深水海管止屈器設計方法研究

李 旭,李 慶，張 英

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

深水海管止屈器設計方法研究

李 旭,李 慶，張 英

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

主要對深水海管止屈器管的設計方法進行研究，并給出了止屈器管間距設計方法。止屈器管設計主要包括壁厚及間距的設計，其中止屈器管壁厚的設計主要依據解析公式及規范要求，而間距的設計在規范中并未明確說明。基于管材采辦及施工的經濟性與風險評估，介紹了一種用于計算間距的方法，并結合流花項目海管的應用情況對止屈器管的設計進行了驗證。

深水海管；止屈器管；擴展屈曲；間距設計

0 引 言

深水海管的設計與淺水海管設計相比，突出的一點區別在于海水外壓的影響，使海管的壓潰設計變得尤為重要。通常設計人員會根據相應的計算來選擇海管的壁厚、材料等級及合適的制造公差，以防止海管在深水巨大的外壓下產生壓潰。但在實際的安裝、運行過程中，海管會遭遇各種不利情況的影響，例如意外沖擊帶來的管體缺陷、安裝過程中由于海管過彎而導致管道橢圓度超出標準以及由于腐蝕增加而導致海管壁厚減小等。這些情況的發生致使海管在局部抗外壓的能力減小。于是海管就有可能在抗壓能力減弱的地方發生局部屈曲，并且隨著時間的推移屈曲將沿整個海管擴展[1]。

止屈器管與普通海管最主要的區別在于壁厚。普通管的壁厚設計基于抵抗壓潰及局部屈曲，一旦海管發生局部屈曲，則會不斷擴展。如果沒有考慮止屈器管的設計，那么整條管線就有可能在一定的時間內發生屈曲進而使得這條管線報廢。止屈器管的作用就在于由于壁厚原因，止屈器管比普通管具備更強的抗壓能力，一旦管線發生擴展屈曲，止屈器管可以阻止海管屈曲的擴展，并可以及時對屈曲段的海管進行更換。這樣就能盡量減少擴展屈曲帶來的損失。

目前設計水深在100 m以上的海管設計都存在止曲器管的設計問題。深水海管止屈器的設計在流花4-1項目、流花19-5項目等南海深水項目中都有實際的應用。

1 止屈器管使用判斷及壁厚計算

1.1 判斷準則

在對海管結構進行壁厚設計后，根據計算判斷是否發生擴展屈曲。判斷準則如下[2]：

(1)

式中：Pe為海管承受最大外壓，MPa；Ppr為擴展屈曲壓力，MPa；γm為材料系數，根據規范取1.15；γSC為設計安全等級系數，根據規范取1.26。

根據管道的外徑和壁厚進行計算判斷，如果海管發生屈曲的時候以海管本身的強度屬性不足以抵擋屈曲的擴展，則必須采取止屈器管來阻止屈曲的擴展。

1.2 止屈器管的壁厚設計

止屈器管壁厚的計算主要依據下式[2]：

(2)

(3)

式中：Px為止屈器管擴展屈曲壓力，MPa；Ppr為普通海管壁厚計算擴展屈曲壓力，MPa；Ppr.BA為以止屈器管壁厚計算的擴展屈曲壓力，MPa；t為考慮海管腐蝕余量的壁厚，mm；d為海管外徑，mm；LBA為止屈器管單管長度，取標準值12.192 m。

2 止屈器管的間距設計方法

除止屈器管壁厚設計外，還要對止屈器管的布置形式進行設計。出于經濟性考慮不可能海管全程使用厚壁的止屈器管，只能間隔布置，即若干根普通的海管后連接一根止屈器管。目前規范中并未明確說明止屈器管的間距計算方法，本文通過對一些實際項目的應用，介紹一種用于計算止屈器管間距的方法。

本方法計算止屈器管的間距主要考慮以下幾個方面：

(1) 普通管及止屈器管的采辦費用；

(2) 海管發生屈曲及出現擴展屈曲的概率；

(3) 更換屈曲段海管的施工費用。

根據海管采辦、海管安裝資源等信息，對止屈器管間距進行計算。

2.1 止屈器管的費用

對于止屈器管間距的選擇，原則是讓使用止屈器管帶來的費用增加最小。止屈器管費用的組成主要如下[3]：

CTOTAL=CBA·X+CFP·P，

(4)

式中：CTOTAL為考慮止屈器管的總費用(本文各種費用均以人民幣元為單位)；CBA為每根止屈器管的費用；CFP為施工過程中發生擴展屈曲對海管進行更換所需費用；X為根據止屈器管的間距確定的數量；P為施工時發生擴展屈曲的概率。

