深水自由站立式立管壁厚及材料設(shè)計方法研究

黃 鈺

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

自由站立式立管(FSHR)由法國Technip公司開發(fā)[1]，最早于1988年在墨西哥灣安裝完成。由于其良好的疲勞性能[2]，在之后的20年里，自由站立式立管在600～2 600 m的水深范圍里得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。目前服役的自由站立式立管均由國外公司設(shè)計安裝完成，技術(shù)較為成熟。我國在該領(lǐng)域相比國外起步較晚，相關(guān)研究較少。隨著我國海洋油氣開發(fā)活動逐漸從淺水走向深水，作為深水油氣開發(fā)重要裝備之一的深水立管相關(guān)的技術(shù)也越來越得到重視。特別是近年來，我國的深水立管技術(shù)已經(jīng)逐漸從科研實驗走向了生產(chǎn)應(yīng)用。而在諸多深水立管形式中，具有代表性的自由站立式立管也因其優(yōu)良的生產(chǎn)性能及工程業(yè)績受到越來越多的關(guān)注。本文在對自由站立式立管壁厚計算原理進行深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實例，介紹了其壁厚和材料的選擇方法。

1 自由站立式立管簡介

自由站立式立管主要用于深海油氣田的開發(fā)，目前在墨西哥灣、西非及巴西均有廣泛的應(yīng)用。依據(jù)目前的工程業(yè)績，截止到2009年，自由站立式立管的最大作業(yè)水深可達2 600 m。

自由站立式立管(FSHR)是一種以鋼性立管作為主體部分，通過頂部浮力筒的張力作用，垂直站立在海底，以跨接軟管作為外輸裝置與海上浮體相連接的立管結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合其自身特點，在設(shè)計中所依據(jù)的設(shè)計規(guī)范、設(shè)計原理，包括所考慮的功能載荷、環(huán)境載荷、失效模式[3]等，和一般的淺水立管均有所不同。FSHR主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照截面形式劃分，自由站立式立管立管主體可分為單管式、管中管式和集束混合塔式立管三種[4]，而集束塔式立管又分為內(nèi)捆綁式和外捆綁式兩種。具體截面結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖1 FSHR主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 FSHR structure sketch

圖2 FSHR立管主體截面形式Fig.2 FSHR cross section configuration

2 自由站立式立管壁厚初步設(shè)計

2.1 概 述

自由站立式立管的壁厚初步設(shè)計是立管總體設(shè)計初始階段的一項重要內(nèi)容。準確合理的壁厚初步選擇可以為自由站立式立管的后續(xù)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)，節(jié)約設(shè)計成本。

自由站立式立管在壁厚初步選擇上遵循圖3所示流程。

圖3 FSHR壁厚設(shè)計流程圖Fig.3 FSHR wall thickness design process

自由站立式立管主體在壁厚選擇中主要考慮以下幾個方面的設(shè)計載荷：設(shè)計壓力；水壓試驗壓力；水深引起的外部壓力；自由站立式立管主體(及所有涂層)重量；內(nèi)部介質(zhì)重量；浮力筒提供的有效張力。

頂部張力的主要作用是維持立管的穩(wěn)定性，自由站立式立管的頂部張力主要是由立管頂部的浮力筒來提供的。影響浮力筒尺度的兩個關(guān)鍵因素一是水深，因為較大的水深需要較大的浮力筒尺寸，浮力筒距離海面的深度與其所處海域(墨西哥灣、西非、巴西等)有很大關(guān)系，另外一個因素則是垂直立管所需張緊力，這由立管主體的材質(zhì)與尺寸決定。

在自由站立式立管壁厚的初選階段，浮力筒尺寸尚未完成，立管壁厚選擇分析中輸入的初始浮力筒張力，需要由立管重量與頂部張力系數(shù)(TTF)相乘得到、為保證浮力筒可以提供足夠的頂部張力，初步選定的立管壁厚可適當保守考慮。

自由站立式立管主體壁厚選擇組合應(yīng)力分析[5]考慮操作期和水壓試驗期兩個工況。外壓壓潰分析[5]中由于不考慮立管內(nèi)部壓力，所以壓潰分析只考慮操作期，不考慮水壓試驗期。

2.2 組合應(yīng)力校核

沿立管任一點的應(yīng)力分量如下計算。

徑向應(yīng)力：

(1)

環(huán)向應(yīng)力：

(2)

軸向應(yīng)力：

(3)

Von Mises 應(yīng)力:

(4)

式中：Do為外徑；Di為內(nèi)徑；t為壁厚；A為截面積，

(5)

I為慣性矩；M為彎矩；Po,Pi,T, 和M是沿立管任一點的外壓、內(nèi)壓、真實的管壁拉力和彎矩。考慮多軸應(yīng)力組合，最大應(yīng)力可能出現(xiàn)在沿立管的任一點。

應(yīng)力校核公式為

σVonMises≤Cfσa，

(6)

