自升式钻井平台中高压管道应力分析

徐红梅，韩华伟，杜之富

(烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264000)

自升式钻井平台海上油气钻探的主要装备约占全部移动式平台的45%。它具有可移动性好、用钢量少、造价相对低等特点，在各种海况下几乎都能维持工作。工作水深约为100 m，钻井深度可达9 000 m［1］。自升式钻井平台上除了有与常规船舶相似的管路系统，还有一些为钻井生产服务或者与平台特殊构造相关的特殊系统，如高压泥浆系统。该系统的主要作用有:携带钻屑出井、冷却和润滑钻头、平衡井下压力。这是钻井平台上的重要系统，对维持生产作业、保证平台的安全具有极为重要的意义。因此，对高压泥浆系统的管线系统进行应力分析，以便对管线系统布置、支吊架位置和结构进行评估是很有必要的。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

高压泥浆泵是高压泥浆系统的心脏，它是泥浆设备中最为关键的设备。高压泥浆泵的出口压力很高，一般可达到7 500 PSI(约等于51.7 MPa)，其目的是为了克服阻力到达井下并平衡压力。如此高的管路设计压力，管系和阀门附件的材料选择显得尤为重要。随着钻井深度的不断加深和高压喷射技术的不断推广，高压泥浆系统越发成为一个高性能、高应力系统，因此对其进行详细的管道应力分析以便得到合理的管道布置和优化的支吊架结构很有必要。以烟台中集来福士建造的某型300英尺水深作业的自升式钻井平台中的高压泥浆系统为例，介绍该系统管道应力的分析方法。

1.2 管道应力分析的方法

在实际工程项目设计中，并非所有的管道都需要进行应力计算，也并非所有计算都必须通过计算软件进行。一般管道应力分析有以下三种:目测法、简单计算法和软件分析法。

目测法要求分析人员有一定的相关经验，并且这种方法只适用于与运行良好的管道柔性相同或基本相同的管道，或是和已经分析的管道比较，确认有足够柔性的管道，这种方法在实际中应用时有一定的局限性。

简单计算法是适用于具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束的非剧毒介质管道，用以下公式进行判断:

式中:D0为管道外径(mm)，Y为管道吸收总位移(mm)，L为管段两固定点之间的展开长度(m)，U为两端(固定)定点之间的直线距离(m)。

鉴于上述简化计算公式存在局限性，因此它不适用于下列管道:1)在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道;2)大直径薄壁管道(管件应力增强系数j≥5);3)与端点连线不在同一方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道;4)L/u＞2.5的不等腿U型弯管道，或近似直线的锯齿管道。

当目测法和简便计算法都无法判断管道柔性，或规范要求必须进行详细应力分析时，可采用分析软件来进行详细应力分析。目前使用较多的管道应力分析软件有:CAESARII、ADLpipe和Autoflex。其中CAESARII软件使用较为普遍。

对于简单的管道系统按管道布置规则和工艺设计即可满足设计要求，但对于高压泥浆系统中的管线之类的复杂管道系统则需要借助于有限元法进行管道系统的应力分析，根据计算结果调整才能达到设计要求。

采用美国COADE公司研发的管道应力分析软件CAESARII［2］为分析工具，该软件是以材料力学、结构力学、弹塑性力学、有限元、管道应力分析与计算为基础，进行管道系统的设计和分析。该管路系统的计算采用 ASME B31.3［3］标准，安装温度取 4℃。

2 管道应力分析理论

管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部分。静力分析是指在静力载荷作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、地震分析、水锤和冲击载荷作用下管道的振动分析，其目的是使地震和振动的影响得到有效控制。管道应力根据性质可以分为一次应力和二次应力［4］。

图1 高压泥浆管路系统示意Fig.1 High Pressure Mud(HP-Mud)piping system

2.1 一次应力

一次应力是由于压力、重力和外部载荷的作用所产生的应力。它是平衡外部载荷所需要的应力，随外部载荷的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即当管道内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，即使外部载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。

ASME B31.3并没有提供一个明确的等式来对一次应力作出定义，但是它要求计算由于重力和压力引起的轴向应力，并且要求它不超过Sh，它通常表达为［4-5］:

式中:SL为一次应力;F为持续载荷产生的轴向力;A为管道横截面积;P为设计压力;do为平均直径;t为壁厚;ii、io为平面内、外应力增强系数;Mi、Mo为持续载荷产生的平面内、外的弯矩;Z为抗弯截面模量。

2.2 二次应力

二次应力是由于热涨、冷缩、端点附加位移等位移载荷的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般来讲，只要不反复加载，二次应力不会导致管道破坏，也就是说二次应力引起的主要是疲劳破坏。

ASME B31.3中规定的位移应力即二次应力为［3］:

式中:SE为二次应力;Mi、Mo为热涨载荷产生的平面内、外的弯矩;MT为热涨载荷引起的扭矩;Z为抗弯截面模量;f为管道位移应力范围减小系数，该平台的设计寿命为20年，其循环次数最多为7 000，根据ASME B31.3的规定，本算例取1.0。

