模块钻机管线的材料及壁厚选用

陈明庆

(天津中海油工程设计有限公司 天津300452)

模块钻机管线的材料及壁厚选用

陈明庆

(天津中海油工程设计有限公司 天津300452)

模块钻机管道材料及管道壁厚的选用对管道的制造、使用安全及管道投资有着举足轻重的作用。合理选用管道材料及壁厚，一方面能很好地保证管道系统使用的安全性，也能在一定程度上降低工程的一次投资及后续维保费用。根据相关的设计规范、标准的要求，结合以往项目的工程经验，从系统压力、管道介质、材料选用及腐蚀余量等方面，系统论述了不同流体工况对管道材料及壁厚的不同要求，给出了模块钻机上管道材料及壁厚的一般选用原则。

模块钻机 流体工况 管道材料 壁厚计算

0 引 言

模块钻机由钻井设备模块(DES)和钻井支持模块(DSM)组成。作为海上生产设施的重要组成之一，模块钻机主要负责钻井、修井等重要生产作业。模块钻机管道系统由公用管道系统、泥浆管道系统、液压控制管道系统等组成。其中，管道系统材料及壁厚的选用是模块钻机管道设计的重要组成部分，对整个管道费用的控制、建造采办要求及后期维护都有很大的影响。有鉴于此，本文对模块钻机管道系统材料及壁厚的选用进行了较为全面的探讨，给出了模块钻机管道系统材料及壁厚选用的一些基本原则。

1 模块钻机管道系统流体工况分类

模块钻机管道系统依照ASME B31.3《工艺管道》进行分类，可分为D类流体工况、常规流体工况及高压流体工况3大类，具体分类见表1：

表1 模块钻机管道系统分类Tab.1Category of piping systems of modular drilling rig

2 模块钻机管线的材料选用

模块钻机各管道系统的材质主要包括碳钢、镀锌碳钢、合金钢及不锈钢。根据各个流体工况的压力、温度及腐蚀性等的差别，模块钻机管道系统材质的选取建议如下：

2.1 D类流体管道系统选材

D类流体属于低压(设计压力为1,MPa以下)、无毒介质，管线材质选用碳钢，管子材质标准为ASME A106,Gr.B或20# GB/T,8163，管径2"及以上管件材质标准为ASME A234,Gr．WPB或20# GB/T,8163，2"以下管件材质标准为ASME A105或16,Mn JB4726。由于D类流体腐蚀性较小，同时管道系统对清洁度的要求不是特别高，故管线一般不做内部防腐处理，只需适当选取腐蚀余量即可。

2.2 常规流体管道系统选材

对于常规流体管道，由于介质或者设备对管道系统的承压及清洁度不同，所以模块钻机中常规流体管道系统的材料选用可分为以下4部分：

①对于海水系统及消防水系统管线材质选用ASME A106,Gr.B或20# GB/T,8163，管径2"及以上管件材质标准为ASME A234,Gr．WPB或20# GB/T,8163，2"以下管件材质标准为ASME A105或16,Mn JB4726。考虑到介质对管线材料的腐蚀影响，模块钻机配管工程设计中建议对管线进行热浸锌处理，同时加大管线腐蚀余量，以延长管线寿命，减少项目投产后的维护、改造费用。

②对于公用气/仪表气系统、淡水系统管线材质选用ASME A106,Gr.B或20# GB/T,8163，管径3"及以上管件材质选用ASME A234,Gr.WPB或20# GB/T,8163，3"以下管件材质选用ASME A105或16,Mn JB4726。为保证现场使用过程中介质的清洁度，建议对管线进行热浸锌处理，避免由于管道内部锈蚀而影响设备或仪表的正常工作。

③对于FM200系统，考虑其属于中压系统，且介质泄放时管线震动较大，如果使用国内材料，应使用制造要求更为严格的钢管材料，以满足管道的使用要求。一般模块钻机上管线材质选用ASME A106,Gr.B或20# GB/T,6479，管径2"及以上管件材质选用ASME A234,Gr．WPB或20# GB/T,6479，2"以下管件材质选用ASME A105或16,Mn JB4726。同时，为保证管道内部的清洁度，建议对管线进行热浸锌处理，避免由于管道内部生锈堵塞喷嘴，影响喷淋效果。

