海外陸上集輸管道隆起屈曲理論探討及應用

程浩力

中國石油工程建設有限公司北京設計分公司, 北京 100085

0 前言

管道在高于環境溫度和壓力的條件下運行時,會發生膨脹。此時如果管道不能自由膨脹以釋放應力,它將產生軸向壓力。對于埋地管道,橫向土壤可視為會提供無限的阻力,因此可以防止管道橫向屈曲。但是,在豎直方向上,如果管道施加在土壤上的力超過了豎直方向以抵抗管道重量、彎曲剛度和覆土的約束力,管道將傾向于向上移動,并且可能發生很大的垂直位移,管道將經歷彈塑性形變以達到新的力平衡。過度的塑性屈服變形是不可接受,且由于隆起屈曲,管道裸露將構成重大的安全和環境危害,因此,以埋設方式鋪設的管道設計中必須考慮隆起屈曲。

中國石油企業近二十年來實施“走出去”戰略,在參與歐美石油巨頭作為作業者(業主)的項目及同中東阿聯酋、沙特等業主的合作中,管道的隆起屈曲計算是海外業主普遍要求必須提交的設計文件，且被視作完整性管理的一部分內容。結合多年來同阿布扎比國家石油公司(ADNOC)、沙特阿美(Saudi Aramco,即沙特國家石油公司)、殼牌(Shell)、道達爾(Total)、埃克森美孚(Exxon Mobil)等業主及沃利帕森斯(WorleyParsons)英國分公司、福陸(Fluor)英國分公司、德西尼布(Technip)等著名工程設計公司的項目合作經驗,將在海外油氣田工程建設中實用的管道隆起屈曲計算方法加以介紹并結合實例說明,以期對海外油氣田工程設計及施工起到一定的借鑒指導作用。

1 管道隆起屈曲現象及研究應用

屈曲問題是陸上高溫、高壓埋地管道一直存在的問題,研究管道屈曲方面的標志性人物Palmer A C早在1974年就發表了一篇關于管道橫向屈曲的論文[1]。20世紀80年代后期,歐洲北海丹麥地區Rolf至Gorm的一條輸送溫度82 ℃的DN200油氣混輸海底管道發生了嚴重的屈曲[2],英國、挪威在北海的地區也發生了很多其他類似實例。它們雖然未導致泄漏失控,但是隨著近海石油、天然氣的大規模開采,管道屈曲若導致管道破裂失效,將造成海洋環境的大規模污染,這個問題逐漸引起人們的重視。尤其是油氣田管道一直朝著高溫、高壓方向發展,整個行業對管道屈曲問題的敏感性不斷提高,在海底管道隆起屈曲領域逐漸涌現出一大批研究成果[3-8]。

以Palmer A C為代表的學者對海底管道屈曲現象進行了大量研究[9-14],殼牌在1987年發起了一項全面的隆起屈曲研究計劃并隨后制定了其標準規范Shell DEP 31401016Upheaval Buckling of Pipelines(以下簡稱Shell DEP 31401016規范)[15]。1990年,Palmer A C在第22屆國際海洋石油技術展覽會上發表了經典論文Design of Submarine Pipelines against Upheaval Buckling,提出了一種簡化的初步設計方法[16],該論文的經驗公式簡易且實用,至今被廣泛用于管道隆起屈曲分析計算,也被用于陸上埋地管道的初步分析。2006年K Peters發表論文About Upheaval and Lateral Buckling of Embedded Pipelines,進一步拓展了Palmer A C的研究成果,可以求出沿管道斷面的最大允許上彎角度,更具指導性[17]。

經過近四十年的發展,隆起屈曲研究從海底管道拓展到陸上埋地管道,而中國學者早期也做過一定的研究探討[18-19]。近年來,國內外學者研究范圍仍偏向于比較成熟的海底管道的隆起屈曲研究[20-24],涉及陸上管道的研究較少且多為凍土地區研究[25-26],所涉研究方法多為純理論性的探討或數值模擬。由于大部分理論方法都有待驗證,且復雜的模擬或數值計算很難達到工程要求的簡易實用或經驗公式的要求,大部分研究往往很難直接應用于油氣田地面工程中的工程設計及施工。Palmer A C 1990年的OTC6335理論、K Peters 2006年的理論及Shell DEP 31401016規范提出的理論方法具有較強可實施性,在設計中不需要過于復雜的計算或數值模擬,用簡單的工程計算軟件及Excel編輯計算公式即可得出計算結果,由此在海外陸上油氣田項目中被歐美石油公司及工程設計公司廣泛采用。下文將詳細介紹這三個理論方法,并以中東某油氣田一條DN300集輸管道干線為例,介紹三個公式的應用實踐。示例管道設計參數見表1。

