海上平台高温高压气田井口管道应力分析

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(湛江南海西部石油勘察设计有限公司， 广东 湛江 524057)

0 引 言

东方1-1高温高压气田位于南海莺歌海盆地，是世界三大高温高压气田之一。高温高压气田开发属世界级难题[1]。东方1-1 气田F平台布置有16口井槽，前期开发6口井。井口物流温度达100 ℃，采气树气嘴前压力为55 MPa，超过ASME B16.5 2500磅法兰承受的压力额定值[2-3]。该平台生产井高温高压物流引起的井口高抬升位移以及应力的循环荷载带来的疲劳累积损伤是工程设计的管道应力分析难点。

目前，国内外高压管道主要应用在钻完井的高压泥浆管道上，但是该管道与东方1-1 气田F 平台的井口管道有很大区别，主要包括：(1)井口采气树会产生上升的位移，威胁与其连接的管道安全；(2)由于高温、高压和位移产生的疲劳累积损伤。为了保证海上平台高压管道在各种工况下的应力满足规范要求，根据井口管道的特点，将操作压力、设计压力、水压试验压力、地震荷载、风载、操作温度、设计温度组合为52种分析工况，对高压管道系统进行一次应力分析、二次应力分析、偶然应力分析、法兰泄漏校核和疲劳分析。

1 高压管道应力分析方法

该管道系统应进行一次应力分析、二次应力分析、偶然应力分析、法兰泄漏校核和疲劳分析。

1.1 一次应力校核

管道的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。一次应力校核见式(1)，即由重力和压力引起的轴向应力不超过设计温度下的许用应力。

(1)

式(1)中：S1为管道一次应力；Sh为材料在设计温度下的许用应力；Fax为持续载荷产生的轴向力；Am为管道横截面积；ii为平面内应力增强系数；io为平面外应力增强系数；Mi为持续荷载产生的平面内弯矩；Mo为平面外弯矩；Z为管道抗弯截面模量；P为管道计算压力；Do为管道外径；t为管道壁厚。

1.2 二次应力校核

管道的二次应力是由于热胀、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需的应力。二次应力的校核公式为

(2)

式(2)中：SE为管道二次应力；ii为平面内应力增强系数；io为平面外应力增强系数；MT为温度(二次)载荷引起的扭转力矩；SA为管道许用应力范围；Sc为环境温度下材料的许用应力；Sh为材料在操作及设计温度下材料的许用应力；Z为管道抗弯截面模量。

1.3 偶然应力校核

管道的偶然应力校核公式为

(3)

式(3)中：P为管道计算压力；Di为管道内径；Do为管道外径；MA为重力和其他持续荷载，在管道横截面上产生的合成力矩；MB为摇摆加速度作用于管道横截面上的合成力矩；Z为管道抗弯截面模量；Sh为材料在设计温度下的许用应力。

图1 3-1/16 英寸，10 000 psi 6BX法兰轴向力和弯矩要求

1.4 法兰泄漏校核

法兰泄漏校核判定准则：在当前设计压力及最大轴向作用力情况下，法兰弯矩小于API TR 6AF规范的规定值。例如3-1/16 英寸(1英寸=0.025 4 m)，10 000 psi 6BX法兰轴向力和弯矩要求曲线如图1所示，其中法兰螺栓的装配应力为52 500 psi(1 psi= 6.895 kPa)。

1.5 疲劳应力分析

疲劳应力分析理论根据规范IGE/TD/12 气体工业工厂管道应力分析规范的公式进行[4]。疲劳等效应力或应力范围见式(4)，疲劳应力的范围值可在ASME规范中查得。

(4)

式中：Sa为轴向应力；Sh为环向应力；Sq为剪切力；SVM为循环荷载作用的等效应力。

2 南海东方1-1高压气田F平台实例分析

2.1 基础数据及分析模型

图2 高压井口管道系统分析模型

中国南海东方1-1气田F平台，井口高温高压管道设计数据如下： 设计压力为55 000 kPa，井口管道为5英寸(1英寸=0.025 4 m)，外径为159 mm，壁厚为28.00 mm，设计温度范围为-30 ℃ ～ 100 ℃，介质密度为2.2 kg/m3，管子材质为ASTM A790 S31803的双相不锈钢，井口抬升为100 mm。管道受压力高、温度高、井口抬升大、井口空间狭小等因素影响，管道应力分析过程中需要尝试用各种方法使应力满足规范要求。

采用美国COADE 公司研发的管道应力分析软件CAESAR II为分析工具，进行管道系统的设计和应力分析。该管路系统的安装温度为21 ℃。井口管道的应力分析模型如图2所示。

2.2 工况组合

在管道应力分析过程中，需要确定载荷工况组合[5-7]。本文在管系计算时主要考虑正常的操作载荷、地震及风荷载，并进行单独的疲劳应力校核。校核工况组合见表1。

表1 校核工况组合

续表1 校核工况组合

2.3 分析调整过程要点

在应力分析过程中发现，管道受压力高、温度高、井口抬升大的影响，管道由应力引起的变形较常压管道明显提高。初期管道布置，在没有增加弹簧的情况下，采气树附近支架出现多个支架热态脱空现象。管道在一次应力校核结果显示部分管道应力超标，部分管道出现较大的挠度变形。

