海洋平台井口管道评估优化设计

崔艳红，王 乾，冉庆富，赵 斌，刘 浩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋石油平台是海上实现油气开采、处理、集运等功能的主要设施之一， 分为钻井平台、井口平台、中心平台和生活平台等[1]。井口平台中与采油树相连的井口管线输送介质一般是高温、高压且易燃易爆，井口管道区域是整个平台中安全级别最高区域，属于一类一级危险区域。井口管道的可靠性直接影响整个平台的安全运行，是需要重点关注的管道系统[2]。

国内某海洋平台开采多年，平台油气井采出程度较高，现场使用临时管线进行气举生产，以适应生产的临时试验需求，但临时管线的使用可能带来风险，需要进行评估和优化设计。

文章以该项目井口临时气举管线安全分析评估为例，论述评估内容和方法，以及不同工况下的评估结果，分析现场气举管道的安全性和合理性，为后续项目提供借鉴和参考。

1 管道评估内容

该项目运行投产时间为12 a，其油田压力比预期下降快，需要进行井口管线调整，进行气举升压，因此需对临时管线进行安全评估。评估内容包括：不同年限工况下的管道最小壁厚、管道应力及管道布置是否合理。

1.1 涉及管道

项目一共涉及三条井口管道，管道属性如表1。

表1 临时井口管线表

从气举管汇到B2气井的管线，管线号为B1，管线尺寸为2寸，所连接B2气井采油树API 6A法兰尺寸为4 1/16″。从B2气井到BB5油井的管线，管线号为B2，管线尺寸为2寸，所连接BB5油井采油树API 6A法兰尺寸为3 1/2″。从B7气井到AA7油井的管线，管线号为B7，管线尺寸为2寸，所连接B7气井采油树API 6A法兰尺寸为3 1/2″，所连接AA7气井采油树API 6A法兰尺寸为3 1/2″。

1.2 评估内容

(1)临时钻井管线使用年限。核实临时钻井管线使用时间要求，以及相关规范对临时管线使用时间的限制要求。

(2)对已安装临时钻井管线分析评估。对于已经安装的井口管线进行应力分析，评估现场管线应力情况，支架需求情况。

(3)计算分析已经安装的临时管线尺寸及壁厚，核实管线最小壁厚及腐蚀余量是否满足要求。

2 管道评估方法

管道安全评估主要遵循ASME B31.3《工艺管道》，进行管道应力和管道壁厚的校核计算，核算在不同工况下的应力应变水平和壁厚余量是否满足规范要求。

2.1 管道壁厚计算评估方法

管道壁厚计算按ASME B31.3《工艺管道》中的壁厚计算公式(1)、(2)进行，应保证管道设计年限的实际壁厚大于管道所需的最小壁厚tm，以防止管道发生破坏。

(1)

tm=t+C

(2)

式中：tm是包括机加工、腐蚀在内的所需最小壁厚；t是压力设计厚度；P是设计压力；D是管道外径；S是材料许用应力；E是质量系数；W是焊缝接头强度降低系数；Y材料系数。

2.2 管道应力分析评估方法

对于临时气举管线的应力分析，主要采用CAESAR Ⅱ计算软件与图表计算相结合的方法。对支撑结构、管线走向、支架约束等进行模拟后，对管线应力、热位移变形、固有频率、支架承受载荷等进行分析校核；采用API 6AF的法兰受力许用图表对法兰的受力进行分析校核。

管道应力分为一次应力(持续应力)、二次应力(位移应力)和偶然应力校核。其中一次应力主要是由于压力、重力及其他外力载荷产生的持续应力，管道一次应力应不大于材料的热态许用应力。二次应力主要是由于管道温差变化产生的位移应力，管道二次应力应不大于位移许用应力范围。偶然应力主要是风及地震等偶然力产生，管道偶然应力应不大于材料热态许用应力的1.33倍[3]。

提高管道固有频率是管道模态分析的内容，主要是为了提高管道系统的抗干扰能力，防止管道发生共振，造成管道破坏。管道固有频率越高，管道刚度越大，其抗干扰能力越强。一般要求管道最低固有频率为2.55 Hz[4]。

3 管道壁厚评估

腐蚀速率见表2。

表2 管道腐蚀速率

根据管道材质及设计压力参数，按公式(1)、(2)计算管道壁厚。计算结果如下：

对于管线B1，最小计算壁厚为5.54 mm。

对于管线B2，按1 a设计寿命计算，最小计算壁厚为10.11 mm(管线出厂壁厚为9.6 mm)。根据材料的腐蚀速率计算，管线达到最小壁厚(压力设计壁厚)的时间估计为11.3个月。

对于管线B7，按1 a设计寿命计算，最小计算壁厚为4.74 mm。根据材料的腐蚀速率计算，管线达到最小壁厚(压力设计壁厚)的时间估计为36.7个月。

4 管道应力评估

获取项目基础数据并进行工况设计，利用CAESAR II软件进行分析校核，并利用图表法对井口法兰进行受力评估。

4.1 基础数据

(1)平台地震加速度。平台地震加速度是根据对应地震载荷对整个平台的作用，属于偶然载荷。项目的地震加速度为：X=0.147 g,Y=0.157 g,Z=0.189 g，X为南北向，Y为高度方向，Z为东西向。

