顶张紧立管的壁厚计算方法

王钰涵， 徐爱进， 程永明， 盛 兴

(1. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137；2. 上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

顶张紧立管的壁厚计算方法

王钰涵1， 徐爱进2， 程永明2， 盛 兴1

(1. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137；2. 上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

主要根据规范要求，基于应力准则，以深水顶张紧立管(TTR)为研究对象，介绍了深水TTR的壁厚计算流程、计算方法和校核标准。以实际的工程案例，进一步验证了TTR立管的壁厚计算方法，并给出了校核结果，为深水TTR立管工程设计提供参考。

顶张紧立管(TTR)；环向应力；压溃；爆裂

0 引 言

深水顶张紧立管(TTR)是一种深水油气开发工程中被广泛使用的深水立管形式，主要应用在张力腿平台(TLP)和单柱式平台(SPAR)，可用于油气生产。顶张紧立管的最小壁厚计算方法是立管设计的基础。合理地选择立管的壁厚，不仅是保障立管安装阶段、在位服役期间的安全因素，也是降低深水立管工程建设费用的有效途径。海洋石油工程股份有限公司项目组在2015年研究了顶张紧立管的设计方法，主要阐述了立管设计考虑的因素[1]；周灿丰等[2]于2014年进行了顶张紧立管动力响应数值仿真研究；康庄等[3]在2015年开展了顶张紧立管强度设计分析。这些研究成果都是建立在正确选择立管壁厚的基础上。因此，研究如何合理准确地选择深水立管壁厚是非常重要的。

TTR立管顶端张紧装置可用液压张紧器和浮筒两种形式，液压张紧器需要消耗平台的有效载荷来提供拉力，浮筒张紧需要有较大的月池来布置立管，且立管的运动受平台运动影响较小。

本文就深水TTR立管，基于应力准则，介绍了TTR壁厚选型的计算方法，并结合具体的工程实例，进行了计算分析。

1 设计规范和准则

立管的壁厚计算参照美国石油学会(API)和挪威船级社(DNV)的规范进行。TTR壁厚的计算基于环向应力、压溃及爆破的要求，是满足3个条件的迭代过程。首先考虑环向应力的要求，确定初步壁厚，参照API Spec 5L[4]、 5CT[5]或依据项目经验选定标准壁厚。然后检验该壁厚是否满足外压压溃及内压爆破的要求。如果不满足条件，则进一步调整壁厚，重新开始一个新的计算过程，直至选定的壁厚满足所有的技术要求。

图1 立管壁厚计算流程Fig.1 Wall thickness calculation process of TTR

2 设计方法

2.1 初步壁厚计算方法

立管初步壁厚的计算基于周向应力小于容许应力的要求，考虑制造误差和磨损或腐蚀误差。

根据许用应力，立管初始壁厚由下面的环向应力公式确定：

(1)

式中：P为净内压；Di为管子内径；t为管子名义壁厚；etol为壁厚的制造误差；tw为磨损或腐蚀误差。

初始壁厚的大小参照规范API Spec 5L[4]，实际选取时，其值应不小于标准管材的最小壁厚(即管子的名义壁厚)。

2.2 校核标准

根据规范API RP 2RD[6]、 API RP 1111[7]和DNV OS F201[8]分别进行如下校核。

2.2.1外压压溃校核

按照API RP 2RD[6]的要求，立管净外部水压力需小于压溃压力乘以一安全系数：

Pa≤DfPc，

(2)

式中：Pa为净外部水压力；Df为设计因子；Pc为压溃压力，计算公式为

S为管子的最低屈服强度；E为弹性模量。

具体信息可以参考API RP 2RD[6]，6.6.2章节。外压压溃校核考虑立管没有缺陷和有缺陷的情况，缺陷计及管子截面的椭圆度的影响。

2.2.2API内压爆破校核

API RP 1111[7]的4.3.1章节列出了压力试验、设计压力和极端情况下的内压爆破要求：

Pt≤fdfeftPb，

(3)

Pd≤0.80Pt，

(4)

Pa≤0.90Pt，

(5)

式中：fd=0.75,fe=1.0,ft=1.0；特定的最小爆破压力Pb计算公式为

(6)

或

(7)

式中：U为管子的最低极限强度。

如果外径与壁厚的比D/t>15，以上两个公式相当。若D/t<15，则用式(6)计算最小爆破压力Pb。

2.2.3DNV内压爆破校核

DNV OS F201[8]的5D章节列出了极端情况下的内压爆破要求：

(8)

式中：Pli为局部极端内压；Pe为外部压力；γm为材料抵抗因子(取值1.15)；γSC为安全类别抵抗因子(取值1.26)；Pb(t1)为爆破抵抗因子，计算公式为

(9)

式中：t是个哑变量，可以是t1或t2，t1是管的壁厚，考虑制造及腐蚀误差，t2是仅考虑腐蚀误差的壁厚；fy是屈服强度；fu是抗拉强度。

3 案例分析

3.1 油田信息

目标油田水深为2000m，采用SPAR作为主平台。本项目主要考虑TTR作为生产立管，根据井口槽数布置形式，相邻两根TTR之间间距为5.0m。

3.2 立管尺寸

TTR结构型式为“双重套管”，由芯管(生产输送管)、内套管和外套管构成。

TTR的主要尺寸如表1所示。

表1 TTR主尺度

注： 1英寸≈2.54cm。

3.3 立管材质

对于TTR立管，芯管和内套管材料参数满足API Spec 5CT要求，外套管材料参数满足API Spec 5L要求，具体每层管的材料参数如表2所示。

表2 TTR材料参数

3.4 壁厚计算和校核

对于立管壁厚的计算，首先考虑环向应力的要求，确定初步壁厚，参照API Spec 5L、 5CT，或依据项目经验，选定标准壁厚。然后检验该壁厚是否满足外压压溃及内压爆破的要求。如果不满足条件，则进一步调整壁厚，重新开始一个新的计算过程，直至选定的壁厚满足所有的技术要求。

