頂張緊立管的壁厚計算方法

王鈺涵， 徐愛進， 程永明， 盛 興

(1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

頂張緊立管的壁厚計算方法

王鈺涵1， 徐愛進2， 程永明2， 盛 興1

(1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

主要根據規范要求，基于應力準則，以深水頂張緊立管(TTR)為研究對象，介紹了深水TTR的壁厚計算流程、計算方法和校核標準。以實際的工程案例，進一步驗證了TTR立管的壁厚計算方法，并給出了校核結果，為深水TTR立管工程設計提供參考。

頂張緊立管(TTR)；環向應力；壓潰；爆裂

0 引 言

深水頂張緊立管(TTR)是一種深水油氣開發工程中被廣泛使用的深水立管形式，主要應用在張力腿平臺(TLP)和單柱式平臺(SPAR)，可用于油氣生產。頂張緊立管的最小壁厚計算方法是立管設計的基礎。合理地選擇立管的壁厚，不僅是保障立管安裝階段、在位服役期間的安全因素，也是降低深水立管工程建設費用的有效途徑。海洋石油工程股份有限公司項目組在2015年研究了頂張緊立管的設計方法，主要闡述了立管設計考慮的因素[1]；周燦豐等[2]于2014年進行了頂張緊立管動力響應數值仿真研究；康莊等[3]在2015年開展了頂張緊立管強度設計分析。這些研究成果都是建立在正確選擇立管壁厚的基礎上。因此，研究如何合理準確地選擇深水立管壁厚是非常重要的。

TTR立管頂端張緊裝置可用液壓張緊器和浮筒兩種形式，液壓張緊器需要消耗平臺的有效載荷來提供拉力，浮筒張緊需要有較大的月池來布置立管，且立管的運動受平臺運動影響較小。

本文就深水TTR立管，基于應力準則，介紹了TTR壁厚選型的計算方法，并結合具體的工程實例，進行了計算分析。

1 設計規范和準則

立管的壁厚計算參照美國石油學會(API)和挪威船級社(DNV)的規范進行。TTR壁厚的計算基于環向應力、壓潰及爆破的要求，是滿足3個條件的迭代過程。首先考慮環向應力的要求，確定初步壁厚，參照API Spec 5L[4]、 5CT[5]或依據項目經驗選定標準壁厚。然后檢驗該壁厚是否滿足外壓壓潰及內壓爆破的要求。如果不滿足條件，則進一步調整壁厚，重新開始一個新的計算過程，直至選定的壁厚滿足所有的技術要求。

圖1 立管壁厚計算流程Fig.1 Wall thickness calculation process of TTR

2 設計方法

2.1 初步壁厚計算方法

立管初步壁厚的計算基于周向應力小于容許應力的要求，考慮制造誤差和磨損或腐蝕誤差。

根據許用應力，立管初始壁厚由下面的環向應力公式確定：

(1)

式中：P為凈內壓；Di為管子內徑；t為管子名義壁厚；etol為壁厚的制造誤差；tw為磨損或腐蝕誤差。

初始壁厚的大小參照規范API Spec 5L[4]，實際選取時，其值應不小于標準管材的最小壁厚(即管子的名義壁厚)。

2.2 校核標準

根據規范API RP 2RD[6]、 API RP 1111[7]和DNV OS F201[8]分別進行如下校核。

2.2.1外壓壓潰校核

按照API RP 2RD[6]的要求，立管凈外部水壓力需小于壓潰壓力乘以一安全系數：

Pa≤DfPc，

(2)

式中：Pa為凈外部水壓力；Df為設計因子；Pc為壓潰壓力，計算公式為

S為管子的最低屈服強度；E為彈性模量。

具體信息可以參考API RP 2RD[6]，6.6.2章節。外壓壓潰校核考慮立管沒有缺陷和有缺陷的情況，缺陷計及管子截面的橢圓度的影響。

2.2.2API內壓爆破校核

API RP 1111[7]的4.3.1章節列出了壓力試驗、設計壓力和極端情況下的內壓爆破要求：

Pt≤fdfeftPb，

(3)

Pd≤0.80Pt，

(4)

Pa≤0.90Pt，

(5)

式中：fd=0.75,fe=1.0,ft=1.0；特定的最小爆破壓力Pb計算公式為

(6)

或

(7)

式中：U為管子的最低極限強度。

如果外徑與壁厚的比D/t>15，以上兩個公式相當。若D/t<15，則用式(6)計算最小爆破壓力Pb。

2.2.3DNV內壓爆破校核

DNV OS F201[8]的5D章節列出了極端情況下的內壓爆破要求：

(8)

式中：Pli為局部極端內壓；Pe為外部壓力；γm為材料抵抗因子(取值1.15)；γSC為安全類別抵抗因子(取值1.26)；Pb(t1)為爆破抵抗因子，計算公式為

(9)

式中：t是個啞變量，可以是t1或t2，t1是管的壁厚，考慮制造及腐蝕誤差，t2是僅考慮腐蝕誤差的壁厚；fy是屈服強度；fu是抗拉強度。

3 案例分析

3.1 油田信息

目標油田水深為2000m，采用SPAR作為主平臺。本項目主要考慮TTR作為生產立管，根據井口槽數布置形式，相鄰兩根TTR之間間距為5.0m。

3.2 立管尺寸

TTR結構型式為“雙重套管”，由芯管(生產輸送管)、內套管和外套管構成。

TTR的主要尺寸如表1所示。

表1 TTR主尺度

注： 1英寸≈2.54cm。

3.3 立管材質

對于TTR立管，芯管和內套管材料參數滿足API Spec 5CT要求，外套管材料參數滿足API Spec 5L要求，具體每層管的材料參數如表2所示。

表2 TTR材料參數

3.4 壁厚計算和校核

對于立管壁厚的計算，首先考慮環向應力的要求，確定初步壁厚，參照API Spec 5L、 5CT，或依據項目經驗，選定標準壁厚。然后檢驗該壁厚是否滿足外壓壓潰及內壓爆破的要求。如果不滿足條件，則進一步調整壁厚，重新開始一個新的計算過程，直至選定的壁厚滿足所有的技術要求。

