一種基于SACS軟件的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法

◎李曉明 姜學錄 杜穎 趙剛 劉漢卿 海洋石油工程股份有限公司

近年來，隨著海上油田開發的迅速發展，平臺的增多，海底管道也越來越多，膨脹彎是海底管道路由中不可或缺的環節，數量龐大。不僅新鋪設海底管道中需要安裝大量的膨脹彎，同時，隨著平臺設施和海底管道設施的老齡化，到達服役年限，需要進行拆除回收的海底管道和膨脹彎，在近年來也逐漸顯現。

下面以渤海某油田拆除回收膨脹彎分析為例，介紹一種新的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法，該方法采用Bentley公司開發的SACS程序進行模擬計算，荷載校核依據規范DNVOS-F101荷載和抗力系數設計方法。

1.拆除回收吊裝分析需要特殊考慮的因素

拆除回收膨脹彎吊裝分析和安裝膨脹彎吊裝分析有所不同，比如需要考慮以下幾點：

（1）新安裝的膨脹彎吊裝分析中，不需要考慮腐蝕問題，而拆除回收舊膨脹彎時，需要根據服役年限，或檢測記錄，考慮一定的腐蝕及壁厚減薄，但重量上還是采用原始厚度的重量，即“減薄不減重”。

（2）膨脹彎吊裝過程中，有在水中的工況和在空氣中的工況，由于在水中有浮力，因此，在空氣中吊裝的工況是關鍵工況。安裝膨脹彎吊裝分析中，空氣中吊裝工況只考慮空管，即管內沒有沖水的工況即可，而拆除回收吊裝分析工況，需要考慮，膨脹彎出水瞬間，管內充滿水這一極端工況。

（3）由于拆除回收的舊膨脹彎，在水下放置多年，如果回收前不進行吹泥處理，或吹泥進行的不徹底，需要考慮適當的泥土覆蓋。并且如果膨脹彎底部陷入泥土中，還需要考慮吸附力的作用，由于這部分作用，根據不同的土壤數據和膨脹彎入泥的情況，差別很大，因此，可能導致膨脹彎出泥的瞬間是最危險工況。

以上是通常需要考慮的因素，一些特殊情況，可以額外考慮其他因素，比如如果有海生物，需要考慮海生物重量，一般拆除前需要將管道完全清洗干凈，如果可能存在少量油氣殘留的情況下，需要設計防污染設施。

2.拆除回收吊裝力提取

以渤海灣某油田拆除回收膨脹彎吊裝分析為例，介紹SACS與DNV規范相結合的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法。

3.基于拆除回收膨脹彎吊裝的設計假設及模擬

3.1 設計假設

本次模擬是取膨脹彎剛出水，且管內充滿水的極端工況來分析。

按照施工方案，回收膨脹彎前需要清理壓塊，和進行徹底的吹泥清理，使膨脹彎徹底暴露在海床上，因此本次計算不考慮土壤吸附力。

由于本研究的膨脹彎已經服役10多年，因此本計算規范校核中考慮腐蝕，根據規格書腐蝕余量3mm，在套管（采用較保守分析）均布腐蝕，套管壁厚12.7mm-3mm=9.7mm。在計算結構自重時是以原厚度來考慮。

為了保證鋼絲繩吊裝角度，經過試算后，確定該節膨脹彎的吊高為35m，鋼絲繩水平角度大于60°，符合規范要求。

3.2 結構加載

膨脹彎鋼管結構自重（包括膨脹彎套管、內管及海水、隔熱層和防腐層的重力之和，其中，內管及海水、隔熱層和防腐層的重量等通過修正套管的密度實現，修正套管密度后由程序自動計算），膨脹彎兩端法蘭重量（兩個法蘭的重量以集中力的方式進行加載）分別加載于膨脹彎的兩端，該膨脹彎兩端均為0.631T。

3.3 受力結果提取

為了下一步采用DNV-OS-F101規范進行校核，需要在SACS 結果中，提取所有桿件的軸力和彎矩，從中分別選出最大的軸力和彎矩，進行規范校核，這樣得到的結果可以覆蓋比較危險的節點。