3.4.1环向应力

根据式(1)计算环向应力。表3给出了11英寸外套管、8英寸内套管及5英寸芯管的环向应力计算校核结果和应力使用因子(UC值)。UC值是环向应力与容许应力之比，必须小于等于1.0。

表3 立管的环向应力及使用因子

注： 1ksi≈6.895MPa； 1psi≈6.895kPa。

3.4.2外压压溃

外压压溃检验依据API 2RD[6],考虑没有缺陷和有缺陷两种情况。计算使用0.75的安全因子。为保守估计，假定外套管平均轴向应力为30ksi。最大外压出现在海底。

表4列出了11英寸外套管、8英寸内套管及5英寸芯管在无缺陷情况下的压溃检验结果。结果表明，套管和芯管的最大净外压力都小于容许的压溃压力。

表4 立管在无缺陷情况下的压溃检验

套管和芯管截面的椭圆度假定为0.01。表5列出了11英寸外套管、8英寸内套管及5英寸芯管在有缺陷情况下的压溃检验结果。同样地，结果表明，各层立管的最大净外压力都小于允许的压溃压力，许用值比在无缺陷情况下的要小。

表5 立管在有缺陷情况下的压溃检验

3.4.3内压爆破

内压爆破的检验依据API RP 1111[7]和DNV OS F201[8]。最大净内压出现在水表面。根据式(3)和式(6)分别校核爆破内压。

表6列出了各个立管的API爆破检验结果，结果表明立管的试验压力、设计压力和最大的爆破压力均小于许用值。

表6 API爆破检验结果

表7列出了各个立管的DNV爆破检验结果，结果表明立管最大的爆破压力均小于许用值。

表7 DNV爆破检验结果

依据本文提出的设计方法，最终获得上述设计结果，同时对设计结果进行规范校核，校核显示设计参数满足规范要求，设计结果可以使用。该案例结果，可以作为相似设计基础和油井条件的设计参考，为张紧式立管工程设计提供可靠的参考。

4 结 语

深水立管最小壁厚的确定是海洋立管强度设计和疲劳分析的基础。合理适度地选择钢管壁厚，是确保海洋工程开发建设中生命线安全运行的保障，也是降低海洋工程开发建设投资的最有效手段。

本文根据API和DNV的规范要求，总结了张紧式立管的壁厚计算方法和计算流程，结合具体的工程案例，进一步验证了TTR立管的壁厚计算方法，并给出了校核结果，可为深水TTR立管工程设计提供重要的参考。

[1] 典型深水平台概念设计研究课题组.典型深水顶部张紧立管的设计方法[J].中国造船，2005,46(增刊)： 447.

The Group of Typical Deep Water Platform Conceptual Design. The design method for typical deep water top tension risers [J]. Shipbuilding of China, 2005,46(S)： 447.

[2] 周灿丰,帅潇,焦向东,等.API X65钢深水顶端张紧立管动力响应数值仿真研究[J].石油化工高等学校学报,2014,27(3)： 87.

Zhou Can-feng, Shuai Xiao, Jiao Xiang-dong, et al. Research of dynamic responses of deepwater top tensioned risers [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2014,27(3)： 87.

[3] 康庄,张立,刘禹维,等.顶部张紧式立管强度设计分析[J].船舶工程,2015(3)： 74.

Kang Zhuang, Zhang Li, Liu Yu-wei, et al. Strength analysis of top tensioned riser design [J]. Ship Engineering, 2015(3)： 74.

[4] American Petroleum Institute. API Spec 5L. Specification for line pipe [S]. 2010.

[5] American Petroleum Institute. API Spec 5CT. Specification for casing and tubing [S]. 1995.

[6] American Petroleum Institute. API RP 2RD. Design of risers for floating production systems (FPSs) and tension leg platforms (TLPs) [S]. 1998.

[7] American Petroleum Institute. API RP 1111. Design, construction, operation and maintenance of offshore hydrocarbon pipelines (limit state design). Fourth Edition [S]. 2009.

[8] Det Norske Veritas. DNV OS F201. Dynamic risers [S]. 2010.

WallThicknessCalculationMethodforTopTensionedRiser

WANG Yu-han1, XU Ai-jin2, CHENG Yong-ming2, SHENG Xing1

(1.ShanghaiWaigaoqiaoShipbuildingCo.,Ltd.,Shanghai200137,China;2.ShanghaiRichtechEngineering,Inc.,Shanghai200233,China)

Based on the code requirement and stress criterion, the wall thickness selection method of top tensioned riser (TTR) is introduced, including analysis procedure, analysis method and checking standard. Then wall thickness calculation method is further verified through an actual engineering example. This research can provide an important reference for the deepwater TTR riser design.

top tensioned riser (TTR); hoop stress; collapse; burst

TE973.1

A

2095-7297(2017)04-0236-04

2017-03-14

王钰涵(1986—)，女，硕士，工程师，主要从事船舶与海洋工程结构设计和结构强度分析方面的研究。