簡析高壓泥漿管安裝原則

苗立勇，宋千云，吳彩云，苗立謙

（1. 廣船國際有限公司，廣州 511462；2. 廣州建宇工程咨詢有限公司，廣州 511458）

0 引言

在石油鉆井行業(yè)，高壓泥漿系統(tǒng)是鉆井船的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在鉆井過程中起到攜帶鉆屑出井、冷卻和潤滑鉆頭、平衡井下壓力等作用[1]。目標(biāo)鉆井船的高壓泥漿系統(tǒng)設(shè)計壓力是 51.71 MPa。工作壓力高，對管路材料的強(qiáng)度、硬度、塑性等物理性能提出了嚴(yán)格的要求，焊接、安裝等施工要求高，工藝復(fù)雜。

高壓泥漿管的泥漿成本在整個鉆井過程中占有很大比例，設(shè)計合理的泥漿系統(tǒng)對鉆井系統(tǒng)的功能性、經(jīng)濟(jì)性非常重要。

1 材質(zhì)選擇和性能分析

經(jīng)過對自升式鉆井平臺及其他類似鉆井平臺及鉆井船的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前高強(qiáng)度合金鋼ASTM A519 GR4130因其優(yōu)越的性能而獲得業(yè)界普遍認(rèn)可，被選用為高壓泥漿管路的材料。根據(jù)表1顯示，ASTM A519 GR4130鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，其焊接工藝[2]調(diào)質(zhì)后的抗拉強(qiáng)度為 730 MPa～860 MPa，屈服強(qiáng)度為 485 MPa～755 MPa，的沖擊韌性大于40 J。

表1 ASTM A519 GR4130的化學(xué)成分

工作區(qū)域如果是高硫井或者需按高硫井設(shè)計，那么相應(yīng)的管材、附件、連接件和閥門全都要滿足美國防腐蝕協(xié)會NACE MR 0175或ISO 15156的最新要求，洛氏硬度不超過22 HRC。

GR4130的性能可以滿足海工鉆井的各方面需求，且市場上生產(chǎn)廠家數(shù)量多，供貨充足，成本方面能得到有效控制，因此，綜合各方面的考慮，目標(biāo)鉆井船的高壓泥漿系統(tǒng)材料采用ASTM A519 GR4130。

2 應(yīng)力分析

管線應(yīng)力分析是高壓泥漿管道設(shè)計的基礎(chǔ)，高壓管道上任意一個點失效都可能引起整個管道系統(tǒng)停止工作，甚至可能造成嚴(yán)重的安全事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著高壓管道系統(tǒng)的可靠性和安全性越來越受到重視，管道的應(yīng)力分析得到越來越廣泛的應(yīng)用，它可以有效地提高設(shè)計可靠性，避免因設(shè)計不合理而引起的災(zāi)難和損失。

管道應(yīng)力分析的任務(wù)，是指對管道進(jìn)行應(yīng)力分析并使分析結(jié)果滿足規(guī)范的要求，從而保證整個管路系統(tǒng)的安全。保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支撐或端點附加位移造成應(yīng)力問題。

管道設(shè)計要實現(xiàn)工藝要求、操作要求，以及由于內(nèi)壓或外壓、外載荷、管道系統(tǒng)因冷熱力等作用力受到影響的安全要求，對管路系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析與計算，使設(shè)計的管道盡可能合理經(jīng)濟(jì)。

對管道系統(tǒng)的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評估的主要內(nèi)容：壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計算，防止塑性變形破壞。

2.1 應(yīng)力分析的方法

由機(jī)械外載荷引起的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，必須滿足外部和內(nèi)部的力和力矩的平衡法則[3]。一次應(yīng)力是非自限性的，它始終隨著所加載荷的增加而增加，超過材料的屈服極限或持久強(qiáng)度時，將使管道發(fā)生塑性破壞或總體變形，因此在管路系統(tǒng)的應(yīng)力分析中，首先應(yīng)該使一次應(yīng)力滿足許用應(yīng)力值。

本項目使用 AutoPIPE軟件對高壓泥漿管道進(jìn)行應(yīng)力分析。該軟件進(jìn)行管道應(yīng)力驗算采用的標(biāo)準(zhǔn)是 ASME B31.1/B31.3/B31.4等。AutoPIPE通過建立模型、計算分析，獲取載荷與響應(yīng)較大的危險點，對其應(yīng)力進(jìn)行校核，比較高壓泥漿系統(tǒng)工作前后的應(yīng)力是否在安全范圍內(nèi)，從而判斷是否符合設(shè)計和規(guī)范的要求。設(shè)計計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下。

