基于DNVGL规范的海底管道强度分析技术探讨

2020-02-23陈庆

江西化工 2020年2期

陈庆

(中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都 610041)

0 前言

海洋油气储量丰富，据预测，全球陆上的油气可采年限约为30～80年，海洋油气的储量占全球总资源量的34%。丰富的资源现状让全世界聚焦于海洋这座石油宝库。海底管道是海上油气田开发的重要组成部分，是油、气外输的主要手段[1-3]。随着海洋经济的迅速发展，海域使用开发活动日益频繁，海底输油气管道的数量以惊人的速度在不断增加。强度设计是海底管道工程设计的核心内容，将起到保障介质流道本质安全的关键作用[4-9]。与陆上管道所处环境不同，海底管道在安装、运行过程中，将面临功能荷载、环境荷载等复杂外力的影响，必须通过完备的强度设计校核，保障系统安全。相比陆上管道采用强度系数设计法，绝大多数海底管道采用了基于确定性的极限状态法(基于DNV F101体系，已经发展到最新版本DNVGL-ST-F101[10])，涉及到了更为复杂的参数选取、工况选择。目前，鲜有对基于DNVGL标准海底管道强度分析技术的系统分析报道，这对系统认识与使用DNVGL海底管道设计标准造成了一定影响。为此，将基于DNVGL标准对海底管道强度分析的基本要求，系统分析影响海底管道强度设计的各类工况，并结合实例计算揭示影响管道强度的主要因素。

本文将基于DNVGL-ST-F101对管道强度分析的基本要求，结合管道强度设计本质，详细探讨影响海底管道强度的各类工况，并通过实例计算，探讨海底管道强度分析的关键要素。

1 海底管道强度分析基础

海底管道强度分析的主要目标是确定合适的、可靠的管道壁厚。与陆上管道壁厚计算考虑因素相比，海底管道受环境、安装方式等影响，具有鲜明的壁厚计算分类分析特征：

(1)抗内压分析，也成为抗破裂分析，主要考虑最大内压情况下的(外压最小)，管道避免破裂的最小壁厚设计，这与陆上管道工况选取较为类似；若无法满足，则可能引起管道破裂。

(2)抗外压分析，也成为抗压溃分析，主要考虑最大外压情况下(内压最小，考虑为0，即安装状态)，管道避免外压压溃的最小壁厚设计，这是与陆上管道工况选取较为明显的区别；若无法满足，则可能引起管道发生径向坍塌。

(3)抗屈曲传播分析，主要考虑最大外压情况下(内压最小，考虑为0，即安装状态)，管道避免径向屈曲传播的最小壁厚设计；诸多研究证明，压溃压力是管道产生屈曲的必须条件，而屈曲传播压力小于压溃压力，只有当外压小于扩展压力，屈曲扩展才会消失。

(4)综合荷载校核模型，主要考虑不同工况下，管道承受的弯曲、轴向拉压与内压、外压联合作用时的强度校核，以保证管道在安装、试压、运行及停输工况下的强度可靠，进一步验证由(1)-(3)所选择的壁厚满足综合荷载校核要求。

2 DNVGL-ST-F101对管道强度分析的基本输入条件

DNVGL-ST-F101是基于确定性的极限状态法对海底管道壁厚计算进行规定，通过引入安全等级抗力系数、材料抗力系数、强度折减、材料强度系数等管道强度影响系数，进行不同工况下的管道壁厚计算。

2.1 安全等级

基于DNVGL体系进行海底管道强度设计，需要首先确定管道安全等级。安全等级分为低、中和高，根据输送介质分类、管道分区和校核工况确定。

一般来讲，输气管道的介质被定义为E类；在平台附近500m、有通航要求或人类经常性活动区域的管道区域为1区，其余区域为2区。管道状态可分为临时态和操作态，临时态主要考虑安装和试压的过程，操作态代表管道运行或停运状态。由此，确定不同管道状态下的安全等级。

2.2 环境参数

环境参数是海底管道强度分析的关键输入条件。其中，水深条件是影响外部压溃、扩展屈曲的控制性条件，应重点考虑极端水深对管道外压的影响；波浪、海流在管道悬跨强度校核中亦有所贡献。

2.3 管道特性

管道特性主要包括管道钢级、管道SMYS、管道SMTS、管道腐蚀裕量、管道制造公差、管道制管类型(SMLS、HFW、UOE等)、管道设计压力、管道水压测试压力、操作介质密度、试压介质密度、安装温度、操作温度等。这些参数直接用于管道强度校核的数据输入。

2.4 管道安全系数

影响强度设计的管道安全参数主要包括安全等级抗力系数γSC和材料抗力系数γm，前者用于不同安全等级下的抗力修正，后者用于不同极限状态下的材料抗力修正。这两种参数的选择在DNVGL-ST-F101中具有详细说明。

另外，针对温度对管道屈服强度的影响，在强度设计中，需要考虑高温下的管道材料屈服强度折减。

由此，可形成较为完善的海底管道强度设计输入条件，进行壁厚设计与校核。

3 强度分析典型模型

如前所述，进行管道强度设计主要考虑抗破裂设计、抗压溃设计和抗屈曲传播设计，其计算方法如下：

(1)抗破裂分析

管道抗破裂计算应满足以下公式，其原则是内压荷载应小于内压抗力：

(1)

(2)

式中，Pli——局部偶然压力，MPa；Pe——外部压力，MPa；Pb——承压抗力，MPa；Ph——工厂试压压力，MPa；Plt——局部试验压力，MPa；γm——材料抗力系数；γSC，PC——安全等级抗力系数；αU——材料强度系数；αspt——系统试压系数；αmpt——工厂试压系数。各种系数取值可在规范中明确查阅。

