浅水经济性柔性管道加强设计

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柔性管道由于具有较小弯曲半径, 能承受较大的变形, 因此被越来越广泛的应用于海洋石油开发中。柔性管道主要是由起密封作用的高分子材料与起加强作用的金属材料组成, 加强结构可以采用粘结与非粘结两种形式, 其中非粘结结构有更大的设计空间[ 1] 。柔性管道需要根据功能与环境荷载进行针对性的加强设计, 其中影响荷载的因素是水深。随着水深的增加, 由于自重引起的拉伸荷载也随之增加, 要进行拉伸刚度设计; 随着水深的增加径向外压也随之增加, 为了防止压溃破坏, 要进行径向刚度设计[ 2] 。为了同时保证较小弯曲刚度与弯曲半径, 加强结构也比较复杂,因此对于深水开发的柔性管道的造价比较昂贵, 通常只在动态立管中应用, 很少使用在远距离的海底管道。由于柔性管可采用安装速度快的卷管法进行铺设, 同时具有可回收性及较好的防腐性等优点。对于较浅水应用柔性管道, 由于拉伸与外压荷载都比较小, 可以简化结构进行经济性的结构设计, 对边际油田的开发具有一定的吸引力。对于浅水应用的海底管道, 铺设过程拉伸荷载是控制荷载, 可以主要对拉伸刚度进行加强设计, 并对其它荷载进行验证。对适于渤海边际油田开发海底管道, 设计了一种非粘结经济型柔性管。建立了拉伸刚度分析模型, 提出抗拉加强设计方法。对基于拉伸加强设计的管道进行了进行足尺拉伸试验, 并进行压溃实验和最小弯曲半径实验对设计进行验证。实验结果表明能够满足渤海海底管道使用要求。1 􀀁 海洋柔性管道结构柔性管道分为粘结与非粘结两类结构形式。粘结管的密封橡胶材料与加强金属材料通过粘结剂粘结在一起[ 3] , 而非粘结管的密封聚合物材料与加强金属材料之间无粘结剂, 可以发生相对滑动。由于非粘结管工艺限制较少, 并且设计的自由度较大, 可根据实际要求增加或减少相应的功能结构层达到不同的要求。在海洋管道设计中, 与陆上的管道设计相同, 管道设计应首先满足传输介质的内部压力的要求; 此外, 不同于陆地管道设计, 海洋管道设计还要满足安装与在位状态的各种荷载要求。由于深水和浅水的荷载要求不同, 因此深水和浅水可设计不同结构型式的柔性管。由于管道本身的自重及海洋环境荷载作用, 在铺设及在位工作过程中管道都要承受一定的拉伸及外压等荷载作用。深水柔性管必须抵抗较大的拉伸荷载, 同时还需要考虑抵抗静水外压引起的压溃破坏。因此用于深水立管的柔性管, 要求具备承受较大抗拉伸与抗外压的能力。如图1 所示其加强作用的螺旋金属层从功能上基本分为三类[ 4] : 骨架( 最内层) 为接近90􀀁的互锁钢条螺旋结构, 其截面形状一般为S 型, 主要防止外压荷载下的压溃破坏; 抗压铠装层为接近90􀀁的Z 型互锁钢条螺旋缠绕, 抵抗径向内压和外压, 对于承受较高压力的管道来说, 可再增加一层高角度的钢条缠绕以增加径向承载力; 抗拉铠装层是由两层反向的钢丝螺旋缠绕构成, 截面一般为30􀀁~ 55􀀁的矩形或者圆形, 抵抗轴向拉力、扭矩和部分径向压力。深水柔性管结构和工艺也较为复杂, 其设计与制作技术目前被国外少数公司所控制, 如Wellstream、Technip、Dunlop Oil & Ma􀀁rine Ltd 以及NKT 等。对于浅水应用时, 海底管道承受的静水压力较小, 铺设过程中的拉伸荷载通常是控制荷载, 主要是拉伸刚度的设计, 相比深水结构, 对径向刚度设计要求较低。因此可以考虑不使用互锁的金属材料骨架层和抗压铠装层, 简易使用接近90􀀁的不同厚度扁钢缠绕提供不同径向刚度, 达到浅水使用要求。浅水柔性管主要设计抗拉铠装层以及扁钢缠绕层, 使得其满足拉伸以及外压、弯曲的性能要求。我国渤海湾的海洋石油开采大多处于浅水域, 且边际油田较多, 因此我们需要可考虑区别于已有国外结构复杂、成本高昂的柔性管道, 以抗拉设计为主要的指标, 同时满足其他如外压和弯曲的指标, 设计适于我国渤海等浅水域应用的简易经济性柔性管道, 降低造价, 打破国外的专利技术封锁。

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2012-12-14 15:07 上传

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