浅谈超高温高压深海管道工程设计的挑战与对策

周子鹏　冯现洪　刘彩虹

摘要：随着国内外深海区域油气田资源的大力开发，超高温高压管线的使用正在逐渐增多，这些海底管道的介质温度接近177℃，水深最深达3000m，最大操作压力高达44.8 MPa。这些工况参数都是海底管线设计所面临的严峻挑战。为了应对这些复杂严峻的工况，能够进行热膨胀管理和基于极限状态设计的“管中管”被广泛应用于超高温高压海底管道。本文根据国际先进成果和项目经验，系统阐述了超高温高压工况下海底管道设计中的难点和较为成熟的解决方案，为国内深海管道工程设计提供了参考。

关键词：深水管道；超高温高压；海底管道；总体传热系数；管中管；热绝缘

在国内外一些深海油田开发中，海底管道工作压力温度不断攀升工作温度已接近177°C，最大容许操作压力（MAOPs） 达到44.8 MPa，水深也深达3000m。这些极限工况对海底管道的结构设计提出了新的要求和挑战，在国际较为成熟的项目中，“管中管”的结构型式得到了广泛的应用，在这种“管中管”的设计和材料选择中存在许多难点和挑战[1]。该结构型式的海底管道在国内还鲜有应用，本文根据国际先进成果和项目经验，系统阐述了超高温高压海底管道设计中的难点和较为成熟的解决方案。

1.超高温高压海底管道设计的难点与挑战

对于超高温高压海底管道的设计有一系列难点和挑战[2]，主要的工程设计难点列举如下：

（1）高压高温的设计工况。目前国际深海油气田开发工程中意见开始研究高达177°C的操作温度了。常规海底管道的基于应力的设计准则已经不再适用，会导致管道厚度过大。需要使用基于极限状态的设计标准进行分析，同时分析所采用的软件工具与设计标准规范的匹配性也是一个关键挑战。目前国际常见的解决方法是采用极限状态设计法。

（2）热量控制管理。高温会使管线产生很大的轴向载荷，从而导致管线发生側向屈曲或者隆起屈曲。其中不可控的侧向屈曲会使管线产生过大的塑性变形，导致局部屈曲，或者由于操作期温度不断地升降而产生循环的疲劳破坏。这个问题可以通过采用热量控制管理理论并结合枕木或者浮力来克服。

（3）热力学性能设计。管道内部的热量流动问题是一个严峻挑战，主要是为了确保管线内部介质能够保持在一定的温度之上，以防蜡和形成水合物导致管道堵塞。这些热力学性能的要求和工作水深限制了常规湿式保温材料应用，因此管中管的结构型式成为了可行的解决方案。

（4）管中管结构中内管极限承载能力。内管设计的主要挑战是其在服役期内所承受巨大的内压和温度。内部的超高温高压会是会产生很大的轴向压缩载荷，并与内管安装时的载荷相叠加，当这个载荷超过内管极限承载能力时，会导致内管产生巨大变形和断裂屈曲。因此为了避免内管在服役期失效，在工程设计时要选取一个适当的操作安全系数，并采用有限元软件详细地分析研究压缩载荷对内管极限承载能力的影响。

2.超高温高压海底管道工程设计的常规解决方案

对于超高温高压管线设计需要解决一些特别复杂问题，而解决问题的能力可以通过技术革新、经验和使用先进的分析软件来获得[3]。

（1）超深水工况工程设计方法的最优解决方案是采用DNV的极限状态设计规范来确定管子壁厚以简化、优化设计。即极限状态设计，为了准确的模拟和预测管线在高温条件下的失效，需要确定管线的极限状态以便获得合适的设计载荷安全系数。极限状态包括局部屈曲、环向应力、应变能力和疲劳。为了研究极限状态，通常采用有限元模型来提供管线的响应数据作为每种极限状态的输入数据，并使用DNV OS-F101， API RP 1111， DNV RP-F110等标准校核极限状态[4，5，6]。

（2）高温高压和热膨胀管理解决方案。对于高温高压管线的热膨胀管理只有几种设计方案。当对管线加温时，管线就开始膨胀，由于土壤摩擦力产生的抗力，管线如果不能自由膨胀将会产生很大的轴向力，如果管线暴露在海床上，大的轴向力会导致管线发生侧向屈曲，如果管线被限制在后回填的管沟里又会导致隆起屈曲。所以必须控制住这些大的轴向力，潜在的解决方案有膨胀弯、触发初始屈曲、纵向扩展，例如用预安装的枕木或浮力块来控制轴向载荷的增强。

（3）热力性能解决方案。高温油井流体在产品流里可能会含有蜡/沥青烯/水合物，或者长距离输送要求高的热力性能。整体热交换系数必须很低（<1 W/m2K）。为了保持高温和长的冷却持续时间需要利用管中管技术。一些新开发的高科技材料，例如气凝胶，已逐步用于管体环形空间内，相对于传统的聚氨酯泡沫材料，它有着更好的热力性能并能为管中管提供很好的整体热交换系数。

（4）软土条件下的工程设计。在软土条件下，管土之间的库伦摩擦模型不再适用，必须对不同粘土类型的侧向和轴向位移建立包括峰值和残余载荷的非线性管土载荷-位移关系曲线。模拟管土相互作用的能力是非常重要的，包括海床/管线摩擦接触面、初始沉降、土坡等。如果要模拟侧向屈曲并准确预测，则必须考虑土壤沉降和正确的抗力对于轴向和侧向。

（5）有限元分析软件。采用先进的有限元分析工具是超高温高压管线设计的关键。管线、管中管组件、管土相互作用、材料的非线性和大位移的模拟是很复杂的，须使用已经认证过的有限元软件模拟内管载荷、侧向屈曲和3D海床这些设计状况。该有限元软件必须是高非线性的，并要有强大的计算机来运行合理的循环次数，运行模型要相对快一些，而且不能为分析结果而等待数天。

3.结语

在国内大力开发深海油气资源的背景下，深海高温高压管道是保证深海油气田中的动脉工程，但对于这一方面的研究，国内还甚是缺乏，因此对工程公司和设计人员而言，最高效的方法是对国外先进工程经验的引进、消化、吸收和再创新。充分掌握国际通用的设计标准和方法，灵活运用现有的工程经验开展设计研究，再将设计难点逐个突破并不断进行优化设计，确保工程设计成果安全可靠可行。

参考文献：

[1] Paul Jukes，Ayman Eltaher， Jason Sun and Gary Harrison “Extra High-Pressure High-Temperature Flowlines – Design Considerations And Challenges”，OMAE2009-79537

[2]. Harrison， G. McCarron， B.， 2006， “Potential Failure Scenario for High Temperature， Deep water Pipe-in-Pipe”， OTC 18063， （May 2006）.

[3]. McCarron， B.， 2005， “Yielding of Inner Pipe Components in XHPHT PIP Flow lines”， ASGM， （August 2005）.

[4]. ASME， 2003， “Gas Transmission and Distribution Piping Systems”， B31.8.

作者简介：周子鹏，（1983-），工程师，硕士；2005年毕业于河北工业大学并获硕士学位；主要从事海底管道工程设计和海洋平台管道设计工作。