其中，式(1)用于操作状态下的抗破裂设计公式，通过对比实际内压与管道的内压抗力，确定满足条件的管道壁厚。由于该运行状态长期存在，因此计算所需的壁厚应考虑腐蚀裕量和制造偏差。

式(2)为试压状态下的抗破裂设计公式，亦通过对比实际内压与管道的内压抗力，确定满足条件的管道壁厚。由于该运行状态仅为投产前存在，因此计算所需的壁厚应至少考虑制造偏差。

对于浅水气田海底管道，内压控制是最重要的计算模型之一，需要尽量消除外压对计算的影响，由于所产介质密度远低于海水密度，因此极端内压工况是考虑在水深为0m处进行抗破裂分析。

(2)抗外部压溃分析

管道抗外部压溃计算应满足以下公式，其原则是外压荷载应小于外压特征抗力：

(3)

式中，Pc——特征压溃压力，MPa；γSC，LB——安全等级抗力系数。其余参数见上文。

在该公式中，临界外压与弹性压溃压力和塑性压溃压力相关，涉及管道弹性模量E、壁厚t、外径D、屈服强度SMYS、制造系数αfab和椭圆度f0，具体关联式可参考DNVGL规范。进一步地，临界外压随弹性压溃压力和塑性压溃压力增大而升高，随椭圆度增大而降低。

外部压溃分析是海底管道在安装状态下重要的校核要点，避免管道在内部无充装时由于海水静水压力作用而发生径向压溃，引起管道局部屈曲。需要说明的是，在浅水海底管道中，抗外部压溃分析所计算的最小壁厚往往较小，这与管道面临的最大水深有关，而在深水海底管道设计时，外部压溃分析则是影响海底管道质量的关键问题，且常常需要进行深入的有限元分析，考虑的因素也大大增多。

(3)屈曲传播分析

屈曲传播必须是发生了局部屈曲后才可能出现。一旦外压超过了屈曲传播的极限，应考虑安装和布置止屈器。

(4)

(5)

式中，Ppr——扩展压力，MPa；fy——设计屈服强度，MPa；αfab——制造系数；D——钢管外径，mm。其余参数见上文。各种系数取值可在规范中明确查阅。

由此可见，屈曲传播激发压力与材料屈服强度、制造系数、壁厚和外径相关，壁厚/外径比值越大，则屈曲传播激发压力越大。同样地，屈曲传播分析中也考虑了安全等级抗力系数、材料抗力系数的影响。由发生机理来看，屈曲传播在管道外部压溃激发后才可能发生，但其诱发的外部压力是低于外部压溃的，这说明防止外部压溃屈曲发生的壁厚小于防止屈曲传播所需最小壁厚。

综上，分析了影响海底管道壁厚设计的典型模型，可基于内压、外压等功能和环境条件进行海底管道壁厚计算。进一步地，由于管道在安装、试压和运行中还存在弯曲、轴向约束等附加荷载，因此需要通过综合荷载校核模型进行管道强度校核。

4综合荷载组合分析

与陆上管道设计类似，海底管道需要在进行基于内压、外压强度设计后，进行综合工况的强度校核(DNVGL中称为局部屈曲校核)。在DNVGL体系中，可选择基于综合荷载的组合分析和基于综合应变的组合分析。在拉伸应变超过0.4%的情况下，推荐采用综合应变组合分析；在管道结构响应主要受荷载控制的情况下，采用综合荷载组合分析。

综合荷载组合校核包括了基于内压的综合荷载组合和基于外压的综合荷载组合。其校核公式如下：

受弯曲、轴向力和和内部超压作用共同作用的管道，应该满足如下校核条件：

(6)

式中，Msd——设计弯矩荷载效应，kN·m；αc——流动应力系数；Ssd——设计有效轴向力荷载效应，kN；αp——径厚比效应系数。其余参数见上文。各种系数取值可在规范中明确查阅。

受弯曲、轴向力和和外部超压力作用共同作用的管道，应该满足如下校核条件：

(7)

式中，Pmin——最小内部压力，MPa。其余参数见上文。各种系数取值可在规范中明确查阅。

由此可见，综合荷载组合校核在内压破裂和外压压溃的基础上，进一步考虑弯矩、轴向力等对海底管道结构的影响，对管道的基础状态下的附加荷载予以定量核定。其中，组合弯矩和组合应力的计算方法如下：

Msd=MF·γF·γC+ME·γE+MI·γF·γC+MA·γA·γC

(8)

Ssd=SF·γF·γC+SE·γE+SI·γF·γC+SA·γA·γC

(9)

式中，MF——功能荷载弯矩，kN·m；ME——环境荷载弯矩，kN·m；MI——干扰荷载弯矩，kN·m；MA——偶然荷载弯矩，kN·m；SF——功能荷载轴向力，kN；SE——环境荷载轴向力，kN；SI——干扰荷载轴向力，kN；SA——偶然荷载轴向力，kN；γF——功能荷载效应系数；γE——环境荷载效应系数；γA——偶然荷载效应系数；其余参数见上文。各种系数取值可在规范中明确查阅。

综合荷载组合分析将综合考虑管道所受的环境荷载和功能荷载，并联合管道内压或外压，以校核其强度能够满足要求。典型的功能荷载包括了管道轴向约束力、管道自重引起的弯矩等；环境荷载一般考虑了弹性敷设、水流冲击等引起的弯矩。综合荷载组合需判别并准确定义影响海底管道强度的各种工况，并采取有效措施予以消除。典型的海底管道综合荷载组合工况包括铺装分析、自由悬跨和弹性敷设等。