埕岛油田海底管道疲劳寿命评估
2016-05-30金学文
金学文
摘 要:目前,工程中对于海底管线自由悬跨的疲劳评估主要集中在求解管线的极限跨长,这种做法仅仅考虑自由悬跨的涡激共振对管线的影响,而没有考虑自由悬跨在非涡激共振状态下的疲劳损伤累积问题。本文以埕岛油田海底管道在不同浪流组合下的疲劳寿命进行评估,分析不同环境因素,不同悬跨长度对疲劳寿命的影响规律。
关键词:海底管道;疲劳;评估;埕岛油田
1 埕岛油田现状
埕岛海区位于黄河三角洲前缘、渤海湾中东部南岸的极浅海海域。地面工程建设模式以中心平台为依托,在其周围辐射式建设卫星平台的方式进行开发,中心平台通过海底电缆为卫星平台生产提供电力,通过海底注水管线为其卫星平台提供注水源,卫星平台产出的油、气、水混合物则通过海底管线传输到中心平台进行处理后分输到岸上。经过多年的开发建设,1999年埕岛油田实现200万吨产能规模,成为我国的第一大浅海油田。
2 海底管道悬空原因
在海底地形的变化、波流的冲刷和淘刷,管道的残余应力等海洋因素作用下,海底管道可能形成悬空段。根据海底管道形成悬空段的成因和类型的不同,管道悬空段有以下三种类型:
2.1 海底管道由于受到波流作用形成的悬空段
埋设在海床以下和裸露在海床上的海底管道受波流的冲刷和淘刷的影响,波流首先冲刷管道上面的颗粒,等到管道露出之后在冲刷管道下面的颗粒,由此管道形成悬空段。对于裸露在海床上的海底管道,波流冲刷管道下部的颗粒形成悬空现象。
2.2 由于海底管道的应力集中形成的悬空段
海底管道在运行过程中,由于受传输介质的温度、压力等因素的作用也会有应力集中的现象,这种应力集中会在管道的某个部位形成“屈曲现象”,屈曲现象会使管道的一段产生悬空现象从而使管道形成悬空段。
2.3 海底地形的崎岖变化形成的悬空段
海底管道悬跨结构在发生涡激振动的过程中,存在着流体与结构之间的相互作用,从而改变作用在结构上的流体荷载的分布和大小。
3 疲劳寿命评估
以埕岛油田某管线为实例进行数值试验,讨论各参数对悬跨管线疲劳寿命的影响。根据埕岛油田海域水深范围,设定计算管线处的水深为10m,考虑悬跨长度、流速大小、波浪大小以及水流与管线的夹角等影响因素。
3.1 悬跨长度的影响
主要考虑在其他条件一定的情况下悬跨长度对疲劳寿命的影响。计算工况为潮流流速0.8m/s(悬跨管线位置),流向与悬跨管线垂直,悬跨管线两端的约束对悬跨段的自振频率有很大影响,约束条件的确定依赖于两端部分对悬跨管段的作用力,而作用力的确定需要根据管线的内力和管线的外载荷来确定。
在悬跨管线两端约束为简支,流速一定的情况下(0.8m/s),管线的自振频率随悬跨长度的增大而减小,管线的响应频率、应力范围变化趋势也相同;管线悬跨长度从30m逐渐增大时疲劳寿命由4.877年逐渐减小。
跨长在24~29.5m范围内时悬跨管线随着悬跨长度增大疲劳寿命迅速减小。相同跨长时固支约束下悬跨管线一阶固有频率大于简支约束下的一阶固有频率,悬跨长度30m以内的管线在0.8m/s的流速下,不需要评估涡激振动情况。
3.2 流速的影响
主要分析悬跨管线在悬跨长度、波浪条件等参数不变的情况下,流速大小对疲劳寿命的影响。计算工况为悬跨长度30m,流向与管线垂直。边界约束考虑两端简支和两端固支两种,计算流速从0.4~1.5m/s变化时疲劳寿命大小。
流速小于0.5m/s时,对于30m悬跨长度的管线可以不必考虑涡激振动的影响,其疲劳寿命大于50年。流速在0.6~0.8m/s之间时,疲劳寿命变化明显,说明悬跨管线疲劳寿命对流速很敏感,在进行相应的评估时需要结合实际的流速大小。0.6~0.8m/s变化时,随着流速的增加,悬跨管线的响应频率和应力范围均在增大,疲劳寿命随流速的增大急剧减小。