從式(4)中可以看出止屈器管的費用主要分為兩個部分：一是采辦及更換止屈器管管材的成本，二是更換過程中所使用資源的費用。

每根止屈器管的費用按下式計算[3]：

CBA=CMan-CLP，

(5)

式中：CMan為每根止屈器管的制造費用；CLP為每根普通外管的費用，即使用止屈器管而省下來的費用。具體而言，

(6)

(7)

式中:CBAs為每噸止屈器管制造費用；ρS為鋼材密度；tBA為止屈器管的壁厚，mm；d為海管外徑，mm；LBA為止屈器管單管長度，取標準值12.192 m；Cs為每噸普通外管制造費用；t為普通外管的壁厚，mm。

施工過程中發生擴展屈曲對海管進行更換所需費用按下式計算[3]：

CFP=CF+CP,

(8)

式中:CF為發生屈曲，更換海管的船舶資源固定費用；CP為發生屈曲，更換海管管材的費用。具體而言，

CF=T·(CLV+CDSV)，

(9)

(10)

式中:CLV為鋪管船的日費率；CDSV為潛水支持船的日費率；T為開始進行海管更換到重新開始海管鋪設的

預計時間，d；S為止屈器管間距，m；h為海管更換區域最大水深，m。

2.2 間距計算

根據2.1節的費用計算，可以發現止屈器管的費用是關于間距的一個函數：

(11)

式中：LTOTAL為設計海管的總長度，m。

止屈器管間距確定的原則就是使得發生的費用最少，也就是CTOTAL(S)取最小值。同時由于CTOTAL(S)的最小值與發生擴展屈曲的概率P有直接的關系，概率越小那么間距越大，當能確定發生屈曲擴展的概率為0時，計算出來的間距為無窮大，即根本不需要止屈器管的設計。反之出于保守的考慮，取這個概率為1時，就可保證如果發生了擴展屈曲，止屈器管間距的選擇可以將費用降到最低。故在止屈器管間距計算中P取1。

2.3 計算的簡化

針對式(11)，我們可做進一步的數學分析，計算間距S，使得函數CTOTAL(S)取得極小值。通過解析的方法對函數CTOTAL(S)求導，并令其導數為0，所求的S值即為所求。

(12)

(13)

3 項目算例

本文中介紹的止屈器管設計方法已經在流花4-1項目中進行了實踐應用。項目中主要計算數據如表1所示。

根據表1所列數據，通過式(2)～(3)求解方程計算得到，止屈器管的最小壁厚為24.6 mm，取海管工程標準壁厚25.4 mm。通過式(13)計算得到間距S為318.7 m，取止屈器管間距為318 m，即26根普通海管之后接一根止屈器管。

表1 計算參數Table 1 Calculation parameters

4 結 語

本文提出的計算方法，在止屈器管壁厚確定的情況下，對止屈器管的間距設計主要基于管材采辦費用和擴展屈曲發生的風險。通過分析可知，間距的大小主要取決于制造止屈器管的單位費用與普通海管費用的對比。如果止屈器管的制造費用較普通海管高得多，應該適當增加止屈器管布置的間距以減少止屈器管的總費用。在項目應用中，需根據項目實際管材采辦情況進行計算和設計。

[1] Torselletti E,Brusch R.Buckle propagation and its arrest：buckle arrestor design versus numerical analyses and experiments [C].OMAE,2003： 37220.

[2] Det Norske Veritas.Submarine pipeline system[S].2012： 74.

[3] Bai Y,Bai Q.Subsea Pipelines and Risers [M].New York: Elsevier Science，2005： 37-39.

DeepwaterPipelineArrestorDesignStudy

LI Xu,LI Qing,ZHANG Ying

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.，Tianjin300451,China)

In this paper,we mainly study the deepwater subsea pipeline arrestor design,and give the space calculation method for arrestors.The arrestor design includes wall thickness calculation and layout space calculation.The wall thickness design always follows the method given by the Det Norske Veritas (DNV) standard.However,there is no specific method for the space calculation in standards.Based on the analysis on pipe procurement and installation economical efficiency and risk assessment,we give a method for space calculation.This method has been successfully used in Liuhua pipeline project.

deepwater subsea pipeline; pipeline arrestor; propagation buckling; space design

TE53

A

2095-7297(2014)03-0227-03

2014-07-31

李旭(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事海管設計方面的研究。