水下PLET刚性管道设计选取方法

赵明哲，郭兴伟，王伟，赵晓磊，杜孟云

（海洋石油工程股份有限公司， 天津市 300452）

引言

随着水下油气资源开发逐渐深入，我国将发展水下项目、打造水下工程装备和开发水下生产设施的设计和施工技术作为实施水下工程战略措施。PLET（Pipeline End Termination）即海底管道终端设备，位于海管的末端，将海管和其他生产设施（如管汇、采油树等）通过跨接管连接起来，是水下生产设施中重要的设备之一。在不同的水下项目中，PLET形式各种各样，典型的PLET有整体式、分体式和折叠式。但是其组成通常有以下几部分：管道系统和组件、结构框架、防沉板基础和YOKE（轭）[1]。管道系统是水下生产设施的动脉，维修成本高昂，一旦泄露会造成巨大的经济损失和严重的环境影响，其可靠性至关重要。海底管道终端设备管道在安装、运行过程中所受外力复杂，在设计阶段，要通过完备的强度校核以保证其安全可靠。文章以南海某气田开发项目水下产品PLET管道设计为例，基于DNVGL-ST-F101规范，介绍了水下PLET刚性管道强度设计分析及选取的方法，为相关产品设计提供参考。

1 产品简介

该南海气田项目的开发包括一棵水下采油树、一条水下管道和一条水下脐带电缆。来自该项目的井液将通过一条8“管道输送至相邻气田的水下管汇。本项目PLET管道与海底管道公称直径保持一致，选取8“管道，材质是复合管，在强度计算时，不考虑内部腐蚀余量。设计水深约750m，PLET整体布置图详见图1。其中2号件是该产品主管道，一端用90°弯管和管段与连接器HUB焊接。一般用连接器通过JUMPER（跨接管）把PLET与其它水下生产设施相连。主管道的另一端焊接锚固件（BULKHEAD）与海管连接。文章重点介绍PLET主管道设计方法。

图1 整体式海底管道终端设备结构

图2 海底管道终端设备管道布置图

2 主管道设计选取方法

2.1 设计数据

水下PLET是水下生产系统中的重要设备之一，其管道设计应满足生产系统的使用要求，还要满足产品建造、测试以及下水安装的要求。在管道设计计算过程参考了规范DNVGL-ST-F101（海底管道系统）。输入数据：设计水深750m，设计温度-29/80℃（最低/最高），材质为碳钢无缝管DNVGL 450FD，运行期介质密度40～180 Kg/m3。详细数据参见表1-1：

表1-1：用于壁厚计算的PLET管道数据输入

碳钢级 DNVGL 450FD运行期介质密度（最小/最大）[Kg/m3]40～180屈服[MPa] 450 试验介质密度[Kg/m3] 1025抗拉[MPa] 535 设计水深[m] 747杨氏模量[MPa] 207000 最高水位 2.71泊松比[-] 0.3 海水密度[Kg/m3] 1025 DNV最大制造因子αfab 1.00温度引起的材料DNV降额[MPa] 18

安全等级分为低级、中级和高级。安全等级的选取是根据输送介质、管道分区和工况进行。本例中在安装和压力测试期其安全等级输入低，在运行期，输入等级中等。管道特性输入数据是根据项目需求选取的管道钢级、腐蚀余量、制造公差、设计压力、水压试验压力等参数。

2.2 计算方法

本文PLET管道的设计是按照载荷抗力系数法（LRFD），是一种基于可靠度分析的极限状态设计[2]，要求设计载荷不超过设计抗力。无论在施工、安装、系统测试或运行期间，管道应能承受管道内部和外部压力之间的最大压差。在计算过程中单管壁厚设计考虑以下2个条件：内压（爆破）设计和外压（压溃）设计。

依据DNVGL-ST-F101，计算时假设条件：

在抗爆破分析时，假设内压最大，外压最小（即压差最大条件）。可计算出管道避免破裂的最小壁厚。

在抗压溃分析时，假设外压最大而内压最小，计算出管道避免压溃的最小壁厚。

诸多研究表明，压溃压力是管道产生屈曲的必要条件，并且屈曲传播压力小于压溃压力。在计算分析时，抗屈曲传播分析可与抗压溃分析同时考虑，根据最大差压，计算管道所需最小壁厚。

计算时使用t1和t2两种壁厚特征，当在薄弱环节可能发生失效时，使用厚度t1。而厚度t2用于下表中定义的在最大载荷下，在管道壁厚平均厚度的位置处可能发生失效时，根据DNVGL规范，t1用于爆破和压溃检查。如下表所示：