④对于液压系统，液压设备对系统清洁度要求极高，且整个液压系统为内部循环流程，如果采用一般的碳钢材料进行内涂防腐处理，一旦涂层损坏，管线本体便会受到腐蚀，而如果锈屑进入到管道系统中，便会影响到设备的正常运行，甚至停机。为了避免上述情况的发生，液压系统材料选用不锈钢，模块钻机液体系统常用奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢具有良好的韧性、塑性、焊接性、耐腐蚀性及优异的低温和高温性能，因此比较适合应用于液压油系统。奥氏体不锈钢根据含碳量的不同分为高碳型、低碳型和超低碳型。根据3种奥氏体不锈钢的性能特点，结合液压系统介质的使用压力、温度及系统性能要求，液压系统材质选用超低碳奥氏体不锈钢，管线材质选用A312,TP316L或00Cr17Ni14Mo2,GB/T,14976，管件材质选用ASME A182,F316L或00Cr17Ni14 Mo2 JB4728。

2.3 高压流体管道系统选材

对于高压流体管道系统，因为系统压力较高，且管道本体直接与钻井液或井口返回液体接触，井口液中含有一定量的硫化氢、二氧化碳等的混合物，所以在选材时应选用满足API 6A中推荐的高强度合金钢，保证管道的耐压、耐磨损性能。同时，材料的性能应满足NACE-MR-0175的要求，保证材料的抗硫化物应力腐蚀性能。

对于压力等级为5,000,PSI的高压泥浆、高压放空及节流压井液管道系统，管线材质选用API 5,L X52或16,Mn GB,6479，管件材质选用ASTM A694 F52或16,Mn GB,6479。对于高压泥浆系统，以上材料在现场应用中被证明可焊性较好，且能很好地满足强度要求。

对于压力等级为10,000,PSI的高压水泥管道系统，管线选用ASTM A519 Gr.4130或35,CrMo GB/T,3077，管件选用AISI 4130或35,CrMo GB/T,3077被证明效果是较好的。但是由于合金刚碳当量较大，所以焊后需要进行热处理，以保证焊口具有良好的机械强度。同时，供应商应提供管线及管件的冲击试验、合金含量、拉伸试验及水压实验等数据。

3 管道壁厚计算与壁厚选用

3.1 设计压力

根据相应的管道设计压力，海上模块钻机工程设计中各管线系统采用的公称压力分级包括以下3种：

①除了液压油系统外的D类流体和常规流体，采用美国国家材料协会标准ASME B16.5《管法兰和法兰管件》的公称压力分级，ASME B16.5的压力分级见表2：

表2 ASME公称压力分级(单位：lb.)Tab.2 ASME nominal pressure rating(Unit：lb.)

②液压系统采用美国汽车工程师协会标准《四螺栓拼合法兰型液压法兰管、管道及软管接头》(SAE J518 CODE61)的公称压力分级，SAE J518 CODE61的压力分级见表3：

表3 SAE公称压力分级(单位：psi)Tab.3 SAE nominal pressure rating(Unit：psi)

③高压流体工况系统采用美国石油协会标准《井口装置和采油树设备规范》(API Spec 6A)的公称压力分级，API Spec 6A的压力分级见表4：

表4 API公称压力分级(单位：psi)Tab.4 API nominal pressure rating(Unit：psi)

3.2 设计温度

模块钻机管道及其管件的设计温度按照以下原则选取：

①操作温度高于15,℃，设计温度的上限应不低于最大操作温度以上30,℃；设计温度的下限应等于或低于环境温度。②操作温度在-30～15,℃之间，设计温度的上限应为50,℃；设计温度的下限应低于最低操作温度至少5,℃或等于环境温度，取较低者。

3.3 管道壁厚计算

钢管的尺寸、材质、壁厚等的选定，首先从管内流速、压力损失确定经济的管径，其次根据设计压力、设计温度、介质腐蚀、经济性、安全性或耐用年数(使用寿命)等因素综合考虑，选择合适的钢管和壁厚，使其满足使用的安全性和成本的合理性。

