王鈺涵， 徐愛進(jìn)， 程永明， 盛 興

(1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

頂張緊立管的壁厚計(jì)算方法

王鈺涵1， 徐愛進(jìn)2， 程永明2， 盛 興1

(1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

主要根據(jù)規(guī)范要求，基于應(yīng)力準(zhǔn)則，以深水頂張緊立管(TTR)為研究對象，介紹了深水TTR的壁厚計(jì)算流程、計(jì)算方法和校核標(biāo)準(zhǔn)。以實(shí)際的工程案例，進(jìn)一步驗(yàn)證了TTR立管的壁厚計(jì)算方法，并給出了校核結(jié)果，為深水TTR立管工程設(shè)計(jì)提供參考。

頂張緊立管(TTR)；環(huán)向應(yīng)力；壓潰；爆裂

0 引 言

深水頂張緊立管(TTR)是一種深水油氣開發(fā)工程中被廣泛使用的深水立管形式，主要應(yīng)用在張力腿平臺(TLP)和單柱式平臺(SPAR)，可用于油氣生產(chǎn)。頂張緊立管的最小壁厚計(jì)算方法是立管設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。合理地選擇立管的壁厚，不僅是保障立管安裝階段、在位服役期間的安全因素，也是降低深水立管工程建設(shè)費(fèi)用的有效途徑。海洋石油工程股份有限公司項(xiàng)目組在2015年研究了頂張緊立管的設(shè)計(jì)方法，主要闡述了立管設(shè)計(jì)考慮的因素[1]；周燦豐等[2]于2014年進(jìn)行了頂張緊立管動力響應(yīng)數(shù)值仿真研究；康莊等[3]在2015年開展了頂張緊立管強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析。這些研究成果都是建立在正確選擇立管壁厚的基礎(chǔ)上。因此，研究如何合理準(zhǔn)確地選擇深水立管壁厚是非常重要的。

TTR立管頂端張緊裝置可用液壓張緊器和浮筒兩種形式，液壓張緊器需要消耗平臺的有效載荷來提供拉力，浮筒張緊需要有較大的月池來布置立管，且立管的運(yùn)動受平臺運(yùn)動影響較小。

本文就深水TTR立管，基于應(yīng)力準(zhǔn)則，介紹了TTR壁厚選型的計(jì)算方法，并結(jié)合具體的工程實(shí)例，進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則

立管的壁厚計(jì)算參照美國石油學(xué)會(API)和挪威船級社(DNV)的規(guī)范進(jìn)行。TTR壁厚的計(jì)算基于環(huán)向應(yīng)力、壓潰及爆破的要求，是滿足3個條件的迭代過程。首先考慮環(huán)向應(yīng)力的要求，確定初步壁厚，參照API Spec 5L[4]、 5CT[5]或依據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)選定標(biāo)準(zhǔn)壁厚。然后檢驗(yàn)該壁厚是否滿足外壓壓潰及內(nèi)壓爆破的要求。如果不滿足條件，則進(jìn)一步調(diào)整壁厚，重新開始一個新的計(jì)算過程，直至選定的壁厚滿足所有的技術(shù)要求。

圖1 立管壁厚計(jì)算流程Fig.1 Wall thickness calculation process of TTR

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 初步壁厚計(jì)算方法

立管初步壁厚的計(jì)算基于周向應(yīng)力小于容許應(yīng)力的要求，考慮制造誤差和磨損或腐蝕誤差。

根據(jù)許用應(yīng)力，立管初始壁厚由下面的環(huán)向應(yīng)力公式確定：

(1)

式中：P為凈內(nèi)壓；Di為管子內(nèi)徑；t為管子名義壁厚；etol為壁厚的制造誤差；tw為磨損或腐蝕誤差。

初始壁厚的大小參照規(guī)范API Spec 5L[4]，實(shí)際選取時，其值應(yīng)不小于標(biāo)準(zhǔn)管材的最小壁厚(即管子的名義壁厚)。

2.2 校核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范API RP 2RD[6]、 API RP 1111[7]和DNV OS F201[8]分別進(jìn)行如下校核。