式中：

σa=Caσy，基本許用應(yīng)力；

σy：材料的最小屈服強度；

Cf：設(shè)計工況因子。依據(jù)美國石油協(xié)會API-RP-2RD[6]規(guī)范，具體設(shè)計工況因子如表1所示。

表1 設(shè)計工況因子

2.3 外壓壓潰校核

允許壓潰壓力判別標準為

Pa≤DfPc，

(7)

式中：Df為設(shè)計參數(shù)，依據(jù)API規(guī)范要求，對于無縫管或ERW管Df=0.75，對于DSAW管Df=0.60；

(8)

(9)

(10)

Py=2Yrt/D，

(11)

其中：Pc為預(yù)期的壓潰壓力；Pe為彈性屈曲壓力；Py為與拉力并存的屈服應(yīng)力；g為考慮管子不圓度的缺陷系數(shù)；so：臨界彎曲應(yīng)變，so=t/2bD；b為應(yīng)變衰減系數(shù)；s為圓管發(fā)生的彎曲應(yīng)變。

3 算 例

為了進一步對自由站立式立管壁厚及材料選擇方法進行說明，通過以下算例分別選取不同的立管壁厚及材料等級進行比較及驗證。

算例FSHR立管主體壁厚設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示：

表2 設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)

分析中設(shè)計工況因子操作期選取1.0，水壓試驗期選取1.35。

初步選定擬校核立管壁厚為19.1 mm，材質(zhì)為API 5L PSL2 X70，并依據(jù)校核結(jié)果對壁厚及材料等級依次遞減，匯總成壁厚及材料等級組合列表，如表3所示。

表3 壁厚及材料等級組合校核列表

依據(jù)立管壁厚設(shè)計方法要求，對表3中的各組壁厚與材料等級分別進行組合應(yīng)力和外壓壓潰的校核。其中，外壓壓潰校核保守考慮立管內(nèi)部無介質(zhì)，由于水壓試驗期立管內(nèi)部充滿介質(zhì)水，故不進行外壓壓潰校核。得到分析結(jié)果如表4所示。

表4 分析結(jié)果

如表4所示，當UC值小于1時，分析結(jié)果滿足API-RP-2RD規(guī)范要求。當壁厚為15.9 mm時，操作期“X65”和“X70”兩組的UC值均大于1，所以15.9 mm的立管主體壁厚不滿足規(guī)范要求。

通過對不同壁厚及材料等級的分析結(jié)果進行比較可知，校核結(jié)果變化趨勢合理，與工程實際相符。操作期的組合應(yīng)力校核結(jié)果為立管壁厚設(shè)計的控制工況，操作期結(jié)果大于水壓試驗期結(jié)果，且隨著壁厚及材料等級的增加，校核結(jié)果逐漸減小。

依據(jù)表4分析結(jié)果，最終確定滿足API-RP-2RD規(guī)范要求的最小壁厚及材料等級初選結(jié)果為17.5 mm / API 5LPSL2 X65 (ERW)。

4 結(jié) 語

自由站立式立管作為一種應(yīng)用廣泛的深水立管，在設(shè)計方法以及參考規(guī)范等眾多方面都與淺水立管均有所不同。本文針對深水自由站立式立管的壁厚及材料設(shè)計方法進行了介紹，并對設(shè)計中的一些關(guān)鍵參數(shù)進行了重點研究。在自由站立式立管壁厚及材料初步選擇方法上，依托API-RP-2RD規(guī)范，分別從組合應(yīng)力和外壓壓潰兩個方面對自由站立式立管主體部分的初選的壁厚進行校核，在校核過程中，需要針對不同的環(huán)境工況及載荷類型依據(jù)規(guī)范選取相應(yīng)的設(shè)計因子，這種方法總體上屬于立管壁厚校核方法中的許用應(yīng)力法。依據(jù)這種方法初步選定的壁厚及材料等級還需要通過進行其他分析校核，從而確定最終的自由站立式立管的壁厚及材料等級。在壁厚初步選擇中，準確合理的選擇方法不僅可以保證設(shè)計質(zhì)量，同時也可以提升設(shè)計效率，為后續(xù)的設(shè)計工作有效節(jié)約設(shè)計時間和成本。

[1] 張長智，王桂林，段夢蘭，等. 深水開發(fā)中的幾種新型混合生產(chǎn)立管系統(tǒng)[J].石油礦場機械，2010，39(9)：20.

[2] 康莊,李輝,孫麗萍,等. 自由站立式立管總體運動疲勞分析[J]. 海洋工程，2011，29(4)：43.

[3] 曹靜，夏秋玲. 立管完整性管理分析[J].中國造船，2007(增刊)：654.

[4] 康莊,李輝,孫麗萍,等. 自由站立式立管總體設(shè)計與分析[J].船海工程，2011，40(5)：154.

[5] 張睿. 張力腿平臺TTR立管壁厚設(shè)計研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[6] American Petroleum Institute. API-RP-2RD. Design of risers for floating production systems (FPSs) and tension-leg platforms (TLPs)[S].2006.