海洋平臺(tái)井口管道評(píng)估優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔艷紅，王 乾，冉慶富，趙 斌，劉 浩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋石油平臺(tái)是海上實(shí)現(xiàn)油氣開(kāi)采、處理、集運(yùn)等功能的主要設(shè)施之一， 分為鉆井平臺(tái)、井口平臺(tái)、中心平臺(tái)和生活平臺(tái)等[1]。井口平臺(tái)中與采油樹(shù)相連的井口管線輸送介質(zhì)一般是高溫、高壓且易燃易爆，井口管道區(qū)域是整個(gè)平臺(tái)中安全級(jí)別最高區(qū)域，屬于一類(lèi)一級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域。井口管道的可靠性直接影響整個(gè)平臺(tái)的安全運(yùn)行，是需要重點(diǎn)關(guān)注的管道系統(tǒng)[2]。

國(guó)內(nèi)某海洋平臺(tái)開(kāi)采多年，平臺(tái)油氣井采出程度較高，現(xiàn)場(chǎng)使用臨時(shí)管線進(jìn)行氣舉生產(chǎn)，以適應(yīng)生產(chǎn)的臨時(shí)試驗(yàn)需求，但臨時(shí)管線的使用可能帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文章以該項(xiàng)目井口臨時(shí)氣舉管線安全分析評(píng)估為例，論述評(píng)估內(nèi)容和方法，以及不同工況下的評(píng)估結(jié)果，分析現(xiàn)場(chǎng)氣舉管道的安全性和合理性，為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒和參考。

1 管道評(píng)估內(nèi)容

該項(xiàng)目運(yùn)行投產(chǎn)時(shí)間為12 a，其油田壓力比預(yù)期下降快，需要進(jìn)行井口管線調(diào)整，進(jìn)行氣舉升壓，因此需對(duì)臨時(shí)管線進(jìn)行安全評(píng)估。評(píng)估內(nèi)容包括：不同年限工況下的管道最小壁厚、管道應(yīng)力及管道布置是否合理。

1.1 涉及管道

項(xiàng)目一共涉及三條井口管道，管道屬性如表1。

表1 臨時(shí)井口管線表

從氣舉管匯到B2氣井的管線，管線號(hào)為B1，管線尺寸為2寸，所連接B2氣井采油樹(shù)API 6A法蘭尺寸為4 1/16″。從B2氣井到BB5油井的管線，管線號(hào)為B2，管線尺寸為2寸，所連接BB5油井采油樹(shù)API 6A法蘭尺寸為3 1/2″。從B7氣井到AA7油井的管線，管線號(hào)為B7，管線尺寸為2寸，所連接B7氣井采油樹(shù)API 6A法蘭尺寸為3 1/2″，所連接AA7氣井采油樹(shù)API 6A法蘭尺寸為3 1/2″。

1.2 評(píng)估內(nèi)容

(1)臨時(shí)鉆井管線使用年限。核實(shí)臨時(shí)鉆井管線使用時(shí)間要求，以及相關(guān)規(guī)范對(duì)臨時(shí)管線使用時(shí)間的限制要求。

(2)對(duì)已安裝臨時(shí)鉆井管線分析評(píng)估。對(duì)于已經(jīng)安裝的井口管線進(jìn)行應(yīng)力分析，評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)管線應(yīng)力情況，支架需求情況。

(3)計(jì)算分析已經(jīng)安裝的臨時(shí)管線尺寸及壁厚，核實(shí)管線最小壁厚及腐蝕余量是否滿(mǎn)足要求。

2 管道評(píng)估方法

管道安全評(píng)估主要遵循ASME B31.3《工藝管道》，進(jìn)行管道應(yīng)力和管道壁厚的校核計(jì)算，核算在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變水平和壁厚余量是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.1 管道壁厚計(jì)算評(píng)估方法

管道壁厚計(jì)算按ASME B31.3《工藝管道》中的壁厚計(jì)算公式(1)、(2)進(jìn)行，應(yīng)保證管道設(shè)計(jì)年限的實(shí)際壁厚大于管道所需的最小壁厚tm，以防止管道發(fā)生破壞。

(1)

tm=t+C

(2)

式中：tm是包括機(jī)加工、腐蝕在內(nèi)的所需最小壁厚；t是壓力設(shè)計(jì)厚度；P是設(shè)計(jì)壓力；D是管道外徑；S是材料許用應(yīng)力；E是質(zhì)量系數(shù)；W是焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)；Y材料系數(shù)。

2.2 管道應(yīng)力分析評(píng)估方法

對(duì)于臨時(shí)氣舉管線的應(yīng)力分析，主要采用CAESAR Ⅱ計(jì)算軟件與圖表計(jì)算相結(jié)合的方法。對(duì)支撐結(jié)構(gòu)、管線走向、支架約束等進(jìn)行模擬后，對(duì)管線應(yīng)力、熱位移變形、固有頻率、支架承受載荷等進(jìn)行分析校核；采用API 6AF的法蘭受力許用圖表對(duì)法蘭的受力進(jìn)行分析校核。