2.2.1外壓壓潰校核

按照API RP 2RD[6]的要求，立管凈外部水壓力需小于壓潰壓力乘以一安全系數(shù)：

Pa≤DfPc，

(2)

式中：Pa為凈外部水壓力；Df為設(shè)計(jì)因子；Pc為壓潰壓力，計(jì)算公式為

S為管子的最低屈服強(qiáng)度；E為彈性模量。

具體信息可以參考API RP 2RD[6]，6.6.2章節(jié)。外壓壓潰校核考慮立管沒有缺陷和有缺陷的情況，缺陷計(jì)及管子截面的橢圓度的影響。

2.2.2API內(nèi)壓爆破校核

API RP 1111[7]的4.3.1章節(jié)列出了壓力試驗(yàn)、設(shè)計(jì)壓力和極端情況下的內(nèi)壓爆破要求：

Pt≤fdfeftPb，

(3)

Pd≤0.80Pt，

(4)

Pa≤0.90Pt，

(5)

式中：fd=0.75,fe=1.0,ft=1.0；特定的最小爆破壓力Pb計(jì)算公式為

(6)

或

(7)

式中：U為管子的最低極限強(qiáng)度。

如果外徑與壁厚的比D/t>15，以上兩個公式相當(dāng)。若D/t<15，則用式(6)計(jì)算最小爆破壓力Pb。

2.2.3DNV內(nèi)壓爆破校核

DNV OS F201[8]的5D章節(jié)列出了極端情況下的內(nèi)壓爆破要求：

(8)

式中：Pli為局部極端內(nèi)壓；Pe為外部壓力；γm為材料抵抗因子(取值1.15)；γSC為安全類別抵抗因子(取值1.26)；Pb(t1)為爆破抵抗因子，計(jì)算公式為

(9)

式中：t是個啞變量，可以是t1或t2，t1是管的壁厚，考慮制造及腐蝕誤差，t2是僅考慮腐蝕誤差的壁厚；fy是屈服強(qiáng)度；fu是抗拉強(qiáng)度。

3 案例分析

3.1 油田信息

目標(biāo)油田水深為2000m，采用SPAR作為主平臺。本項(xiàng)目主要考慮TTR作為生產(chǎn)立管，根據(jù)井口槽數(shù)布置形式，相鄰兩根TTR之間間距為5.0m。

3.2 立管尺寸

TTR結(jié)構(gòu)型式為“雙重套管”，由芯管(生產(chǎn)輸送管)、內(nèi)套管和外套管構(gòu)成。

TTR的主要尺寸如表1所示。

表1 TTR主尺度

注： 1英寸≈2.54cm。

3.3 立管材質(zhì)

對于TTR立管，芯管和內(nèi)套管材料參數(shù)滿足API Spec 5CT要求，外套管材料參數(shù)滿足API Spec 5L要求，具體每層管的材料參數(shù)如表2所示。

表2 TTR材料參數(shù)

3.4 壁厚計(jì)算和校核

對于立管壁厚的計(jì)算，首先考慮環(huán)向應(yīng)力的要求，確定初步壁厚，參照API Spec 5L、 5CT，或依據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，選定標(biāo)準(zhǔn)壁厚。然后檢驗(yàn)該壁厚是否滿足外壓壓潰及內(nèi)壓爆破的要求。如果不滿足條件，則進(jìn)一步調(diào)整壁厚，重新開始一個新的計(jì)算過程，直至選定的壁厚滿足所有的技術(shù)要求。

3.4.1環(huán)向應(yīng)力

根據(jù)式(1)計(jì)算環(huán)向應(yīng)力。表3給出了11英寸外套管、8英寸內(nèi)套管及5英寸芯管的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算校核結(jié)果和應(yīng)力使用因子(UC值)。UC值是環(huán)向應(yīng)力與容許應(yīng)力之比，必須小于等于1.0。