設(shè)計工況：目標(biāo)鉆井船的的設(shè)計條件；計算內(nèi)壓Pc為51.71 MPa；計算溫度Tc為21.1℃。

圖1所示為載荷局部坐標(biāo)系示意圖，管口外載參數(shù)見表2。

圖1 載荷局部坐標(biāo)系示意圖

表2 管口外載各參數(shù)

一次應(yīng)力校核的工況組合為：SUS—GR＋Max P，如果許用值大于或等于節(jié)點應(yīng)力，則說明一次應(yīng)力校核通過，否則為不通過。根據(jù)管道系統(tǒng)可視化應(yīng)力圖可以知道最大應(yīng)力點所在位置。

經(jīng)過計算后，AutoPIPE程序在輸出結(jié)果中，將根據(jù)所選擇的設(shè)計規(guī)范自動進(jìn)行一次應(yīng)力的校核。一次應(yīng)力計算結(jié)果如表3所示。

表3為一次應(yīng)力計算結(jié)果，根據(jù)計算的結(jié)果，該部分管道系統(tǒng)的一次應(yīng)力滿足要求。

從圖2中可以看到，一次應(yīng)力的最大值發(fā)生在三通和彎頭及一些固定支架附近，在評估高壓泥漿管道系統(tǒng)的安全性時應(yīng)注意這個現(xiàn)象，并且在設(shè)計布置管道時給予充分考慮。

表3 一次應(yīng)力計算結(jié)果

圖2 SUS 工況應(yīng)力圖

2.2 位移分析

借助 AutoPIPE軟件的計算功能，可以得到每種工況對應(yīng)的支架受力情況、管路的位移情況和應(yīng)力情況，進(jìn)而判斷管路布置是否合理，并通過變形來避免應(yīng)力集中的情況。

根據(jù)表4和對應(yīng)的圖3可知，在荷載作用下，管道的部分管點在3個方向發(fā)生了不同程度的偏移，并且同時還發(fā)生了輕微的旋轉(zhuǎn)，觀察管道系統(tǒng)的其他大多數(shù)管點存在同樣的現(xiàn)象，可見管道在載荷作用下發(fā)生偏移和旋轉(zhuǎn)是普遍存在的，在設(shè)計布置高壓泥漿管道時需要充分考慮這一點。

表4 高壓泥漿管路部分管點位移值

圖3 高壓泥漿管受載位移偏轉(zhuǎn)圖

3 高壓泥漿管設(shè)計的改進(jìn)措施

考慮到三通、彎頭等部位容易發(fā)生應(yīng)力集中，所以在設(shè)計時應(yīng)減少非必要的三通和彎頭的數(shù)量，并且優(yōu)先選用長半徑的彎頭，使管道盡可能平直。

另外由于高壓泥漿管路壓力非常高，各設(shè)備應(yīng)該就近布置，盡量減小高壓管道的長度。如果管道長度較長，則必須考慮優(yōu)化導(dǎo)向架的布置。

由于一次應(yīng)力在假定壁厚滿足的前提下考慮的基本上是軸向應(yīng)力，包含了壓力引起的軸向力、外加軸向力和彎矩引起的軸向應(yīng)力，所以發(fā)現(xiàn)一次應(yīng)力超標(biāo)時，可以檢查3個方面：

1）壓力是否過大；

2）兩端的軸向附加力是否過大；

3）是否由于2個剛性支架之間跨度過大，導(dǎo)致彎矩過大。

在生產(chǎn)實際中，一次應(yīng)力超標(biāo)通常可以由合理設(shè)置支撐吊架來解決。

管道安全設(shè)計除了壓力設(shè)計之外，還要滿足柔性設(shè)計。管道柔性是反映管道變形難易程度的一個物理概念，表示管道通過自身變形吸收熱脹冷縮和其他位移變形的能力。總的來講，影響管道柔性的因素主要有：管單元的規(guī)格及尺寸、管道的空間幾何形狀、管道端部的剛度、管道中間的支撐以及管道中特殊的管道元件等。在管道設(shè)計中，增加管道柔性的方法主要有：改變管道走向、選用膨脹接頭和安裝彈性吊架。進(jìn)行管道柔性設(shè)計時，在保證管道具有足夠柔性來吸收變形的前提下，應(yīng)注意避免使管系過分柔軟。

4 結(jié)論

高壓泥漿管道的布置必須通過嚴(yán)格的應(yīng)力分析，根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果針對性地對管道系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行修改，提升管道系統(tǒng)的可靠性安全性，使整個系統(tǒng)趨于完善合理。