(2)设计风速。项目设计风速按百年一遇的3 s阵风风速60.7 m/s；

(3)管道材质及特征属性。临时管线为40CrMo材质2″管线，最小壁厚是9.6 mm，采用由壬连接。CAESAR Ⅱ软件中采用对应的美标材料为AISI 4140进行计算，管道材料的机械性能如表3。

表3 管道材料属性

(4)流体介质。B1介质密度为74.359 0 kg/m3，B2介质密度为77.606 kg/m3，B7介质密度为32.379 6 kg/m3。

4.2 分析模型

模型边界条件假设如下：

(1)管汇接入处——管汇刚度和质量(管汇主管为3″，壁厚为15.24 mm的碳钢管线)与2″接管相比要大很多，因此接口处按六向限位支架处理。

(2)采油树位移——采油树位移按100 mm进行模拟。

管道应力模型如图1。

图1 应力分析模型

4.3 应力评估

根据项目要求，在计算中的设计寿命分为1 a期和10 a期进行计算评估。

4.3.1 1 a期设计寿命评估

根据管道壁厚计算，管线B2腐蚀后的壁厚为0.85 mm(9.6 mm～8.75 mm)，不满足管道最小壁厚要求，B2管线已失效，1 a期校核仅对B1, B7管线进行计算。

持续态工况、偶然态工况以及二次应力工况最大应力节点均出现在B1管线上。B1 管道二次应力工况应力超标120%，不满足标准要求，B7管道规范应力满足规范要求。

管道B1和B7在安装状态下的最大垂直为2.5 mm，满足位移小于25 mm的要求，且周围空间满足要求。

核实管道支架载荷情况，根据法兰受力与API 6AF 中法兰许用载荷的对比评估结果，法兰不会发生泄露。通过计算分析，管系的最低固有频率为1.35 Hz低于2.55 Hz。管线的最低固有频率偏低，刚度和稳定性不足，其抗干扰载荷的能力不足，易产生振动和低周疲劳。

对于1 a期的设计寿命而言，管道的应力评估见表4。

表4 1 a期应力评估

4.3.2 10 a期设计寿命评估

根据管道壁厚计算，管线B2的腐蚀量87.5 mm及B7的腐蚀量23.6 mm已超过所使用管线的出厂最小壁厚9.6 mm，B2及B7管线已失效，不再进行管道应力计算。文章仅对管线B1进行计算。

管道一次应力和偶然应力在标准允许范围内，但是二次应力大于标准规范的允许应力，应力比超过110%，不满足设计规范要求。

在安装状态下的最大垂直位移为：Y方向0.129 mm,竖直向下，小于25 mm，满足要求，在正常操作工况下管道未与其他管线管件及构筑物等发生碰撞干涉。

管道支架载荷在安装和操作状态下载荷较小，但支撑物强度不够，不满足要求。根据法兰受力与API 6AF 中法兰许用载荷的对比评估结果，法兰不会发生泄露。通过计算分析，管系的最低固有频率为1.85 Hz低于2.55 Hz，不满足要求。

对于10 a期的设计寿命而言，管道的应力评估见表5。

表5 10 a期应力评估

4.4 管道设计优化

通过计算分析，现有管线的二次应力超标，一般降低二次应力的方法是增加管道的柔性。对于项目而言，二次应力的超标是由于采油树附加位移导致的，降低的方法有：

(1)减小采油树附加位移值。计算模型假设采油树附加位移值为100 mm，当采油树位移值降低到70 mm时，管线路由不变的情况下，管道二次应力能够降低到80%以下，满足标准规范要求。

(2)增加采油树附近水平管道的长度。在附加位移100 mm不变的情况下，通过增加管道长度的方法(图2为建议的两种方法)，可以将管道二次应力降低到80%以下，满足标准规范要求。

图2 应力分析模型

对于支撑物强度不够的问题，可采用用型钢替换枕木的方式，提高支架承载物的强度和刚度，使其满足支架荷载要求。

管道固有频率不满足要求，管道操作状态位移较大等问题，可以调整管线的走向，采用增加管道限位等方式进行调整。

5 总结

结合现场调研情况并依据设计基础资料，通过建立CAESAR II应力分析模型对现场的管线进行详细的应力分析和评估，依据API 6AF标准，对采油树油嘴法兰进行了泄漏校核，对管道承受内压时最小计算壁厚做了详细计算。

1)建议根据管道腐蚀速率，采用合适的管道材料，避免管道的过度腐蚀。

2)管道应力水平超标，管道固有频率不满足要求，管道操作状态位移较大等问题，建议调整管线的走向，采用限位支架或固定支架等方式进行调整(延长连接采油水平管线的长度，使用U-bolt等)。

3)对于管道最小壁厚的计算是基于理论计算和腐蚀速率(未考虑缓蚀剂)，建议作业方应定期进行壁厚检测，以便得出实际腐蚀速率，加强管道壁厚监测，避免出现安全风险。