表3 立管的環(huán)向應(yīng)力及使用因子

注： 1ksi≈6.895MPa； 1psi≈6.895kPa。

3.4.2外壓壓潰

外壓壓潰檢驗(yàn)依據(jù)API 2RD[6],考慮沒有缺陷和有缺陷兩種情況。計(jì)算使用0.75的安全因子。為保守估計(jì)，假定外套管平均軸向應(yīng)力為30ksi。最大外壓出現(xiàn)在海底。

表4列出了11英寸外套管、8英寸內(nèi)套管及5英寸芯管在無缺陷情況下的壓潰檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，套管和芯管的最大凈外壓力都小于容許的壓潰壓力。

表4 立管在無缺陷情況下的壓潰檢驗(yàn)

套管和芯管截面的橢圓度假定為0.01。表5列出了11英寸外套管、8英寸內(nèi)套管及5英寸芯管在有缺陷情況下的壓潰檢驗(yàn)結(jié)果。同樣地，結(jié)果表明，各層立管的最大凈外壓力都小于允許的壓潰壓力，許用值比在無缺陷情況下的要小。

表5 立管在有缺陷情況下的壓潰檢驗(yàn)

3.4.3內(nèi)壓爆破

內(nèi)壓爆破的檢驗(yàn)依據(jù)API RP 1111[7]和DNV OS F201[8]。最大凈內(nèi)壓出現(xiàn)在水表面。根據(jù)式(3)和式(6)分別校核爆破內(nèi)壓。

表6列出了各個立管的API爆破檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明立管的試驗(yàn)壓力、設(shè)計(jì)壓力和最大的爆破壓力均小于許用值。

表6 API爆破檢驗(yàn)結(jié)果

表7列出了各個立管的DNV爆破檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明立管最大的爆破壓力均小于許用值。

表7 DNV爆破檢驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)本文提出的設(shè)計(jì)方法，最終獲得上述設(shè)計(jì)結(jié)果，同時對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行規(guī)范校核，校核顯示設(shè)計(jì)參數(shù)滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)結(jié)果可以使用。該案例結(jié)果，可以作為相似設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和油井條件的設(shè)計(jì)參考，為張緊式立管工程設(shè)計(jì)提供可靠的參考。

4 結(jié) 語

深水立管最小壁厚的確定是海洋立管強(qiáng)度設(shè)計(jì)和疲勞分析的基礎(chǔ)。合理適度地選擇鋼管壁厚，是確保海洋工程開發(fā)建設(shè)中生命線安全運(yùn)行的保障，也是降低海洋工程開發(fā)建設(shè)投資的最有效手段。

本文根據(jù)API和DNV的規(guī)范要求，總結(jié)了張緊式立管的壁厚計(jì)算方法和計(jì)算流程，結(jié)合具體的工程案例，進(jìn)一步驗(yàn)證了TTR立管的壁厚計(jì)算方法，并給出了校核結(jié)果，可為深水TTR立管工程設(shè)計(jì)提供重要的參考。

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Zhou Can-feng, Shuai Xiao, Jiao Xiang-dong, et al. Research of dynamic responses of deepwater top tensioned risers [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2014,27(3)： 87.

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Kang Zhuang, Zhang Li, Liu Yu-wei, et al. Strength analysis of top tensioned riser design [J]. Ship Engineering, 2015(3)： 74.

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[8] Det Norske Veritas. DNV OS F201. Dynamic risers [S]. 2010.

WallThicknessCalculationMethodforTopTensionedRiser

WANG Yu-han1, XU Ai-jin2, CHENG Yong-ming2, SHENG Xing1

(1.ShanghaiWaigaoqiaoShipbuildingCo.,Ltd.,Shanghai200137,China;2.ShanghaiRichtechEngineering,Inc.,Shanghai200233,China)

Based on the code requirement and stress criterion, the wall thickness selection method of top tensioned riser (TTR) is introduced, including analysis procedure, analysis method and checking standard. Then wall thickness calculation method is further verified through an actual engineering example. This research can provide an important reference for the deepwater TTR riser design.

top tensioned riser (TTR); hoop stress; collapse; burst

TE973.1

A

2095-7297(2017)04-0236-04

2017-03-14

王鈺涵(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方面的研究。