基于ASME Ⅷ分析要求的海底管道錨固件設計

孫國民，王 波，余志兵，趙 黨

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

海底管道作為海上油氣流輸送的主要手段之一，是海洋油氣開發(fā)工程的重要組成部分。根據橫截面結構形式的不同，海底管道可分為單層海底管道和雙層海底管道兩種類型。雙層海底管道在安全性、可靠性和保溫性等方面均優(yōu)于單層海底管道，隨之而來的缺點是成本較高，主要體現在材料費和海上施工費等方面。目前，雙層海底管道在我國海上油氣田開發(fā)中的應用更廣泛。

錨固件是雙層海底管道特有的結構件，用以將內管和外管進行剛性連接，同時實現結構之間的分隔密封和單/雙層海底管道結構轉換。在雙層海底管道系統(tǒng)的設計過程中，錨固件的設計分析是重要的一環(huán)，須避免因錨固件破壞導致海底管道系統(tǒng)發(fā)生事故，如油氣泄漏引起的海洋環(huán)境污染等。

1 錨固件及其設計

錨固件根據用途不同可分為Ⅰ型錨固件和Ⅱ型錨固件兩類，如圖1所示。其中：Ⅱ型錨固件用于雙層海底管道端部，實現結構密封和單/雙層海底管道結構轉換；Ⅰ型錨固件用于雙層海底管道上除端部以外的其他位置，起到結構分隔密封的作用。

圖1 錨固件結構形式

海底管道規(guī)范DNV GL-ST-F101要求按照ASME Ⅷ Division 2、EN 13445、PD 5500或 API 6A其中之一進行錨固件設計分析[1]。目前，行業(yè)內常用的錨固件設計分析方法是彈性應力法。該方法除存在一些固有的局限性[2]外，在應力分類和結果后處理時在應力線性化位置和路徑選擇等方面通常面臨一些困難，需要較高的技巧和經驗。為避免上述問題，介紹一種彈塑性應力法進行海底管道錨固件設計分析。

2 ASME Ⅷ基于分析要求的設計方法

ASME Ⅷ Division 2介紹2種壓力容器設計方法[2]，分別是基于規(guī)范要求的設計方法和基于分析要求的設計方法。海底管道錨固件屬于壓力容器，可按后一種設計方法進行設計分析。

基于分析要求的設計方法指出所設計的壓力容器需進行4種失效形式評估，分別為塑性壓潰失效、局部失效、屈曲失效和循環(huán)載荷失效。

(1)塑性壓潰失效。指壓力容器在外部載荷作用下引起的總體塑性變形破壞。有3種可選的分析方法，即彈性應力分析法、有限載荷法和彈塑性應力分析法，如表1所示。彈性應力分析法的缺點如下：對于幾何形狀或載荷狀態(tài)較復雜的結構可能產生模棱兩可的結果；對于厚壁結構(半徑壁厚比小于等于4)，尤其是在結構不連續(xù)處，也可能產生不保守的結果。有限載荷法的使用也存在一些局限性。相比之下，彈塑性應力分析法更精確。

表1 3種分析方法比較

(2)局部失效。指壓力容器在外部載荷作用下引起的局部斷裂破壞。有彈性分析法和彈塑性分析法兩種分析方法。彈性分析法是一種近似的局部失效評估方法，彈塑性分析法則更精確。

彈性分析法接受準則為

σ1+σ2+σ3≤4S

(1)

式中：σ1、σ2和σ3為主應力；S為設計溫度下的許用應力。

彈塑性分析法接受準則為

εpeq+εcf≤εL

(2)

式中：εpeq為總等效塑性應變；εcf為成形應變；εL為三軸應變限值。εL的計算式為

(3)

式中：εLu為單軸應變限值；αsl為多軸應變限值；m2為應力應變曲線擬合指數；σe為von Mises等效應力。

(3)屈曲失效。指壓力容器在外部載荷引起的壓縮應力作用下的崩塌破壞。屈曲失效分析需要根據不同的分析方法，如不考慮幾何非線性的彈性應力分析法、考慮幾何非線性的彈塑性應力分析法和考慮缺陷的彈塑性應力分析法，選取不同的設計系數φB。同時，還需要根據壓力容器形式確定能力縮減系數βcr。

