某鉆采船高壓泥漿管路系統(tǒng)應(yīng)力分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

潘元憨 楊達(dá)梅

摘 ? ?要：某鉆采船是一艘具有鉆探能力的地質(zhì)研究船，高壓泥漿和固井系統(tǒng)是該船的主要功能系統(tǒng)。為確保高壓泥漿和固井系統(tǒng)管系在工作過程中不因應(yīng)力集中導(dǎo)致管線破裂，本文應(yīng)用CAESAR II軟件對(duì)壓力高于42MPa的系統(tǒng)管路進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，并結(jié)合船體加速度情況進(jìn)行了載荷工況組合設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的管線布置、支架位置等設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：CAESAR II；高壓泥漿系統(tǒng)；應(yīng)力分析

中圖分類號(hào)：U664.84?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Stress Analysis and Design Optimization of High-pressure

Mud Piping System of Drilling Vessel

Pan Yuanhan， ? Yang Damei

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： A drilling vessel is a geological research vessel with drilling capability，the high-pressure mud and cementing system is the main functional system of the vessel. In order to ensure that the high-pressure mud and cementing system piping system does not break due to stress concentration during operation， ?CAESAR II software was used to calculate the stress analysis of the system piping with pressures higher than 42 MPa in this paper，the calculation combined with the acceleration of the ship hull to design the combination of load conditions， and combined with the calculation results， the system piping arrangement， bracket position and other design adjustments were optimized to ensure the safe operation of the system.

Key words： CAESAR II; ? High pressure slurry system; ?Stress analysis

1 ? ? 前言

我國(guó)對(duì)天然氣等能源的需求，伴隨著高速度發(fā)展而穩(wěn)步提升。國(guó)家能源局發(fā)布的《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告（2022）》指出，在世界天然氣貿(mào)易成交量下滑、價(jià)格大幅度升高的情況下，我國(guó)天然氣進(jìn)口量同比增長(zhǎng)達(dá)19.9%，管道氣同比增長(zhǎng)22.9%。天然氣能源的應(yīng)用與國(guó)家工業(yè)建設(shè)、人民生活有著重大影響，為優(yōu)化國(guó)家能源結(jié)構(gòu)，減少能源依賴性，加快深?？萍际聵I(yè)建設(shè)，充分發(fā)揮我國(guó)海洋資源優(yōu)勢(shì)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)重要任務(wù)。

海洋深水區(qū)的勘探工作是未來(lái)深?？萍际聵I(yè)的基礎(chǔ)，鉆采船的高壓泥漿和固井系統(tǒng)的正常運(yùn)行是其勘探工作開展的重要保障。泥漿系統(tǒng)始終處于高壓條件下工作，若管路設(shè)計(jì)因應(yīng)力集中或船體加速度等因素造成破裂，將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著科學(xué)技術(shù)手段的提升，工程設(shè)計(jì)的可靠性可通過相關(guān)軟件模擬計(jì)算得到很大程度改善，高壓管路的校核計(jì)算在化工領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，有較為完善的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。本文使用CAESAR II軟件，對(duì)高壓泥漿和固井系統(tǒng)中壓力高于42 MPa的管路進(jìn)行了應(yīng)力校核分析，包括一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及偶然荷載情況下的相關(guān)應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算充分考慮結(jié)構(gòu)加速度對(duì)系統(tǒng)的影響分析，確保高壓泥漿和固井系統(tǒng)滿足相關(guān)規(guī)范要求及其運(yùn)行安全。

CAESAR II軟件由美國(guó)COADE公司研發(fā)主要用于管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析。該軟件管道應(yīng)力校核涵蓋了ANSI/ASME B31.1、B31.3等標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)范圍包括應(yīng)力、設(shè)備接口、法蘭泄露校核等，還可根據(jù)系統(tǒng)和實(shí)際情況，對(duì)管路系統(tǒng)在風(fēng)載、波浪載荷、地震載荷及結(jié)構(gòu)加速度等偶然荷載情況下的應(yīng)力情況進(jìn)行分析。

