水下海洋工程管汇管道应力分析研究

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水下海洋工程管汇管道应力分析研究

赵晨，刘维维

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

[摘 要] 随着全球经济的快速发展，各项能源的需求量剧增。目前全球范围内运用最广泛的能源是化石能源，包括石油和天然气。随着石油化工技术的发展，各国家各大石油公司都将目光投向了海洋。海底蕴含着丰富的石油、天然气资源。我国近年来海洋石油开采技术不断发展完善，但与国外先进技术相比还存在较大差距，特别是在水下控制系统和生产系统设计、管道设施的安装等方面，都还存在不少问题。水下设备大多数都要用到水下管道。水下管道承担着水下连通、油气输送等任务。针对水下管道的应力研究分析，可以有效地提升水下设备的研发工作，保证海洋工程水下控制系统和生产系统的正常运转。

[关键词] 海洋工程；水下管汇；管道；应力分析

1 压力管道应力分析

压力管道应力分析是在特定要求下，对压力管道进行应力计算和其它的力学分析。这样才能确保管道本身以及与其有连通关系的各类设施、机械的安全稳定性。通常对承压管道进行的应力分析有静力分析和动力分析两种。前者是在压力管道仅受静力荷载时进行的应力分析，主要有重力、压力、环境荷载等；后者是在压力管道在经受外界冲击荷载或地震等情况下进行的动力分析。

2 压力管道应力分析计算

对压力管段进行分析的主要目的是确保在有附加载荷作用的条件下，管道还能正常工作而不会出现问题。因为所承受的荷载的特性各不相同，因此管道存在的应力也不相同，特点也是多样的。压力管道承受的应力类型不同，对于管道产生损坏的情况和程度也不尽相同。管道应力产生的主要原因是荷载，因为荷载会让管道产生力学变形，从而导致应力产生。根据材料力学基础理论可了解到，管道应力主要有四类，包括径向应力、环向应力、轴向应力以及剪切应力。图1表示管道的应力情况。

各个应力的计算公式如下：

轴向应力：σL＝FAX/Am，σL＝PD/（4T），σL＝MbR/I；

环向应力：σH＝PD/（2T）；

径向应力：0（管道外表面上没有即为0）；

剪切应力：τ＝MnR/Wn。

式中：P为管道设计压力；D为管道外径；T为管道壁厚；Mb为作用在管道截面上的弯矩；I为承压管道横截面上的惯性矩；FAX为承压管道横截面积；Mn为附加扭矩；Wn为抗扭截面模量。3 水下管道应力分析与计算3.1 承压管道应力分析校核准则

承压管道应力分析校核通常采用ASME B31.3规范标准。水下管道的应力有两类：一类为一次应力，主要来源是压力和重力造成的。第二类为二次应力，这是由于管道本身热膨胀作用或是端点出现局部屈服或小量变形等荷载造成的。不同类型的应力，其荷载的类型也不相同，采取的校

作者简介：赵 晨 （1986—），男，满族，天津人，大学本科，

学士学位，工程师。主要从事海洋石油工程加工设计工作。

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核准则也不相同。

ASME B31.3规范非常适合用于深海工艺管道校核。因为在深海中通常会遭受海洋生物、海洋风浪、洋流等各种因素影响，外部环境非常恶劣复杂，所以对于水下承压管道的安全性要求更高。目前一般情况下采取ASME B31.4和ASME B31.8对水下管道进行应力校核。水下承压管道压力校验内容包括轴向应力、环向应力和组合应力。其中，组合应力是根据相关理论知识将管道的基础应力合成而来。对深水中的PLEM管道进行应用校核时，还要考虑管内的破裂、扩张、屈曲等情况，对这些也都

要进行校验核算。不过ASME B31.4和ASME B31.8都没有与此相关的标准，在进行校验时候就要选择APIRP1111。

3.2 水下PLEM管道应力分析使用的方法

水下PLEM管道的作用非常重要，主要起到连通作用。海底各个管路都需要连接在一起，石油才能正常的流动，就需要有管道进行很好的连通，水下PLEM管道就起这个作用，另外还有很多设备，在海底都是用水下PLEM管道来连接。PLEM主管道一般是连通海底管道终端设施和清管球发射器，支管是连接的各种采油树。当管内的传送介质是气体时，就用ASEM B31.8第八卷为校核规范，此时要将管道的轴向应力和环向应力都纳入校验核算工作中来。

(1)环向应力校核准则：σH≤F1ST；

式中：F1为设计系数，取0.72；S为最小屈服强度，材料不同数值不同；T为温度折减系数。

(2)轴向应力校核：σL≤F2S；式中：F2为设计系数，一般取0.8。3.3 工程示例

现将南海某气田的PLEM为例进行分析。当PLEM在水下500m深处时，此气田PLEM管道设计压力为24.6MPa，稳定在-29℃至92℃之间，气田的环境稳定是2.9度。PLEM管道的主管道为0.3m，支管道为0.15m。使用的材料为API X65。用AUTO PIPE软件进行模型构建和分析工作，具体如图4。

PLEM边界约束条件并非特定的，根据不同PLEM管道所选取的阀门底座不同，管道接口不

图4 PLEM应力分析模型

同，管道接口方式不同等多种因素选定的，也根据管道安装精度确定，具体如下：

(1)连接清管球发射器的HUB，约束条件选Anchor。

(2)连接跨接管的HUB，约束条件选Linestop。(3)阀门支撑，约束形式选择v-stop。(4)支管约束，约束形式选择Guide。

PLEM不同工作情况中，要将这些可能会对PLEM造成影响的情况都考虑周全，包括管道的设计既定压力大小、进行水压试验的压力大小、介质流体的质量等，还有外部环境因素，如地震烈度、洋流等。4 结论

在今后开展的水下海洋工程管汇管道生产设计工作中，应首先利用相关计算软件构建相应的有限元模型，利用有限元法对水下承压管道的压载和满载状态下的总振动进行计算。其次研究管道应力的类型及校核，并结合各类工况（静压、操作、运输、安装）对管汇管道进行分析计算。最后建立管汇管道的简易模型，以便直观的确定管道规格尺寸、连接型式以及安装精度，方便后续的相关工作展开及跟进。

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由图15至图18可以看出，压焊冷却阶段内外表面轴向及环向应力分布规律与加热阶段是一致的。左侧加热端仍然具有热膨胀趋势，加热端整体受压应力，达到压应力峰值后压应力减小。内表面环向应力和轴向应力在焊件中段呈现为拉应力，外表面受到的拉应力较小。由于材料的粘弹性，冷却过程中焊件上的温度仍然较高，应力进一步松弛，冷却阶段应力峰值和焊件整体受到的应力相比加热阶段较小。直至冷却1108s时刻，轴向应力与环向应力都趋于平缓，可以推断随着时间的推移应力值会进一步减小直至消失。3 结论

HDPE管材在热熔焊接加热过程中，由于高温下发生应力松弛，焊接端面均匀加热过程中，不易产生较大的应力值。熔融层厚度随着加热板温度和加热时间的增加而增加，管材近热端整体表现为压应力，离近热端未受热影响的区域受到近热端的反作用，表现为拉应力。加热板温度越高，熔融层厚度越大，相应的冷却时间越长。加热阶段应力峰值出现距焊接端面5-10mm范围内，接头质量检查时应重点针对内表面的位置进行检定。

收稿日期：2019-05-08；修回日期：2019-06-17

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