表1 示例管道設計參數表Tab.1 Pipeline design parameters of the project case

2 OTC6335理論

Palmer A C在OTC6335論文中介紹了一種簡化分析模型,用于檢查所選的管頂覆土深度是否足以防止隆起屈曲。

2.1 方法理論

2.1.1 向下力計算

(1)

抵抗管道隆起屈曲的向下力與管道斷面缺陷有關,上式中懸空高度δ,即管道從平直溝底的允許隆起高度值。土壤阻力也隨著懸空高度的增加而變化。計算中通常會對0.1～0.3 m的懸空高度進行了隆起屈曲校核。

2.1.2 軸向力計算

Ne=pAi+A[Eα(T2-T1)-νSH]

(2)

式(2)計算出的軸向力考慮的為管道的完全約束條件。埋地管道上方土壤提供的抗拔力(單位長度土壤阻力)的計算公式為:

Q=HeDρs

(3)

為避免管道屈曲,需要滿足:

|W|<|WO+Q|

(4)

2.1.3 懸空長度計算

將管道穩定在不超過懸空高度所需的單位長度的最大向下力為：

W=2δNe

(5)

給定懸空高度下的懸空長度由式(6)計算:

(6)

2.2 應用實例

用Excel表格建立OTC6335的計算程序,結果見表2～3。

比較表2、3中的屈曲計算結果,未腐蝕的新建管道計算值相對保守(所需向下的阻力更大),因此,在設計管道斷面圖時,應遵循表3中基于非腐蝕條件(新建管道,未扣減腐蝕余量)的計算值。

表2 基于OTC6335理論的完全腐蝕條件下計算結果表Tab.2 Calculation result of corroded condition(OTC6335)

表3 基于OTC6335理論的新建管道(未腐蝕)條件計算結果表Tab.3 Calculation result of non-corroded condition(OTC6335)

3 Shell DEP理論

3.1 方法理論

Shell DEP 31401016的屈曲分析方法計算了在假定的懸空高度下管道可以抵抗隆起屈曲所需的外力,在考慮一定安全系數情況下將該外力與覆土及管道固有剛度形成的可用阻力進行比較,以判斷是否滿足要求。該理論由于有Palmer A C的較大貢獻,因此同OTC6335論文有很大的淵源性。Shell DEP 31401016對管道屈曲風險的評估分四個步驟:第一步是計算驅動力(driving force);第二步是確定管道保持原位不發生隆起屈曲所需的向下總阻力(total downward force);第三步是根據管道重量,覆土的重量和抗剪力(埋設的管道)計算可用的抗拔力(available uplift resistance);第四步是比較所需的向下阻力和可用的向下阻力,以最終確定覆土是否滿足要求。

產生隆起屈曲的驅動力是受限管道及其輸送介質中的軸向壓力。該力一部分是由于介質溫度升高引起,另一部分是由壓力引起,壓力會在包括鋼管和輸送介質在內的整個管道橫截面上產生壓力,還有一部分是管道鋪設后的殘余張力。

鋼管和輸送介質在工作溫度和壓力以及殘余張力的共同作用下產生的驅動力(軸向壓力)Ne為:

Ne=(1-2ν)πR2p+2πRtEαΔT-TR

(7)

(8)

Hi

(9)

向下的阻力由管道重量及覆土向下施加的力之和組成。在給定的覆土深度下,每單位管道長度的抗拔力由式(10)給出:

Q=HeDρs

(10)

(11)

3.2 應用實例

用Excel表格建立Shell DEP的計算程序,結果見表4～5。

比較表4、5中的屈曲計算結果,未腐蝕的新建管道計算值相對保守(所需向下的阻力更大),因此,在設計管道斷面圖時,應遵循表5中基于非腐蝕條件(新建管道,未扣減腐蝕余量)的計算值。

表5 基于Shell DEP理論的新建管道(未腐蝕)條件計算結果表Tab.5 Calculation result of non-corroded condition(Shell DEP)

4 K Peters理論

4.1 方法理論

根據K Peters針對埋地(或堤埋)管道的論文[17],可以采用Mathcad軟件開發的程序計算管道沿線最大允許上彎角度。

4.1.1 彎曲應力計算

為了降低屈曲發生的可能性,管道方向的變化必須以受控的方式設計,因此需要計算最大允許上彎角度或最大水平轉角。為此,首先需要根據ASME B31.8—2018Gas Transmission and Distribution Piping Systems(以下簡稱ASME B31.8)[27]第833.3節或ASME B31.4—2019Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries(以下簡稱ASME B31.4)[28]第402.6.1節計算允許的彎曲應力,另外需要滿足ASME B31.8第833.4節或ASME B31.4第402.7節組合應力判則。