4.規范校核

4.1 規范校核

規范校核部分，對于膨脹彎拆除回收吊裝分析和安裝吊裝分析類似。本次荷載校核是依據DN VOS-F1012000規范執行，該規范把載荷分類為：功能載荷、環境載荷、建造載荷（又分為功能載荷和環境載荷）和偶然載荷。海底管道系統的每個部分都應按照最不利的荷載組合進行設計。

根據規范DNV-OS-F1012000，分別根據荷載控制條件和位移控制條件進行屈曲校核。采用荷載控制條件下的屈曲校核更加保守。因此，本次校核選用了荷載控制條件。管件經受彎矩、有效軸力和內部超壓力作用的所有橫截面應設計成滿足公式1。膨脹彎及海底管線的吊裝工況適用于該方程。

作為比較和參考，管件經受彎矩，有效軸力和外部超壓力的所有的橫截面也要被計算，并滿足公式2。

式中：γSC為安全等級抗力系數；γm為材料抗力系數；αc為流動應力參數；Mp為塑性彎矩；Sp為特征塑性軸力；pb（t2）為爆破壓力。

設計荷載一般可以用以下形式表示：

式中：Md為設計彎矩；MF為設計彎矩；ME為環境彎矩；MA為偶然彎矩；Sd為功能軸力；SF為功能軸力；SE為環境軸力；SA為偶然軸力。

吊裝工況下的特征載荷是基于SACS軟件進行分析的，從SACS計算結果中提取出管線的功能軸力和彎矩用于荷載校核。荷載校核應選取膨脹彎最危險的截面。在分析中，環境彎矩和軸力一般分別取功能彎矩和軸力的30%和15%。

規范DNV-OS-F1012013中，對公式1和公式2進行了修改，分別為公式6和公式7。

式中：MSd為設計彎矩；SSd為設計有效軸力；pi為內部壓力；pe為外部壓力；pb為爆破壓力；Sp和Mp為管道的塑性軸力、彎矩；pmin為管道的最小內部壓力；pc為壓潰參數。每個參數的具體含義或公式需要查看規范中的解釋。

分別比較式1和式6，式2和式7，其中的γSC·γm為大于1的數，所以，2013版規范一般情況下更保守一些。但膨脹彎吊裝計算中，只要合理布置鋼絲繩的吊點位置，鋼絲繩角度和長度，大部分情況下，UC值（實際值和許用值之比）較小，一般小于0.8，本案例的拆除回收吊裝分析采用的2000版規范，UC值0.659可接受，如果UC值較大，可再用2013版規范加以驗證，但重點在于調整鋼絲繩的布置，降低應力水平。

4.2 校核結果

本次計算選取了膨脹彎最危險截面在荷載控制條件下進行了荷載校核?；赟ACS模擬的計算結果，根據規范計算出相應的UC值。最大的彎矩、軸力和UC值的結果匯總如表1。所有管段UC值均小于1.0，符合設計規范要求。

表1 膨脹彎荷載校核

5.結語

本文以一個工程實例，介紹了一種簡便易學的基于SACS軟件的膨脹彎拆除回收吊裝分析方法，并重點介紹了拆除回收分析的特殊性，方法可操作性強。比較了DNV-OS-F1012000和DNV-OS-F1012013兩個版本的規范中主公式的差異，由于拆除回收吊裝分析一般為廢棄管線，且一般原始設計或安裝階段采用較早版本的規范，加之拆除回收吊裝過程在管道全生命周期中一般并不是最危險工況，因此，采用DNV-OS-F1012000規范校核也是被證明有效的。在很少數應力較接近極限水平（UC值超過0.8）時，建議通過調整吊點位置、調整鋼絲繩角度、增加鋼絲繩數量等方式，降低應力，并用2013版規范加以驗證。另外，如果將規范校核部分的公式編輯成計算表格，更可以提高計算效率，也更易于普及。