孙国民，赵 党，杨 琥，李 旭，胡春红

(海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300451)

0 引 言

跨接管是深水油气田开发的重要组成部分，随着我国南海开发战略的深入开展，我国将逐渐发展类似巴西或者西非海域的开发模式——水下设施+跨接管+海底管线+浮式结构物+外输管线+陆地终端，跨接管因自身结构的柔性特性，成为深水开发的必然选择。根据油田开发模式、水下连接方式的不同，分为刚性跨接管和柔性跨接管。本文论述刚性跨接管设计相关内容。深水作业成本及油气田运营成本均非常高，跨接管的安装、维修和更换都需要动用搭载水下机器人的具有定位功能的船舶，因此识别跨接管设计的潜在风险点和关键点，降低海上安装作业成本和工程运营成本是非常必要的。本文就深水刚性跨接管设计需要重点关注的输入参数、强度分析、疲劳分析等进行阐述，并结合典型工程实例，最终提出对跨接管设计的合理化建议。

1 相关基础参数

刚性跨接管多用于连接水下管线终端(PLET)、管汇(manifold)和采油树(well tree)等结构物。主要涉及如下参数：

(1) 环境基础参数： 主要包括海水密度、海水温度、波流参数、土壤参数、地震参数等。

(2) 工艺参数： 输送介质的密度、温度、压力、介质特点(存在形式、是否存在段塞流等)、每年的关停次数等。

(3) 管线热膨胀位移参数。

(4) 端部结构物的安装误差、沉降。

(5) 井口作业的钻屑排放情况、钻完井设备空间要求。

(6) 连接器机械能力： 受力包络线、安装精度要求。

(7) 误差： 跨接管制造误差、测量误差、安装误差。

井口钻屑排放分为两种处理方式： 一种是通过导向装置，将井口钻屑疏导至结构物影响区域外；另外一种是不做处理，在此情况下，设计需要考虑钻屑堆叠影响。

跨接管中部水平段与海床距离最小为1 m，避免跨接管生命周期内海床碰撞。

由井口输出的油气混合物质在经过M型跨接管过程后，由于自身气、液成分不同，及M型跨接管高差的变化，考虑流速、压强等的变化，极易发生段塞现象，对跨接管结构强度和疲劳造成不利影响。

水下结构物安装需要满足一定误差限制，一般深水结构物安装误差限制值如表1所示。

表1 水下结构物安装误差

2 计算分析

跨接管设计参考的规范分为两大类： 一类是DNVGL规范，主要基于载荷和抗力系数设计方法(load and resistance factor design, LRFD)，通过有限元建立模型，提取结构力和弯矩，依据DNVGL规范推荐的系数及公式，进行校核；另一类是ASME/API规范，主要基于工作应力方法(working stress design，WSD)，通过有限元建立模型提取结构轴向应力和组合应力，对照规范推荐的应力允许系数进行校核。跨接管主要计算分析包括如下内容。

2.1 壁厚选择

壁厚选择最早的管线设计标准起源于1926年的ASA B31，即20世纪50年代快速发展的ASME B31.8，主要用于输气管线，ASME B31.4用于输油液管线，这两个标准起始是针对压力容器的标准，随着科技的发展和工业的进步，经多次修改，目前最新版本为2018版的ASME B31.8[1]和2019版的ASME B31.4[2]。

DNV最早期的海管设计标准为1976版，是以ASME标准为基础编制的。在1981版本中引入了载荷和抗力系数设计方法，以至后来增加了基于概率计算的1996版本。现在最新为2017.12版本DNVGL-ST-F101[3]，涉及内容的深度和广度都更加广泛。

管线壁厚校核的环向应力(hoop stress)、纵向应力(longitudinal stress)等公式和壁厚的关系也随着规范版本的不同有稍许变化。在本文中，壁厚计算依据ASME规范进行。

2.1.1 DNVGL-ST-F101

管道承压(破裂)应满足下面的准则：

(1)

(2)

引入γinc系数比表述偶然压强和设计压强间关系，上述公式可以表示为

(3)

式中：pd为设计压强；pli为局部偶然压强；pe为外部压强；D为公称外径；t1为管道壁厚，管道运行前取t1-tfab，管道运行期间取t1-tfab-tcorr，tfab为管道制造误差，tcorr为腐蚀裕量；αU为材料强度因子；γm为材料抗力因子；γSC为安全等级抗力因子；SMYS为规定的最小屈服强度；fy，temp为用于设计的屈服应力降低数值。

沿管道方向上任意一点的外压应满足以下准则(压溃校核)：

(4)

对外压的特征抗力(pc)(压溃)应按下式计算：

(5)

(6)

(7)

根据上面3个公式，求解得到

(8)

其中，

b=-pel(t)

(9)

(10)

d=pel(t)·pp(t)2

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：pe为外部压强；pmin为最小内部压强；pc为特征压溃；αU为材料强度因子；γm为材料抗力因子；pel为弹性压溃压强；pp为塑性压溃压强；O0为管道加载之前的椭圆度；D为公称外径；t为管子公称壁厚；E为杨氏模量；ν为泊松比；fy为设计屈服强度；αfab为制造因子。

2.1.2 API1111[4]，ASME B31.8/B31.4

对应破裂工况，计算需要满足：

Pt≤fdfeftPb

(16)

Pd≤0.80Pt

(17)

Pa≤0.90Pt

(18)