管道應(yīng)力分為一次應(yīng)力(持續(xù)應(yīng)力)、二次應(yīng)力(位移應(yīng)力)和偶然應(yīng)力校核。其中一次應(yīng)力主要是由于壓力、重力及其他外力載荷產(chǎn)生的持續(xù)應(yīng)力，管道一次應(yīng)力應(yīng)不大于材料的熱態(tài)許用應(yīng)力。二次應(yīng)力主要是由于管道溫差變化產(chǎn)生的位移應(yīng)力，管道二次應(yīng)力應(yīng)不大于位移許用應(yīng)力范圍。偶然應(yīng)力主要是風(fēng)及地震等偶然力產(chǎn)生，管道偶然應(yīng)力應(yīng)不大于材料熱態(tài)許用應(yīng)力的1.33倍[3]。

提高管道固有頻率是管道模態(tài)分析的內(nèi)容，主要是為了提高管道系統(tǒng)的抗干擾能力，防止管道發(fā)生共振，造成管道破壞。管道固有頻率越高，管道剛度越大，其抗干擾能力越強(qiáng)。一般要求管道最低固有頻率為2.55 Hz[4]。

3 管道壁厚評(píng)估

腐蝕速率見(jiàn)表2。

表2 管道腐蝕速率

根據(jù)管道材質(zhì)及設(shè)計(jì)壓力參數(shù)，按公式(1)、(2)計(jì)算管道壁厚。計(jì)算結(jié)果如下：

對(duì)于管線B1，最小計(jì)算壁厚為5.54 mm。

對(duì)于管線B2，按1 a設(shè)計(jì)壽命計(jì)算，最小計(jì)算壁厚為10.11 mm(管線出廠壁厚為9.6 mm)。根據(jù)材料的腐蝕速率計(jì)算，管線達(dá)到最小壁厚(壓力設(shè)計(jì)壁厚)的時(shí)間估計(jì)為11.3個(gè)月。

對(duì)于管線B7，按1 a設(shè)計(jì)壽命計(jì)算，最小計(jì)算壁厚為4.74 mm。根據(jù)材料的腐蝕速率計(jì)算，管線達(dá)到最小壁厚(壓力設(shè)計(jì)壁厚)的時(shí)間估計(jì)為36.7個(gè)月。

4 管道應(yīng)力評(píng)估

獲取項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行工況設(shè)計(jì)，利用CAESAR II軟件進(jìn)行分析校核，并利用圖表法對(duì)井口法蘭進(jìn)行受力評(píng)估。

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)平臺(tái)地震加速度。平臺(tái)地震加速度是根據(jù)對(duì)應(yīng)地震載荷對(duì)整個(gè)平臺(tái)的作用，屬于偶然載荷。項(xiàng)目的地震加速度為：X=0.147 g,Y=0.157 g,Z=0.189 g，X為南北向，Y為高度方向，Z為東西向。

(2)設(shè)計(jì)風(fēng)速。項(xiàng)目設(shè)計(jì)風(fēng)速按百年一遇的3 s陣風(fēng)風(fēng)速60.7 m/s；

(3)管道材質(zhì)及特征屬性。臨時(shí)管線為40CrMo材質(zhì)2″管線，最小壁厚是9.6 mm，采用由壬連接。CAESAR Ⅱ軟件中采用對(duì)應(yīng)的美標(biāo)材料為AISI 4140進(jìn)行計(jì)算，管道材料的機(jī)械性能如表3。

表3 管道材料屬性

(4)流體介質(zhì)。B1介質(zhì)密度為74.359 0 kg/m3，B2介質(zhì)密度為77.606 kg/m3，B7介質(zhì)密度為32.379 6 kg/m3。

4.2 分析模型

模型邊界條件假設(shè)如下：

(1)管匯接入處——管匯剛度和質(zhì)量(管匯主管為3″，壁厚為15.24 mm的碳鋼管線)與2″接管相比要大很多，因此接口處按六向限位支架處理。

(2)采油樹(shù)位移——采油樹(shù)位移按100 mm進(jìn)行模擬。

管道應(yīng)力模型如圖1。

圖1 應(yīng)力分析模型

4.3 應(yīng)力評(píng)估

根據(jù)項(xiàng)目要求，在計(jì)算中的設(shè)計(jì)壽命分為1 a期和10 a期進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

4.3.1 1 a期設(shè)計(jì)壽命評(píng)估

根據(jù)管道壁厚計(jì)算，管線B2腐蝕后的壁厚為0.85 mm(9.6 mm～8.75 mm)，不滿(mǎn)足管道最小壁厚要求，B2管線已失效，1 a期校核僅對(duì)B1, B7管線進(jìn)行計(jì)算。

持續(xù)態(tài)工況、偶然態(tài)工況以及二次應(yīng)力工況最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)在B1管線上。B1 管道二次應(yīng)力工況應(yīng)力超標(biāo)120%，不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，B7管道規(guī)范應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