管壁厚度的计算使用美国国家协会ASME B31.3《工艺管道》规定的管壁厚计算方法，计算公式如下：

式中：t——承受内压力的计算壁厚，mm；tm——最小管壁厚，mm；C——机械加工减薄量，见ASME B1.1和腐蚀裕量(见表5)的总和，mm。

当金属管壁厚t＜D/6时，内压管线壁厚按下式计算：

式中：t——承受内压力的计算壁厚，mm；P——设计压力，MPa(表压)；D——管道外径，碳钢管见ASME B36.10，不锈钢管见ASME B36.19，mm；S——许用应力，见ASME B31.3或GB 150，MPa；E——纵向焊接系数，模块钻机选用无缝钢管，焊接系数为1，见ASME B31.3；Y——温度系数，Y值见ASME B31.3；W——焊接接头强度减弱系数，见ASME B31.3。

用上述公式计算得到的是管子的最小壁厚，但在工厂制造时会存在一定的公差，所以选用厚度时应考虑到钢管的制造公差，故：

式中：T——管子选用壁厚，mm；tm——计算得到的管子壁厚，mm；M——允许的制造公差，钢管制造公差为±12.5%。

表5 模块钻机管道系统腐蚀余量Tab.5Piping system’s corrosion allowance of modular drilling rig

3.4 管线壁厚选用

压力管道一般以管子表号表示管子的壁厚，管子表号为操作压力和操作温度下的材料许用应力的比值乘以1,000并经过圆整后的数值，按照以下公式计算得出：

SCH[]＝P/S×100

式中：P——操作压力，MPa；S——操作温度下的材料许用应力，MPa。

模块钻机配管工程设计中，碳钢管制造标准遵照ASME B36.10，奥氏体不锈钢管制造标准遵照ASME B36.19。值得注意的是，为了保证管线的机械强度，管子选用壁厚T有以下要求：

① N.P.S为1/2"～2"，管子选用壁厚T≥SCH80。② N.P.S为3"～8"，管子选用壁厚T≥STD。③N.P.S为10"～24"，管子选用壁厚T≥SCH20。

根据管线腐蚀余量表，选用腐蚀余量3,mm，管线为焊连接，机械加工减薄量为0,mm，故C＝3,mm，管线最小壁厚tm值如下：

选用钢管制造公差M为-12.5%,，管线的选用壁厚为：

对照ASME B36.10管线壁厚表，选用SCH80管线壁厚等级。同时，此壁厚等级满足N.P.S为1/2"～2"的管线最小壁厚要求，能满足管线机械强度要求，故壁厚选用合适。

4 结 论

以上给出了海洋模块钻机管道系统材料及壁厚选用的一些基本原则。管线材料及壁厚的选用应以工艺介质、压力、温度为基础，考虑管道内腐蚀及应力腐蚀的要求，保证管线材料的机械性能及壁厚选用满足系统压力和温度组成的最苛刻条件下的强度要求。上述基本原则对于海洋钻机管道系统材料及壁厚的选用具有一定的实际指导意义，既能在很大程度上缩短管线的设计周期，保证管道系统的整体质量及安全性能，同时对海洋模块钻机管道费用的控制、建造采办要求及后期维护具有一定的参考意义。■

［1］ 《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程设计指南第七册[M]. 北京：石油工业出版社，2007.

［2］ 董大勤. 化工设备机械基础[M]. 北京：化学工业出版社，2003.

［3］ 查尔斯·贝赫特IV. 工艺管道ASME B31. 3实用指南[M]. 2版，陈登丰，译. 北京：化学工艺出版社，2006.

［4］ 内亚(Nayyar M L). 管道手册[M]. 李国成，等译，北京：中国石化出版社，2006.

A Brief Probe into the Selection of Pipe Material and Wall Thickness for Offshore Modular Drilling Rigs

CHEN Mingqing
(CNOOC Tianjin Engineering Design Corp．Ltd.，Tianjin 300452，China)

The selection of pipe material and wall thickness is important to piping fabrication，safety service and investment of modular drilling rigs．Reasonable selection of pipe material and wall thickness can not only guarantee the service safety of piping system，but also reduce the first investment and following maintenance costs．According to the requirements of relevant design specifications，standards as well as engineering experience，this paper systematically discusses different fluid service requirements on different pipe materials and wall thicknesses from the aspects of system pressure，fluid service，material selection and corrosion allowance and etc.，and gives a general selection principle of pipe material and wall thickness for modular drilling rigs.

modular drilling rig；fluid service；piping material；wall thickness calculation

P752

A

1006-8945(2016)03-0031-03

2016-01-28