悬跨长度为30m的管线,在流速小于1.2m/s时可以不考虑涡激振动的影响。随着流速的增大,其涡激振动应力范围呈现逐渐增大的趋势,从12MPa增至40MPa,相应的,疲劳寿命从474年迅速减小至1.6年。流速在1.3~1.4m/s之间时,疲劳寿命变化明显,说明悬跨管线疲劳寿命对该流速范围很敏感,在进行相应的评估时需要结合实际的流速大小。
流速从1.3~1.4m/s变化时,随着流速的增加,悬跨管线的应力范围在增大,疲劳寿命随流速地增大急剧减小。
3.3 波浪的影响
主要分析悬跨管线在悬跨长度、入射角度等参数不变的情况下,波浪大小对疲劳寿命的影响。计算工况为悬跨长度30m。
简支约束下波高小于2m时可以不考虑波浪引起的涡激振动影响,此条件下悬跨管线满足疲劳设计要求。波高大于2m时,随着波高的增大,疲劳寿命急剧降低,由2m波高时的1745年降至3m波高时的0.634年。由此可见在浅水区(d/L<0.5)波高对管线的疲劳寿命有很大影响,在深水区波浪导致的水质点的运动在海底位置几乎没有,可以忽略波浪的影响。在实际管线评估过程中需要综合考虑悬跨管线处的水深、波浪方向以及潮流速度等因素。
固支约束下波高小于4m时可以不考虑波浪引起的涡激振动影响,此条件下悬跨管线满足疲劳设计要求。在浅水区(d/L<0.5)波高对管线的疲劳寿命有很大影响,在深水区波浪导致的水质点的运动在海底位置几乎没有,可以忽略波浪的影响。
3.4 流速与管线夹角的影响
主要分析悬跨管线在悬跨长度、流速大小等参数不变的情况下,入射角度对疲劳寿命的影响。
在悬跨长度30m,流速0.8m/s,两端简支约束条件下,流速的入射角度小于45度时可以不考虑涡激振动的影响,管线疲劳寿命满足设计要求。入射角大于45度时,随着流速入射角度的增大,管线响应应力范围随之增大,疲劳寿命逐渐减小,由45度时的19349年减至90度时的4.877年。当入射角为90度时疲劳寿命最小,入射角继续增大疲劳寿命也随之增大,入射角大于135度时悬跨管线的疲劳寿命可以不考虑涡激振动的影响。因此疲劳寿命与管线上垂直作用的流速大小有直接关系。
在悬跨长度30m,流速1.4m/s,两端固支约束条件下,流速的入射角度小于65度时可以不考虑涡激振动的影响,管线疲劳寿命满足设计要求。入射角大于65度时,随着流速入射角度的增大,管线响应应力范围随之增大,疲劳寿命逐渐减小,由65度时的3585年减至90度时的12.748年。当入射角为90度时疲劳寿命最小,入射角继续增大疲劳寿命也随之增大,入射角大于115度时悬跨管线的疲劳寿命可以不考虑涡激振动的影响。按照上述分析若该管线设计寿命为50年,则1.4m/s的流速工况下最大允许夹角为75度。
4 小结
通过比较发现随着悬跨长度增加,疲劳寿命随之减小,在流速0.8m/s时简支约束下最大悬跨长度不能超过27.5m(按设计寿命50年计),而固支约束下最大悬跨长度不能超过41m。
简支约束下30m悬跨长度时,管线对0.6~0.8m/s区间的流速变化很敏感,在0.8m/s时寿命仅有4.8年,按照疲劳寿命50年计算,最大允许流速为0.7m/s;固支约束下对1.3~1.4m/s区间的流速变化敏感,按照疲劳寿命50年计算,最大允许流速为1.35m/s。
由于水深较浅波高对疲劳寿命有较大影响,计算结果表明30m悬跨长度时,简支约束下波高大于2.3m时疲劳寿命降到50年以下,固支约束下波高大于4.4m疲劳寿命仅为42.8年。
流速入射角度对悬跨管线的疲劳寿命也有很大影响,垂直入射时疲劳寿命最小,随着入射角度的偏大或偏小,疲劳寿命随之增大。