根據ASME B31.8第833.3節或ASME B31.4第402.6.1節,受限管道(埋地管道)中的凈軸向應力應不大于90%SMYS,計算如下:

SL=SP+ST+SX+SB≤0.9×SMYS×T

(12)

(13)

4.1.2 懸空長度計算

K Peters理論中管道允許上彎角度所需的臨界懸空長度L的計算公式為:

L=2π

(14)

(15)

F=αΔTEA+(1-2ν)pAi

(16)

(17)

Ai

(18)

4.1.3 允許上彎角度計算

允許的上彎角度可使用K Peters論文中公式25的第一部分計算得出。η的值可通過式(19)計算得出:

(19)

ψL

(20)

(21)

4.1.4 給定上彎角度下允許的最小埋深計算

使用K Peters論文公式25的第二部分來計算給定角度下所需的抵抗隆起屈曲的阻力Rrequ。

(22)

(23)

(24)

4.2 應用實例

用Mathcad建立K Peters理論的計算程序,見表6～7。

表6 基于K Peters理論的完全腐蝕條件下計算結果表Tab.6 Calculation result of corroded condition(K Peters)

比較表6、7中的屈曲計算結果,很明顯未腐蝕的新建管道計算值相對保守,因此,在設計管道斷面圖時,應遵循表7中基于非腐蝕條件(新建管道,未扣減腐蝕余量)的計算值。

表7 基于K Peters理論的新建管道(未腐蝕)條件計算結果表Tab.7 Calculation result of non-corroded condition(K Peters)

5 結論及建議

比較表2～7中針對OTC6335理論、Shell DEP理論和K Peters理論得出的隆起屈曲計算結果,各類計算情況下“非腐蝕”條件的結果更為保守,OTC6335和Shell DEP的計算方法較為容易通過Excel表格建立,K Peters理論的一些公式需要通過軟件建立。根據同海外油氣田項目業主及工程設計公司的項目合作經驗,對海外油氣田集輸管道隆起屈曲計算的主要建議如下。

1)在基本設計階段,使用相對簡單且可用Excel編輯計算的OTC6335理論或Shell DEP理論的公式原理對管道隆起屈曲進行初步分析,并提出建議。

2)K Peters理論相對于OTC6335理論及Shell DEP理論來說比較保守,且更加詳細,因此在詳細設計階段,可采用K Peters理論對管道的隆起屈曲進行詳細的計算,確定管道最大允許上彎角度及對應的覆土厚度要求,用于指導管道斷面圖設計及施工。

3)屈曲計算時應考慮在未腐蝕條件下進行計算。

由于油氣集輸管道設計溫度往往都在80 ℃以上,甚至達到110 ℃及以上,在海外油氣田中,管道的隆起屈曲常有發生。結合以往的工程經驗,為減少管道的隆起屈曲危害,建議采取以下措施。

1)在特定的設計參數下有兩個主要方法可以控制隆起屈曲:第一個是確保在給定的覆土厚度下,管道縱向角度變化在計算得出的最大允許上彎角度上限之內;第二個是增加土壤阻力以增加上彎角度允許值上限。增加土壤阻力最直接的方法是增加覆土厚度。增加覆土厚度的首選方法就是埋地管道加大埋深,堤埋管道增加管堤高度。

2)管道縱斷面設計時,如果管道縱向變化的角度超過計算的允許值,則需要對起伏較大的地形進行適當的平整以減少管道縱向角度變化值或增加覆土深度(減少上彎角度,使斷面緩慢變化)。

3)由于集輸管道普遍存在同溝設計的問題,當多條管道同溝時,則最大允許上彎角度應為所有管道中最大允許上彎角度中的最小值。

4)管道隆起屈曲計算報告結果應反映在管道縱斷面圖中,以便有效指導設計和施工,圖紙應說明施工及設計中最大允許上彎角度并標明最小彈性彎曲半徑。

5)在海外油氣管道設計文件中,管道屈曲校核往往作為管道壁厚及應力校核的一部分內容,當進行屈曲計算時,若發現管道很容易出現屈曲現象(例如,普遍需要提高覆土厚度或允許的彎曲角度很小),則需要考慮改變一定的設計輸入條件。根據Shell DEP 31401016第3章的建議,減少屈曲可采取的方式主要有提高鋼級(強度增大,有利于應力計算即校核)、減小壁厚(即上述計算中遇到的,管道減薄/腐蝕情況下,屈曲危害降低;提高鋼級實質也是達到了減小管道壁厚的目的)、改變設計/操作條件(比如,降低操作壓力及操作溫度)。