由于采气树存在升高位移，且真实位移值无法精确评估，为解决初期管道布置中存在的问题，本文通过设置部分恒力弹簧支架和增加管道水平段长度，达到改善管道应力的效果。

恒力弹簧支架根据力矩平衡原理,用合适的连杆机构让弹簧侧力矩与荷载力矩相等,保证载荷变化很小或不变，非常适用于井口位移较大管道的支撑[8]。恒力弹簧支架目前市场上主要有吊挂式和支撑式2种。本平台根据现场空间，采用了2种弹簧支架进行安装，如图3和图4所示。

图3 吊挂式恒力弹簧支架 图4 支撑式恒力弹簧支架

3 分析结果

运用高压管道应力分析方法，对F平台高压井口管道进行分析。

3.1 一次应力分析校核结果

由于高压管道承受内压较大，因此壁厚比较厚，比普通井口管道的壁厚大一倍以上，管道重量相应增加。在一次应力校核调整过程中，支架的数量明显增加，最大节点的应力出现在工况L48,在设计温度下热态一次应力达到许用范围的47%。表2为一次应力最大值，可以看出: 该高压井口管道系统的一次应力最大值满足ASME B31.3 规范的要求。

表2 高压井口管道系统一次应力最大值

3.2 二次应力分析校核结果

由于井流温度较高，通常为100 ℃，管道的热胀冷缩对二次应力的影响较明显。此外，由于高温高压引起井口油管和隔水套管的抬升，造成井口抬升位移较大，达100 mm。在应力分析过程中，通过调整管线布置，增加水平管道长度并增加弹簧支架设置改善管道的应力。表3为二次应力最大值，可以看出: 该高压井口管道系统的二次应力最大值出现在工况L50，设计温度二次应力满足ASME B31.3 规范的要求。

表3 高压井口管道系统二次应力最大值

3.3 偶然应力分析校核结果

偶然应力最大值分析结果见表4，可以看出：该高压井口管道系统的偶然应力最大值出现在工况L46,满足ASME B31.3 规范的要求。

表4 高压井口管道系统偶然应力最大值

3.4 法兰泄漏校核结果

疲劳应力最大值见表5，可以看出：疲劳应力最大值出现在工况L51，最大轴向力为15 344 N，最大弯矩为24 119 N·m。由API TR 6AF规范中相关法兰曲线图可知，在当前设计压力55 MPa(8000 psi)及15 344 N最大轴向作用力的情况下，24 119 N·m的法兰弯矩满足要求，即所有法兰及进口法兰满足设计要求。

表5 法兰疲劳应力最大值

3.5 疲劳应力分析校核结果

管道由于高温高压的作用，特别是在循环开关井的工况下，管道的疲劳累积损伤比较明显。疲劳分析是高压管道与常规管道应力分析比较重要的区别。根据ASME第8卷锅炉及压力容器规范第1分册以及工程经验，通常取管道7 000次循环工况材料的许可最大综合应力进行校核。7 000次循环工况对井口的要求相当于每周开关井7次，满足20年，这个开关频率对海上生产操作是可以接受的。为了使管道的循环工况次数满足规范要求，应使管道节点的最大综合应力小于规范值。疲劳应力最大值见表6，可以看出: 该高压井口管道系统的疲劳应力最大值满足ASME B31.3 规范的要求。

表6 高压出口管道系统疲劳应力最大值

4 结 论

(1) 由于管道内压较高、壁厚比较大，与内压低于43 MPa的常规管道相比，支架数量增加明显。

(2) 由于井流高温，管道的热涨、冷缩对二次应力的影响比较明显。在应力分析过程中，可调整管线布置，以改善管道应力。

(3) 由于高温高压引起井口的抬升位移较大，即管道挠度可能会超出许用范围，因此，必须在适当的位置设置弹簧吊架(或弹簧支架)，保证管系整体的受力安全。

(4) 由于井口抬升位移较大，与采气树连接的井口管道有向上的附加位移，管道上方应预留足够的空间允许管道上移。

(5) 由于对井口管道的可靠性和安全性要求较高，应力分析结果通常需留出一定的安全裕量。为保证管道具有足够的柔性，避免管道发生破坏，最大应力与许用应力比应小于80%。

(6) 与采气树油嘴相连接的管道处通常有变径大小头，即连接法兰尺寸小于井口管道尺寸，因此油嘴法兰以及法兰与管道的连接点都是受力薄弱点，在进行应力核算时必须充分考虑连接点受力是否满足要求，相应的力和弯矩是否会引起法兰泄漏。

(7) 在生产操作过程中，应尽量避免频繁开关井对管道造成疲劳破坏。

[1] 张光明. 我国海上首个高温高压气田东方1-1一期投产——中海油攻克高温高压世界级难题[N]. 中国海洋石油报, 2015.

[2] 张光明. 我国首个高温高压气田国产化率超95%——高端设施国产保质又降本[N]. 中国海洋石油报, 2015.

[3] 黄振东, 劳景水, 罗军, 等. 高压高含量二氧化碳气田井口管道设计[J]. 油气储运. 2015, 34(05): 552-556.

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[6] 张海成, 刘敏, 罗翃, 等. 海洋平台栈桥管道应力分析的模拟方法[J]. 中国造船. 2011, 52 (Z1): 200-204.

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[8] 国家能源局.恒力弹簧支吊架: NB/T 47038-2013[S]. 北京: 新华出版社, 2014.