管道B1和B7在安裝狀態(tài)下的最大垂直為2.5 mm，滿(mǎn)足位移小于25 mm的要求，且周?chē)臻g滿(mǎn)足要求。

核實(shí)管道支架載荷情況，根據(jù)法蘭受力與API 6AF 中法蘭許用載荷的對(duì)比評(píng)估結(jié)果，法蘭不會(huì)發(fā)生泄露。通過(guò)計(jì)算分析，管系的最低固有頻率為1.35 Hz低于2.55 Hz。管線的最低固有頻率偏低，剛度和穩(wěn)定性不足，其抗干擾載荷的能力不足，易產(chǎn)生振動(dòng)和低周疲勞。

對(duì)于1 a期的設(shè)計(jì)壽命而言，管道的應(yīng)力評(píng)估見(jiàn)表4。

表4 1 a期應(yīng)力評(píng)估

4.3.2 10 a期設(shè)計(jì)壽命評(píng)估

根據(jù)管道壁厚計(jì)算，管線B2的腐蝕量87.5 mm及B7的腐蝕量23.6 mm已超過(guò)所使用管線的出廠最小壁厚9.6 mm，B2及B7管線已失效，不再進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算。文章僅對(duì)管線B1進(jìn)行計(jì)算。

管道一次應(yīng)力和偶然應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，但是二次應(yīng)力大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的允許應(yīng)力，應(yīng)力比超過(guò)110%，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

在安裝狀態(tài)下的最大垂直位移為：Y方向0.129 mm,豎直向下，小于25 mm，滿(mǎn)足要求，在正常操作工況下管道未與其他管線管件及構(gòu)筑物等發(fā)生碰撞干涉。

管道支架載荷在安裝和操作狀態(tài)下載荷較小，但支撐物強(qiáng)度不夠，不滿(mǎn)足要求。根據(jù)法蘭受力與API 6AF 中法蘭許用載荷的對(duì)比評(píng)估結(jié)果，法蘭不會(huì)發(fā)生泄露。通過(guò)計(jì)算分析，管系的最低固有頻率為1.85 Hz低于2.55 Hz，不滿(mǎn)足要求。

對(duì)于10 a期的設(shè)計(jì)壽命而言，管道的應(yīng)力評(píng)估見(jiàn)表5。

表5 10 a期應(yīng)力評(píng)估

4.4 管道設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過(guò)計(jì)算分析，現(xiàn)有管線的二次應(yīng)力超標(biāo)，一般降低二次應(yīng)力的方法是增加管道的柔性。對(duì)于項(xiàng)目而言，二次應(yīng)力的超標(biāo)是由于采油樹(shù)附加位移導(dǎo)致的，降低的方法有：

(1)減小采油樹(shù)附加位移值。計(jì)算模型假設(shè)采油樹(shù)附加位移值為100 mm，當(dāng)采油樹(shù)位移值降低到70 mm時(shí)，管線路由不變的情況下，管道二次應(yīng)力能夠降低到80%以下，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

(2)增加采油樹(shù)附近水平管道的長(zhǎng)度。在附加位移100 mm不變的情況下，通過(guò)增加管道長(zhǎng)度的方法(圖2為建議的兩種方法)，可以將管道二次應(yīng)力降低到80%以下，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

圖2 應(yīng)力分析模型

對(duì)于支撐物強(qiáng)度不夠的問(wèn)題，可采用用型鋼替換枕木的方式，提高支架承載物的強(qiáng)度和剛度，使其滿(mǎn)足支架荷載要求。

管道固有頻率不滿(mǎn)足要求，管道操作狀態(tài)位移較大等問(wèn)題，可以調(diào)整管線的走向，采用增加管道限位等方式進(jìn)行調(diào)整。

5 總結(jié)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況并依據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料，通過(guò)建立CAESAR II應(yīng)力分析模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的管線進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析和評(píng)估，依據(jù)API 6AF標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采油樹(shù)油嘴法蘭進(jìn)行了泄漏校核，對(duì)管道承受內(nèi)壓時(shí)最小計(jì)算壁厚做了詳細(xì)計(jì)算。

1)建議根據(jù)管道腐蝕速率，采用合適的管道材料，避免管道的過(guò)度腐蝕。

2)管道應(yīng)力水平超標(biāo)，管道固有頻率不滿(mǎn)足要求，管道操作狀態(tài)位移較大等問(wèn)題，建議調(diào)整管線的走向，采用限位支架或固定支架等方式進(jìn)行調(diào)整(延長(zhǎng)連接采油水平管線的長(zhǎng)度，使用U-bolt等)。

3)對(duì)于管道最小壁厚的計(jì)算是基于理論計(jì)算和腐蝕速率(未考慮緩蝕劑)，建議作業(yè)方應(yīng)定期進(jìn)行壁厚檢測(cè)，以便得出實(shí)際腐蝕速率，加強(qiáng)管道壁厚監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。