本項(xiàng)目將系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)放樣模型數(shù)據(jù)作為CAESAR II軟件中高壓泥漿管路建模的輸入數(shù)據(jù)開展建模工作，合理設(shè)置計(jì)算工況組合，對(duì)高壓泥漿管路的位移、載荷及應(yīng)力計(jì)算等方面進(jìn)行了校核及優(yōu)化。

2 ? ?應(yīng)力分析計(jì)算

管路的應(yīng)力分析，包括靜力分析和動(dòng)力分析：靜力分析包含一、二次應(yīng)力的分析；動(dòng)力分析主要對(duì)系統(tǒng)在地震、水錘等沖擊作用下的振動(dòng)分析；若系統(tǒng)中配置了往復(fù)壓縮機(jī)或往復(fù)泵等動(dòng)力設(shè)備，也可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行工況下動(dòng)力分析，本文不對(duì)管路作動(dòng)力分析。

2.1 ?一次應(yīng)力計(jì)算

一次應(yīng)力是為了平衡由壓力、重力等外部持續(xù)載荷所需要的應(yīng)力。一次應(yīng)力隨外部載荷的增加而增加，但當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，即使外部載荷不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng)直至破壞可通過增加管道剛性來(lái)解決一次應(yīng)力過大問題。

管道工藝標(biāo)準(zhǔn) ASME B31.3 要求重力和壓力引起的軸向應(yīng)力不超過材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，其校核條件如下。

SL≤Sh

式中：SL——一次應(yīng)力，Mpa；

F——持續(xù)載荷產(chǎn)生的軸向力，N；

A——管道橫截面積，mm2；

P——設(shè)計(jì)壓力，Mpa；

D——管道平均直徑，mm；

S——管道壁厚，mm；

M——合成彎矩，N.mm；

W——抗彎截面模量，mm2。

2.2 ? 二次應(yīng)力計(jì)算

二次應(yīng)力是指由于熱漲、冷縮引起的位移載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，其為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所需的應(yīng)力。二次應(yīng)力具有自限性，可通過局部的屈服或者變形使得位移約束條件或管道自身變形連續(xù)要求得到滿足。

在ASME B31.3 中，二次應(yīng)力校核準(zhǔn)則為位移應(yīng)力不得超過許用值：

SE≤SA

式中：SC—冷態(tài)基本許用應(yīng)力，MPa ；

Sh—熱態(tài)基本許用應(yīng)力，MPa ；

SL—持續(xù)應(yīng)力，MPa ；

SA—許用位移應(yīng)力范圍，MPa ；

f—在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)，考慮總循環(huán)次數(shù)影響的許用位移應(yīng)力范圍減小系數(shù)。

3 ? ?計(jì)算實(shí)例

某鉆采船高壓泥漿管路系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)建造的一艘鉆采船上的泥漿管路系統(tǒng)。該船設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)研究，屬于2021年廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展（海洋六大產(chǎn)業(yè)）專項(xiàng)資金項(xiàng)目。

3.1 ? 應(yīng)力分析

（1）邊界條件

高壓泥漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力7 500PSI（約51.7 MPa），高壓固井系統(tǒng)及阻流壓井管匯設(shè)計(jì)壓力15 000PSI（約103.4 MPa）；系統(tǒng)工作溫度-20 ℃～70 ℃，最大環(huán)境溫度45 ℃，最低環(huán)境溫度-20 ℃，安裝溫度20 ℃；介質(zhì)密度：0.002 kg/cm3；管子材質(zhì)為A519 AISI4130的鋼結(jié)構(gòu)。

應(yīng)力計(jì)算需要考慮風(fēng)浪誘導(dǎo)或航行等情況下產(chǎn)生的加速度偶然載荷對(duì)系統(tǒng)的影響，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)方提供系統(tǒng)各工況下的加速度（見表1），以各方向的最大加速度作為整個(gè)系統(tǒng)的均布載荷。本系統(tǒng)船寬方向、垂直方向及船長(zhǎng)方向的加速度分別為0.99倍、0.72倍及0.7倍重力加速度。