式中：fd为内压破裂设计因子；fe为焊接因子；ft为温度折减因子；Pa为压强差(内压减去外压)；Pb为管体最小破裂压强；Pd为设计压强；Pt为静水测试压强。

最小设计承压(破裂)压强Pb可以表示为

(19)

式中：D为管道外径；Di为管道内径；S为规定的最小屈服强度；t为管道壁厚；U为管道最小界限拉伸强度。

静水压溃计算时，压溃时屈服压强：

(20)

弹性压溃压强：

(21)

管体压溃压强：

(22)

外压压强：

Po=ρwghdmax

(23)

需满足如下公式：

(Po-Pi)≤foPc

(24)

式中：fo为压溃因子；Pi为管道内压；D为管道外压；ν为泊松比；hdmax为最大水深；E为杨氏模量；g为重力加速度；ρw为海水密度；t为壁厚；S为最小屈服强度。

2.2 强度及敏感性校核

M型刚性跨接管强度及敏感性分析主要考虑功能载荷和环境载荷。

连接海管终端(PLET)的跨接管，还需要考虑海管运行期内管线因为压力、温度等改变导致的管线端部位移。

跨接管敏感性分析考虑由于跨接管端部相互连接的水下结构物，在其安装误差范围内变动，导致的跨接管长度、相对角度等的改变。跨接管端部结构物安装误差如图1所示。

图1 跨接管端部结构物安装误差示意图

算例借助ANSYS[5]软件，采用PIPE16单元和PIPE18单元，模拟跨接管结构及端部约束、加载分析等。深水跨接管典型布置如图2所示。

图2 深水跨接管典型布置图

主要参数如图3和表2、表3所示。

图3 M型跨接管结构示意图

表2 跨接管尺寸 (单位： m)

表3 跨接管参数

分析工况： ①陆地建造静水压试验工况；②水下测漏工况(端部密闭性测试)；③运行工况。典型工况分析结果如图4和图5所示。

2.3 结构疲劳分析

跨接管疲劳分析主要考虑如下3个方面。

2.3.1 热循环疲劳

在跨接管服务期内，根据关停、启动等工况，伴随温度的降低、升高，及压强的减少和增加；和海管终端(PLET)相连接跨接管，亦导致端部膨胀位移的改变等，这些都导致跨接管对应同一位置受力的改变，考虑到生命周期内发生改变的频次，依据S-NF3[6]曲线，获得对应的损伤。

图4 8 in跨接管陆地静水压试验工况结构受力结果

图5 10 in跨接管运行工况结构受力结果

2.3.2 VIV疲劳

涡激振动诱导疲劳现在有两种通用分析方法： 一种是参考DNVGL-RP-F105[7]规范，求解衰减速度和相应模态、频率；另一种是以Shear7[8]软件及相关理论为基础，展开求解。

2.3.3 段塞流疲劳。

段塞流(见图6)是由于介质在输送过程中，间歇的介质密度、流速或者高程等的变化，导致局部介质密度异常于平均正常输送介质密度，形成局部段塞。结合M型跨接管结构特点及介质特点，段塞形成易导致跨接管振动及内部输送介质压力剧烈变化，危险段塞是油气资源输送过程中极力避免的一种情况。

图6 段塞流示意图[9]

段塞流增强了M型跨接管的振动，加剧了M型跨接管疲劳损伤。段塞流诱导M型跨接管端部结构强度随时间改变。段塞流情况下跨接管端部结构应力变化如图7所示。

图7 段塞流情况下跨接管端部结构应力变化示意图[10]

基于段塞流特点，用于跨接管疲劳分析需要的段塞参数包括段塞流频率、段塞流长度、段塞流速度、段塞流密度、段塞流气泡段密度、段塞流液体段密度等。上述基础参数，目前有三种获取方法： 实验数据，基于实验数据及实际情况的经验公式和FEA模拟等。实验数据的获取受限于模拟设备、油气资源自身复杂多变等限制，经济性较差。经常使用的经验公式为[11]： Hill和Wood于1994年提出的计算段塞频率的段塞模型；McQuillan和Whalley于1985年提出的计算气泡平均速率和持液率的段塞模型；BendiKsen于1984年提出的计算段塞中泰勒气泡和分散气泡的速度的段塞模型等。FEA模拟有两种主流方法： 一是利用OLGA模拟提出相应参数；二是利用CFD进行模拟，提出相应参数。8 in跨接管疲劳分析结果如表4所示。

表4 8 in跨接管疲劳分析结果

3 结 语

通过上面对刚性跨接管设计输入、强度计算、疲劳计算等的分析，可得出：

(1) 刚性跨接管设计涉及多个专业、多个输入参数，很多参数都是随着项目的进展，甚至到项目中后期才能确定，初期设计需要对未来的变数加以考虑，强度计算和疲劳计算要为未来的变化留出调整空间。

(2) 壁厚选择计算依据不同主规范，计算结果有所差异，设计要相互验证，明确不同差异的原因，为后续分析做储备。

(3) 强度计算和疲劳计算均需要根据水下结构物的安装误差，考虑在跨接管投影极限工况下展开设计，建议用云图表示计算结果，为后续海上测量、陆地建造、海上安装提供支持。

我国南海深水油气介质多是在高温高压、保障安全的情况下，兼顾经济性和安装便捷性，多采用M型刚性跨接管。M型刚性跨接管设计是油气资源开发链条的一处关键节点，必须充分考虑各种可能工况，规避潜在风险，借助有限元技术，保障跨接管设计安全。