)工況次數(shù)滿足規(guī)范要求，應(yīng)使管道節(jié)點(diǎn)的最大綜合應(yīng)力小于規(guī)范值。疲勞應(yīng)力最大值見表6，可以看出: 該高壓井口管道系統(tǒng)的疲勞應(yīng)力最大值滿足ASME B31.3 規(guī)范的要求。

表6 高壓出口管道系統(tǒng)疲勞應(yīng)力最大值

4 結(jié) 論

(1) 由于管道內(nèi)壓較高、壁厚比較大，與內(nèi)壓低于43 MPa的常規(guī)管道相比，支架數(shù)量增加明顯。

(2) 由于井流高溫，管道的熱漲、冷縮對(duì)二次應(yīng)力的影響比較明顯。在應(yīng)力分析過程中，可調(diào)整管線布置，以改善管道應(yīng)力。

(3) 由于高溫高壓引起井口的抬升位移較大，即管道撓度可能會(huì)超出許用范圍，因此，必須在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置彈簧吊架(或彈簧支架)，保證管系整體的受力安全。

(4) 由于井口抬升位移較大，與采氣樹連接的井口管道有向上的附加位移，管道上方應(yīng)預(yù)留足夠的空間允許管道上移。

(5) 由于對(duì)井口管道的可靠性和安全性要求較高，應(yīng)力分析結(jié)果通常需留出一定的安全裕量。為保證管道具有足夠的柔性，避免管道發(fā)生破壞，最大應(yīng)力與許用應(yīng)力比應(yīng)小于80%。

(6) 與采氣樹油嘴相連接的管道處通常有變徑大小頭，即連接法蘭尺寸小于井口管道尺寸，因此油嘴法蘭以及法蘭與管道的連接點(diǎn)都是受力薄弱點(diǎn)，在進(jìn)行應(yīng)力核算時(shí)必須充分考慮連接點(diǎn)受力是否滿足要求，相應(yīng)的力和彎矩是否會(huì)引起法蘭泄漏。

(7) 在生產(chǎn)操作過程中，應(yīng)盡量避免頻繁開關(guān)井對(duì)管道造成疲勞破壞。

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