简析高压泥浆管安装原则

苗立勇，宋千云，吴彩云，苗立谦

（1. 广船国际有限公司，广州 511462；2. 广州建宇工程咨询有限公司，广州 511458）

0 引言

在石油钻井行业，高压泥浆系统是钻井船的关键系统之一，在钻井过程中起到携带钻屑出井、冷却和润滑钻头、平衡井下压力等作用[1]。目标钻井船的高压泥浆系统设计压力是 51.71 MPa。工作压力高，对管路材料的强度、硬度、塑性等物理性能提出了严格的要求，焊接、安装等施工要求高，工艺复杂。

高压泥浆管的泥浆成本在整个钻井过程中占有很大比例，设计合理的泥浆系统对钻井系统的功能性、经济性非常重要。

1 材质选择和性能分析

经过对自升式钻井平台及其他类似钻井平台及钻井船的调查，发现目前高强度合金钢ASTM A519 GR4130因其优越的性能而获得业界普遍认可，被选用为高压泥浆管路的材料。根据表1显示，ASTM A519 GR4130钢属于中碳调质钢，其焊接工艺[2]调质后的抗拉强度为 730 MPa～860 MPa，屈服强度为 485 MPa～755 MPa，的冲击韧性大于40 J。

表1 ASTM A519 GR4130的化学成分

工作区域如果是高硫井或者需按高硫井设计，那么相应的管材、附件、连接件和阀门全都要满足美国防腐蚀协会NACE MR 0175或ISO 15156的最新要求，洛氏硬度不超过22 HRC。

GR4130的性能可以满足海工钻井的各方面需求，且市场上生产厂家数量多，供货充足，成本方面能得到有效控制，因此，综合各方面的考虑，目标钻井船的高压泥浆系统材料采用ASTM A519 GR4130。

2 应力分析

管线应力分析是高压泥浆管道设计的基础，高压管道上任意一个点失效都可能引起整个管道系统停止工作，甚至可能造成严重的安全事故和巨大的经济损失。随着高压管道系统的可靠性和安全性越来越受到重视，管道的应力分析得到越来越广泛的应用，它可以有效地提高设计可靠性，避免因设计不合理而引起的灾难和损失。

管道应力分析的任务，是指对管道进行应力分析并使分析结果满足规范的要求，从而保证整个管路系统的安全。保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支撑或端点附加位移造成应力问题。

管道设计要实现工艺要求、操作要求，以及由于内压或外压、外载荷、管道系统因冷热力等作用力受到影响的安全要求，对管路系统进行应力分析与计算，使设计的管道尽可能合理经济。

对管道系统的应力分析和强度评估的主要内容：压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算，防止塑性变形破坏。

2.1 应力分析的方法

由机械外载荷引起的正应力和剪切应力，必须满足外部和内部的力和力矩的平衡法则[3]。一次应力是非自限性的，它始终随着所加载荷的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久强度时，将使管道发生塑性破坏或总体变形，因此在管路系统的应力分析中，首先应该使一次应力满足许用应力值。

本项目使用 AutoPIPE软件对高压泥浆管道进行应力分析。该软件进行管道应力验算采用的标准是 ASME B31.1/B31.3/B31.4等。AutoPIPE通过建立模型、计算分析，获取载荷与响应较大的危险点，对其应力进行校核，比较高压泥浆系统工作前后的应力是否在安全范围内，从而判断是否符合设计和规范的要求。设计计算基础数据如下。

设计工况：目标钻井船的的设计条件；计算内压Pc为51.71 MPa；计算温度Tc为21.1℃。

图1所示为载荷局部坐标系示意图，管口外载参数见表2。

图1 载荷局部坐标系示意图

表2 管口外载各参数

一次应力校核的工况组合为：SUS—GR＋Max P，如果许用值大于或等于节点应力，则说明一次应力校核通过，否则为不通过。根据管道系统可视化应力图可以知道最大应力点所在位置。

经过计算后，AutoPIPE程序在输出结果中，将根据所选择的设计规范自动进行一次应力的校核。一次应力计算结果如表3所示。

表3为一次应力计算结果，根据计算的结果，该部分管道系统的一次应力满足要求。

从图2中可以看到，一次应力的最大值发生在三通和弯头及一些固定支架附近，在评估高压泥浆管道系统的安全性时应注意这个现象，并且在设计布置管道时给予充分考虑。

表3 一次应力计算结果

图2 SUS 工况应力图

2.2 位移分析

借助 AutoPIPE软件的计算功能，可以得到每种工况对应的支架受力情况、管路的位移情况和应力情况，进而判断管路布置是否合理，并通过变形来避免应力集中的情况。

根据表4和对应的图3可知，在荷载作用下，管道的部分管点在3个方向发生了不同程度的偏移，并且同时还发生了轻微的旋转，观察管道系统的其他大多数管点存在同样的现象，可见管道在载荷作用下发生偏移和旋转是普遍存在的，在设计布置高压泥浆管道时需要充分考虑这一点。

表4 高压泥浆管路部分管点位移值

图3 高压泥浆管受载位移偏转图

3 高压泥浆管设计的改进措施

考虑到三通、弯头等部位容易发生应力集中，所以在设计时应减少非必要的三通和弯头的数量，并且优先选用长半径的弯头，使管道尽可能平直。

另外由于高压泥浆管路压力非常高，各设备应该就近布置，尽量减小高压管道的长度。如果管道长度较长，则必须考虑优化导向架的布置。

由于一次应力在假定壁厚满足的前提下考虑的基本上是轴向应力，包含了压力引起的轴向力、外加轴向力和弯矩引起的轴向应力，所以发现一次应力超标时，可以检查3个方面：

1）压力是否过大；

2）两端的轴向附加力是否过大；

3）是否由于2个刚性支架之间跨度过大，导致弯矩过大。

在生产实际中，一次应力超标通常可以由合理设置支撑吊架来解决。

管道安全设计除了压力设计之外，还要满足柔性设计。管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀冷缩和其他位移变形的能力。总的来讲，影响管道柔性的因素主要有：管单元的规格及尺寸、管道的空间几何形状、管道端部的刚度、管道中间的支撑以及管道中特殊的管道元件等。在管道设计中，增加管道柔性的方法主要有：改变管道走向、选用膨胀接头和安装弹性吊架。进行管道柔性设计时，在保证管道具有足够柔性来吸收变形的前提下，应注意避免使管系过分柔软。

4 结论

高压泥浆管道的布置必须通过严格的应力分析，根据应力分析的结果针对性地对管道系统的设计进行修改，提升管道系统的可靠性安全性，使整个系统趋于完善合理。