3.4.1環向應力

根據式(1)計算環向應力。表3給出了11英寸外套管、8英寸內套管及5英寸芯管的環向應力計算校核結果和應力使用因子(UC值)。UC值是環向應力與容許應力之比，必須小于等于1.0。

表3 立管的環向應力及使用因子

注： 1ksi≈6.895MPa； 1psi≈6.895kPa。

3.4.2外壓壓潰

外壓壓潰檢驗依據API 2RD[6],考慮沒有缺陷和有缺陷兩種情況。計算使用0.75的安全因子。為保守估計，假定外套管平均軸向應力為30ksi。最大外壓出現在海底。

表4列出了11英寸外套管、8英寸內套管及5英寸芯管在無缺陷情況下的壓潰檢驗結果。結果表明，套管和芯管的最大凈外壓力都小于容許的壓潰壓力。

表4 立管在無缺陷情況下的壓潰檢驗

套管和芯管截面的橢圓度假定為0.01。表5列出了11英寸外套管、8英寸內套管及5英寸芯管在有缺陷情況下的壓潰檢驗結果。同樣地，結果表明，各層立管的最大凈外壓力都小于允許的壓潰壓力，許用值比在無缺陷情況下的要小。

表5 立管在有缺陷情況下的壓潰檢驗

3.4.3內壓爆破

內壓爆破的檢驗依據API RP 1111[7]和DNV OS F201[8]。最大凈內壓出現在水表面。根據式(3)和式(6)分別校核爆破內壓。

表6列出了各個立管的API爆破檢驗結果，結果表明立管的試驗壓力、設計壓力和最大的爆破壓力均小于許用值。

表6 API爆破檢驗結果

表7列出了各個立管的DNV爆破檢驗結果，結果表明立管最大的爆破壓力均小于許用值。

表7 DNV爆破檢驗結果

依據本文提出的設計方法，最終獲得上述設計結果，同時對設計結果進行規范校核，校核顯示設計參數滿足規范要求，設計結果可以使用。該案例結果，可以作為相似設計基礎和油井條件的設計參考，為張緊式立管工程設計提供可靠的參考。

4 結 語

深水立管最小壁厚的確定是海洋立管強度設計和疲勞分析的基礎。合理適度地選擇鋼管壁厚，是確保海洋工程開發建設中生命線安全運行的保障，也是降低海洋工程開發建設投資的最有效手段。

本文根據API和DNV的規范要求，總結了張緊式立管的壁厚計算方法和計算流程，結合具體的工程案例，進一步驗證了TTR立管的壁厚計算方法，并給出了校核結果，可為深水TTR立管工程設計提供重要的參考。

[1] 典型深水平臺概念設計研究課題組.典型深水頂部張緊立管的設計方法[J].中國造船，2005,46(增刊)： 447.

The Group of Typical Deep Water Platform Conceptual Design. The design method for typical deep water top tension risers [J]. Shipbuilding of China, 2005,46(S)： 447.

[2] 周燦豐,帥瀟,焦向東,等.API X65鋼深水頂端張緊立管動力響應數值仿真研究[J].石油化工高等學校學報,2014,27(3)： 87.

Zhou Can-feng, Shuai Xiao, Jiao Xiang-dong, et al. Research of dynamic responses of deepwater top tensioned risers [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2014,27(3)： 87.

[3] 康莊,張立,劉禹維,等.頂部張緊式立管強度設計分析[J].船舶工程,2015(3)： 74.

Kang Zhuang, Zhang Li, Liu Yu-wei, et al. Strength analysis of top tensioned riser design [J]. Ship Engineering, 2015(3)： 74.

[4] American Petroleum Institute. API Spec 5L. Specification for line pipe [S]. 2010.

[5] American Petroleum Institute. API Spec 5CT. Specification for casing and tubing [S]. 1995.

[6] American Petroleum Institute. API RP 2RD. Design of risers for floating production systems (FPSs) and tension leg platforms (TLPs) [S]. 1998.

[7] American Petroleum Institute. API RP 1111. Design, construction, operation and maintenance of offshore hydrocarbon pipelines (limit state design). Fourth Edition [S]. 2009.

[8] Det Norske Veritas. DNV OS F201. Dynamic risers [S]. 2010.

WallThicknessCalculationMethodforTopTensionedRiser

WANG Yu-han1, XU Ai-jin2, CHENG Yong-ming2, SHENG Xing1

(1.ShanghaiWaigaoqiaoShipbuildingCo.,Ltd.,Shanghai200137,China;2.ShanghaiRichtechEngineering,Inc.,Shanghai200233,China)

Based on the code requirement and stress criterion, the wall thickness selection method of top tensioned riser (TTR) is introduced, including analysis procedure, analysis method and checking standard. Then wall thickness calculation method is further verified through an actual engineering example. This research can provide an important reference for the deepwater TTR riser design.

top tensioned riser (TTR); hoop stress; collapse; burst

TE973.1

A

2095-7297(2017)04-0236-04

2017-03-14

王鈺涵(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事船舶與海洋工程結構設計和結構強度分析方面的研究。