3 计算载荷

高压管路系统管道应力分析中应该考虑的载荷包括操作载荷、瞬时载荷和环境载荷［3］。

1)操作载荷包括重力、压力和位移载荷等。其中重力包括管道及其附件、流体介质和保温材料等自重;压力载荷取设计压力或根据工艺有特殊要求的工况确定;位移载荷是管道及其设备热涨冷缩造成的位移(端点附加位移);计算温度取设计最高/最低温度，有的工况需要计算操作温度下的受力情况。

2)瞬时载荷包括气体或蒸汽管道的柱塞流作用、气体管道中安全阀排放产生的反作用力、管道的蒸汽吹扫和水锤力。其中水锤力是由阀门开闭、泵的起停等引起的。

3)环境载荷包括地震、波浪、风、雪和冰等，环境载荷在处理的时候可以作为冷态(Sustained)或偶然(Occasional)载荷，但是必须满足冷态或偶然载荷的应力限制要求。

4 管道应力分析实例

高压泥浆管路系统设计数据如下:设计压力10 000 PSI，管道外径为141.3 mm，壁厚19.05 mm，操作温度21.6℃，设计温度范围-10℃ ～60℃，介质密度为2.2 kg/dm3，管子材质为A519 AISI 4130的合金结构钢。管道应力计算时需要考虑波浪诱导加速度偶然荷载的影响，为保守起见，三个方向波浪诱导加速度全部取为0.5倍重力加速度。因为该系统基本在室内，故没有考虑风载荷的影响。

4.1 分析模型

该高压泥浆系统的应力分析模型参见图2，在模拟分析过程中，要注意:

静态分析中支撑认为是完全刚性的，软件默认刚度为1.75×1012N/cm。为了避免噪音和管路的振动，支撑的间隙为0 mm;如果不考虑端点附加位移时，管路与机器设备连接处可以作为一个固定边界，即X、Y、Z、RX、RY、RZ(三个线位移和三个角位移)都进行约束;刚性元件如法兰、阀门、小型的管道设备在建模时可以定义为rigid，给定重量即可。

4.2 工况定义

在管道应力分析过程中，确定载荷工况组合是至关重要的。以ASME B31.3设计规范为依据，确定了计算载荷及工况组合。表1为校核工况组合的情况。其中，W为管子自重(包括介质和保温层的重量);P1为设计压力;T1为设计最高温度;T2为设计最低温度;T3为操作最高温度;U1为波浪诱导加速度(纵摇);U2为波浪诱导加速度(垂荡);U3为波浪诱导加速度(横摇)。波浪加速度以均布载荷的形式输入。

图2 高压泥浆管路系统分析模型Fig.2 HP-Mud piping system analysis model

表1 校核工况组合Tab.1 Load Case Combinations

5 分析结果

图3和图4分别是高压泥浆管路系统一次应力和二次应力的分析结果，表2是冷态(SUS)、热态(EXP)和偶然工况下(OCC)的应力输出结果。其中SC=390 000 kPa、SL=58 741.2 kPa、Sh=390 000 kPa。

图3 高压泥浆管路系统一次应力分析结果Fig.3 Primary stress analysis results of HP-Mud system

图4 高压泥浆管路系统二次应力分析结果Fig.4 Secondary stress analysis results of HP-Mud system

表2 详细应力分析结果Tab.2 Detailed stress analysis results

从以上应力分析结果可以看出:该高压泥浆管路系统的一次应力和二次应力均在ASME B31.3规范要求的范围内。

为保证法兰安全，根据Design of Piping System中 Pressure Equivalent Method［6］对法兰的强度进行校核，发现法兰强度满足要求，不会发生泄漏。

另外计算该高压泥浆管路系统的模态分析，得到前三阶固有频率分别是7.51，7.98及9.89 Hz，对比Mud Pump Motors固有频率，发现该系统的布置避免了共振区，不会产生共振，说明该管道系统支撑布置合理［7-8］。同时可以提取最大设计工况的支反力作为管道系统支吊架的设计载荷，对管道系统的支吊架进行优化设计。

6 结语

以烟台中集来福士建造的某型300英尺水深作业的自升式钻井平台中的高压泥浆系统为例，从管路系统特点、分析理论、参考标准、分析工具和校核工况组合等多个方面进行探讨，经过模拟分析计算该高压泥浆管道系统的一次应力和二次应力均满足标准要求;并且对法兰的强度进行分析，避免泄漏;同时为管道支吊架的设计提供载荷。由此可以看出本分析方法和思路是可行的，对今后该类型海洋钻井平台中的高压管路系统的应力分析具有一定的借鉴和参考价值。

［1］ 孙东昌，潘 斌.海洋自升式移动平台设计与研究［M］.上海:上海交通大学出版社，2007.

［2］ COADE Inc.CAESAR II中文用户手册［M］.北京:中国技术服务培训中心，2003.

［3］ ASME B31.3，Process Piping，ASME Code for Pressure Piping［S］.2008.

［4］ COADE Engineering Software Inc.Piping Stress Analysis Seminar Notes［Z］.1998.

［5］ 唐永进.压力管道应力分析［M］.北京:中国石化出版社，2003.

［6］ The M.W.Kellogg Company.Design of Piping System［M］.

［7］ NORSOK L-002，Piping Design，Layout and Stress Analysis［S］.2008.

［8］ DNV-RP-D101，Structural Analysis of Piping Systems［S］.2008.