表1-1 特征壁厚

设计强度按如下公式：

其中：

Rc特征抗力

fc特征材料强度

tc特征厚度

O0加载前管道的不圆度

γm材料抗力系数

γSC，i安全等级抗力系数

材料抗性系数γm取决于极限状态类别，计算时按表2定义[3]

表2材料抗性系数γm

其中：SLS 操作极限状态

ULS 极端极限状态

ALS 偶然极限状态

FLS 疲劳极限状态

安全等级抗性系数γSC可按表3定义

表3安全等级抗性系数, γSC

在抗力计算中，还需使用的材料特性有特征屈服强度fy=(SMYS-fy,temp)×αu和特征抗拉强度fu=(SMTS-fu,temp)×αu。其中，材料强度系数αu，取0.96。

fy，temp和fu，temp分别是屈服应力和抗拉强度因温度变化而降低的额定值。图3为DNVGL-ST-F101建议的用于评估C-Mn钢屈服强度和抗拉强度的降值。

图3 屈服应力的建议降值

抗爆破能力分析时，依据DNVGL-ST-F101要求，需满足内压载荷小于内压抗力。下面公式分别用于操作状态和试压状态下的抗爆破设计。二个公式均是由管道实际内压与内压抗力进行对比，以此来确定满足相应条件的管道最小壁厚[4]。

其中

pe外部压力

t1管道特征壁厚

=t - tfab, 用于运行前条件

=t -tfab- tcorr, 用于运行条件

γm材料抗力系数

γsc,pc安全等级抗力系数

pb(x) 抗压能力

pli= 局部偶然压力

=pd·γinc+ ρcont·g·h

pd设计压力

γinc设计压力附带比

g 重力加速度

h 点和参考点之间高度差

tfab制造厚度公差

tcorr腐蚀余量

αmpt和αspt由表4给出.

表4 压力试验系数

ν泊松比

fy特征屈服应力

Dmax测得的最大内径或外径

Dmin测量的最小内径或外径

D标称外径

从公式可以看出管道屈曲发生与材料建造系数、屈服应力、和管道规格（外径和壁厚）相关。其中，t/D值越大，弹性压溃的临界力越大，则屈曲传播激发的压力越大。

抗压能力pb(t) 由下公式给出:

承压能力可使用DNVGL开发的Excel表格进行计算分析。

抗外部压溃设计分析时，需满足下面公式：

公式中Pmin是可维持的最小内部压力，在本例计算中，Pmin取0，Pc为 特征压溃压力。该式要求外压载荷不大于外压特征抗力。外部压溃分析，是考虑产品在内部无填充时，由于海水静压作用，引起管道发生径向压溃。深水PLET管道系统设计中，抗海水压溃分析是重要的校核要点。

同时，规范规定局部屈曲极限状态应满足系统崩溃要求，所有规定荷载组合应满足极限状态要求。外部压力崩溃的特征抗力由下面工时计算：

其中：pp塑性破坏临界力

Pel弹性压溃临界力

αfab建造系数

E弹性模量

2.3 计算结果

根据DNVGL-ST-F101并使用DNVGL开发的Excel表格进行计算分析，在设计水深750m计算8in PLET刚性管道，压溃（外部超压）临界壁厚为7.41mm，承压（爆破）临界壁厚为6.71mm，系统测试需要最小壁厚为8.54mm。综上所述，选取的8in PLET刚性管道壁厚不应小于8.54mm。结合工程项目水下生产系统主管道信息，实际选取的PLET主管道壁厚为12.7mm（包含3mm复合层，内部腐蚀余量0）。

3 结论

文章根据DNVGL-ST-F101，应用管道强度分析的载荷抗力系数法（LRFD），以南海某气田开发项目水下管道终端设备刚性管道设计为例，进行管道壁厚的计算验证。通过分析得出压溃（外部超压）和爆破（内部超压）是水下PLET管道强度计算的主要影响因素。在最大压差假设条件下，计算出管道发生破坏极限状态的最小壁厚，验证了管道强度。结合工程项目的水下生产系统主管道尺寸规格，为PLET主管道选取了适合的参数。经计算分析得出以下结论：压溃（外部超压）和爆破（内部超压）是水下PLET管道强度计算的主要影响因素；管道的厚径比（t/D）值越大，发生压溃的临界力越大，则激发屈曲传播的压力越大。