(4)循環(huán)載荷失效。指壓力容器在循環(huán)載荷作用下發(fā)生的疲勞破壞。在循環(huán)載荷失效分析前需要根據壓力容器的受力狀態(tài)進行篩查以確定是否有必要進行疲勞分析。若確需開展疲勞分析，則需要選擇合適的疲勞壽命曲線，選擇彈性應力分析-等效應力法或彈塑性應力分析-等效應變法進行疲勞評估。

3 分析算例及討論

以東海某油田Ⅱ型海底管道錨固件為例，采用基于分析要求設計方法中的彈塑性應力法進行設計分析。該項目海底管道內管直徑為273.1 mm，壁厚為14.3 mm，外管直徑為406.4 mm，壁厚為14.3 mm，材質等級為API 5L PSL2 X65，材料應力-應變關系采用Ramberg-Osgood模型。其他設計參數如表2和表3所示。

表2 錨固件材料屬性

表3 錨固件工藝設計參數

ASME Ⅷ Division 2基于分析要求的分析方法將載荷分為設計壓力載荷、靜載荷、動載荷和地震載荷等9類。結合海底管道錨固件所受載荷的類型和特點，可確定載荷工況組合如表4所示。

表4 錨固件設計載荷工況組合

算例未進行循環(huán)載荷失效校核，因為海底管道在設計壽命內的啟動關停循環(huán)次數通常僅為幾十次至上百次，即載荷循環(huán)次數較少，依據疲勞分析篩查準則，不會引起錨固件的疲勞失效問題。另外，在塑性壓潰失效評估中，項目的服役準則由用戶自定義為端部橢圓度變化不超過0.5%，內外端部相對位移不超過1%。

以正常運行工況下的分析結果為例，該Ⅱ型錨固件在相應載荷組合作用下：

(1)①結構整體保持穩(wěn)定，如圖2所示，滿足總體準則。②端部橢圓度變化由小到大依次為0.003‰、0.025‰和0.036‰，分別發(fā)生在雙層側外管連接端、雙層側內管連接端、單層管連接端，均小于0.5%的接受標準；內外端部最大相對位移為0.47%，小于1%的接受標準，滿足服役準則。

圖2 錨固件應力云圖

(2)未發(fā)生崩塌變形破壞，滿足屈曲失效接受準則。

(3)總等效塑性應變εpeq最大值約0.35%，成形應變εcf可取0(錨固件在加工過程中采用熱處理工藝)，兩者之和(即累計塑性應變)小于三軸應變接受標準，如圖3所示，滿足局部失效接受準則。

圖3 應變分析結果

綜上所述，該錨固件滿足ASME Ⅷ基于分析要求的塑性壓潰失效、屈曲失效和局部失效要求，分析過程清晰明確。

若項目采用彈性應力分析法進行錨固件設計分析，則不可避免地存在如下問題：

(1)該錨固件半徑壁厚比的最大值約2.51，小于4，屬于厚壁結構。根據規(guī)范提示，彈性應力分析法的分析結果，尤其是在結構不連續(xù)處，往往也是應力最大最危險的區(qū)域，可能產生不保守的結果，存在一定風險。

(2)彈性應力分析法在進行應力線性化時存在困難。①應力線性化的位置與接受準則緊密相關，但關于線性化的位置一般只有定性描述而沒有定量要求，因此難以確定應力線性化的精確位置，無法與接受準則準確匹配；②為獲得準確的結果，應力線性化路徑需要同時滿足多項與應力分布、壁厚中心線和內外壁表面等有關的要求。在實際執(zhí)行中往往難以同時滿足這些要求，對結果的準確性影響較大。

4 結 論

介紹一種基于ASME Ⅷ分析要求的海底管道錨固件彈塑性應力設計分析法，展示其在某實際項目中的應用。算例表明，彈塑性應力法克服彈性應力法一些固有的缺點，不僅分析結果更精確，而且使用便捷、易于推廣。