（2）約束條件

約束條件主要指管道支吊架在管路布置中對(duì)管道系統(tǒng)的約束作用。管道支吊架主要用于管道的支撐或?qū)艿牢灰频募s束，分為固定支架和導(dǎo)向支架，是管道系統(tǒng)的重要組成部分。支吊架的設(shè)計(jì)影響管路的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，若支吊架設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能出現(xiàn)因不能承受管道重量引起的荷載使管道一次應(yīng)力超標(biāo)的情況；另外，通過支吊架的設(shè)置，可以控制管道系統(tǒng)的變形，從而減少管道二次應(yīng)力和管道對(duì)設(shè)備的推力，保證管道和設(shè)備的正常運(yùn)行；管道支吊架按功能劃分可分為承重架和限制性管架兩種。承重架主要為承受管道重量荷載，限制性管架主要用于限制、控制管道的位移。

（3）載荷類型

本系統(tǒng)應(yīng)力分析荷載，如表 2所列。重力、內(nèi)壓力荷載為持續(xù)荷載，船體加速度荷載為偶然荷載；持續(xù)荷載與偶然荷載過大，會(huì)引起管道破壞；溫度荷載為位移荷載，管道變形后荷載減輕。

（4）工況組合

應(yīng)力分析工況組合是否合理，關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。工況組合太過簡(jiǎn)單，可能導(dǎo)致系統(tǒng)載荷校核不夠全面；而工況組合太過復(fù)雜贅余，則導(dǎo)致需要對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行大幅度修改造成成本的浪費(fèi)。

應(yīng)力計(jì)算工況的組合，主要基于系統(tǒng)原理圖的要求、管線的布置及系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境等因素，結(jié)合管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3設(shè)計(jì)規(guī)范，合理確定計(jì)算載荷和工況組合。表3為高壓泥漿管路系統(tǒng)校核工況組合表。

（5）計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)上述工況計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，高壓泥漿管路系統(tǒng)在序號(hào)為 L5、L7、L8、L8及L17工況下，其應(yīng)力超出管道工藝標(biāo)準(zhǔn) ASME B31.3 規(guī)范要求，而且應(yīng)力集中點(diǎn)相同。

3.2 ? 管路優(yōu)化

通過計(jì)算結(jié)果可以看出：在 L5、L7、L8、L8及L17的工況下，節(jié)點(diǎn)2 855～2 870存在應(yīng)力結(jié)果較為危險(xiǎn)或不滿足管道工藝標(biāo)準(zhǔn) ASME B31.3規(guī)范的情況，因此需要消除管路中的應(yīng)力集中。

從圖1可以看出：主要原因是節(jié)點(diǎn)位于彎管處，因此只要在傾管中點(diǎn)部位增加一個(gè)支架即可解決管子應(yīng)力過大情況。為此，對(duì)解決方案重新建立模型，并計(jì)算出新的應(yīng)力結(jié)果，其應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 ? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文以某鉆采船高壓泥漿和固井系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格書、系統(tǒng)原理圖及船廠生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的系統(tǒng)模型為計(jì)算輸入條件，通過使用CAESAR II建立模型，模型的約束類型、管夾位置及類型、穿艙形式及位置與計(jì)算輸入保持一致，并根據(jù)管道應(yīng)力理論和靜載荷下的一次和二次應(yīng)力分析方法，對(duì)模型進(jìn)行靜應(yīng)力分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)初步的模型存在應(yīng)力集中的情況，通過調(diào)節(jié)管道支架數(shù)量及位置調(diào)節(jié)模型應(yīng)力集中點(diǎn)，使管道的設(shè)計(jì)滿足相關(guān)要求，確保了管道的運(yùn)行安全性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的管道布置、設(shè)備布置以及支吊架設(shè)置提供了理論參考。該方法解決了高壓管道的應(yīng)力集中問題，對(duì)今后類似的高壓管道的應(yīng)力分析具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

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