海洋模塊鉆機高壓管道壁厚計算

(中海油能源發展裝備技術有限公司 設計研發中心，天津 300452)

國內外行業標準關于管道的壁厚計算原理基本相通，差異在于對不同壓力等級的管道，GB 50316、GB/T 20801、SY/T 5244及相關設計手冊等壁厚計算的方法具有唯一性[1-3]，而美標ASME B31.3給出了兩種不同的計算方法，其中壓力等級小于等于CL 2500的管道壁厚計算方法與國內相關標準，設計手冊算法一致；而對于壓力等級大于CL 2500的高壓管道，ASME B31.3給出了區別于常規管道設計的計算方法[4]。

模塊鉆機高壓管道系統相對于其他普通壓力管道系統，其壁厚減薄速率顯著增大，渤海部分平臺已根據檢測報告重新更換了高壓管道。國內各大管匯廠家提供用于鉆井的高壓管道，其管道強度計算報告顯示，管道的壁厚計算基本遵照國內標準。

海洋模塊鉆機高壓管道存在壓力等級大于CL 2500的工況，結合行業現狀出現的問題，有必要對高壓管道的壁厚計算原理重新進行分析研究，根據國內標準和美標標準兩種不同的算法，按照海洋模塊鉆機的實際輸入工況進行計算對比，給出海洋模塊鉆機各尺寸高壓管道的推薦壁厚值。

1 高壓管道分類

常規海洋模塊鉆機高壓管道按設計壓力等級通常分5 000 psi(p≤CL 2500)和10 000 psi(p>CL 2500)兩類。壓力等級為5 000 psi的管道包含高壓鉆井液管道和節流壓井管道，壓力等級為10 000 psi的管道通常包含固井管道和節流壓井管道。國內海洋模塊鉆機高壓鉆井液管道管徑尺寸為5 in，節流壓井管道管徑尺寸為4 in，固井管道管徑尺寸為3 in。

2 高壓管道壁厚計算方法的區別

對于5 000 psi和10 000 psi壓力等級的管道的壁厚計算，國內標準統一計算如下。美標ASME算法則根據設計壓力等級給出了兩種不同的算法，5 000 psi(p≤CL 2500)壓力等級管道壁厚計算采用公式(1)，10 000 psi(p>CL 2500)壓力等級管道壁厚計算如下。

(1)

tm=t+c

(2)

c=c1+c0

(3)

式中:tm為計算的最小壁厚；t為管道的內壓設計厚度；c為機械裕量(螺紋或溝槽深度)與腐蝕和磨蝕裕量總和；c1為內裕量總和，c0為外裕量總和；p為設計內壓(表壓)，kPa；D為管道外徑，mm；S為材料的許用應力，kPa；E為質量系數；W為焊縫結構強度降低系數；Y為材料溫度系數。

p>CL 2500

(4)

由此可見，國內標準與美標ASME區別主要在10 000 psi壓力等級管道的算法選用上。

3 管道外徑

目前國內外海洋平臺管道設計，其外形尺寸均按ASME B36.10M設計，模塊鉆機高壓管道外徑尺寸對照參見表1[5]。

表1 模塊鉆機高壓管道外徑尺寸

4 材料許用應力

ASME B31.3標準對管道材料許用應力沒有給出明確的計算公式，該標準在附錄表A-1中列出了大量金屬材料在不同溫度環境下的許用應力值，從附錄表A-1的材料許用應力值和材料的抗拉強度、屈服強度數據進行對比分析、推導，可得出管道材料許用應力值基本符合以下計算原則。

(5)

(6)

式中；ST為材料標準抗拉強度下限值，MPa；SY為材料在設計溫度下的屈服強度，MPa。

國內海洋模塊鉆機高壓管道常用的材料為API Spec 6A 75K等級材料,材料的抗拉強度最小為655 MPa,屈服強度最小為517 MPa[6],具體材料型號通常選用ASTM A519 4130[7]或35CrMo[8],根據上述管道材料許用應力計算原則，海洋模塊鉆機5 000 psi及10 000 psi壓力等級的許用應力值見表2。

表2 模塊鉆機高壓管道許用應力值

5 設計余量

管道的設計余量包含機械余量、腐蝕余量和磨蝕余量。海洋模塊鉆機高壓系統管道因其介質由重晶石、膨潤土等固體顆粒物混合調配而成，且管道系統設計壓力高，介質流速快，因此，設計余量須重點考慮介質對管壁磨蝕產生的影響[9]，根據SY/T 5244 表A.2并結合多年海上平臺高壓管道使用調研及數據檢測，國內模塊鉆機常規材質的高壓管道設計腐蝕余量建議選為3 mm。

6 選取結果及差異對比

管道制造偏差通常按12.5%考慮[10]。為便于鋼廠管道批量標準化生產，管道壁厚等級系列應盡量滿足ASME B36.10M或圓整。根據SY/T 6962要求，模塊鉆機節流、壓井管道的內徑不應小于76.2 mm，根據鉆井作業需求，高壓泥漿管道內徑不應小于100 mm,固井管道內徑不應小于50 mm[11]。

輸入以上管道數據及要求進行計算,得出美標ASME B31.3管道壁厚計算選取結果見表3，國內標準管道壁厚計算選取結果見表4,兩種算法計算結果對比見表5。

表3 美標管道壁厚計算選取結果

注：壁厚實際最小值為壁厚選取值減去12.5%的鋼廠制造負偏差。

對比總結如下。

1)5 000 psi高壓管道，國內標準與美標ASME管道壁厚計算原理及計算結果無差異。

2)10 000 psi高壓管道，國內標準與美標ASME采用了不同的計算公式，ASME標準算法引入了指數函數，重點考慮了設計壓力p值對計算結果的影響，并從兩者的計算公式可知ASME標準的壁厚計算值大于國內標準的壁厚計算值。

表4 國內標準管道壁厚計算選取結果

表5 國內外標準管道壁厚計算差異對比

3)10 000 psi高壓管道，3 in固井管道ASME標準比國內標準壁厚理論計算值大2.56 mm，4 in節流壓井管道ASME標準比國內標準壁厚計算值大3.3 mm。

4)對于CL 2500以上管道，壓力等級越高，美標與國標壁厚計算值差異越大。

7 結論

海洋模塊鉆機5 000 psi等級高壓管道，國內外標準算法原理相同，通過計算推薦4 in管道壁厚選取為XXS(17.12 mm)，5 in管道壁厚選取為XXS(19.05 mm)。

海洋模塊鉆機10 000 psi等級高壓管道，根據國內外標準壁厚計算公式及計算結果差異對比，美標ASME B31.3較國內標準算法要求更嚴謹，更安全。考慮到海洋環境對模塊鉆機設施使用的局限性及苛刻要求，10 000 psi等級高壓管道壁厚計算方法建議選用美標ASME B31.3。經計算，推薦4 in管道壁厚選取為18 mm，5 in管道壁厚選取為19 mm。