基于ASME Ⅷ分析要求的海底管道锚固件设计

2022-01-05孙国民余志兵

中国海洋平台 2021年6期

孙国民，王波，余志兵，赵党

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

海底管道作为海上油气流输送的主要手段之一，是海洋油气开发工程的重要组成部分。根据横截面结构形式的不同，海底管道可分为单层海底管道和双层海底管道两种类型。双层海底管道在安全性、可靠性和保温性等方面均优于单层海底管道，随之而来的缺点是成本较高，主要体现在材料费和海上施工费等方面。目前，双层海底管道在我国海上油气田开发中的应用更广泛。

锚固件是双层海底管道特有的结构件，用以将内管和外管进行刚性连接，同时实现结构之间的分隔密封和单/双层海底管道结构转换。在双层海底管道系统的设计过程中，锚固件的设计分析是重要的一环，须避免因锚固件破坏导致海底管道系统发生事故，如油气泄漏引起的海洋环境污染等。

1 锚固件及其设计

锚固件根据用途不同可分为Ⅰ型锚固件和Ⅱ型锚固件两类，如图1所示。其中：Ⅱ型锚固件用于双层海底管道端部，实现结构密封和单/双层海底管道结构转换；Ⅰ型锚固件用于双层海底管道上除端部以外的其他位置，起到结构分隔密封的作用。

图1 锚固件结构形式

海底管道规范DNV GL-ST-F101要求按照ASME Ⅷ Division 2、EN 13445、PD 5500或 API 6A其中之一进行锚固件设计分析[1]。目前，行业内常用的锚固件设计分析方法是弹性应力法。该方法除存在一些固有的局限性[2]外，在应力分类和结果后处理时在应力线性化位置和路径选择等方面通常面临一些困难，需要较高的技巧和经验。为避免上述问题，介绍一种弹塑性应力法进行海底管道锚固件设计分析。

2 ASME Ⅷ基于分析要求的设计方法

ASME Ⅷ Division 2介绍2种压力容器设计方法[2]，分别是基于规范要求的设计方法和基于分析要求的设计方法。海底管道锚固件属于压力容器，可按后一种设计方法进行设计分析。

基于分析要求的设计方法指出所设计的压力容器需进行4种失效形式评估，分别为塑性压溃失效、局部失效、屈曲失效和循环载荷失效。

(1)塑性压溃失效。指压力容器在外部载荷作用下引起的总体塑性变形破坏。有3种可选的分析方法，即弹性应力分析法、有限载荷法和弹塑性应力分析法，如表1所示。弹性应力分析法的缺点如下：对于几何形状或载荷状态较复杂的结构可能产生模棱两可的结果；对于厚壁结构(半径壁厚比小于等于4)，尤其是在结构不连续处，也可能产生不保守的结果。有限载荷法的使用也存在一些局限性。相比之下，弹塑性应力分析法更精确。

表1 3种分析方法比较

(2)局部失效。指压力容器在外部载荷作用下引起的局部断裂破坏。有弹性分析法和弹塑性分析法两种分析方法。弹性分析法是一种近似的局部失效评估方法，弹塑性分析法则更精确。

弹性分析法接受准则为

σ1+σ2+σ3≤4S

(1)

式中：σ1、σ2和σ3为主应力；S为设计温度下的许用应力。

弹塑性分析法接受准则为

εpeq+εcf≤εL

(2)

式中：εpeq为总等效塑性应变；εcf为成形应变；εL为三轴应变限值。εL的计算式为

(3)

式中：εLu为单轴应变限值；αsl为多轴应变限值；m2为应力应变曲线拟合指数；σe为von Mises等效应力。

(3)屈曲失效。指压力容器在外部载荷引起的压缩应力作用下的崩塌破坏。屈曲失效分析需要根据不同的分析方法，如不考虑几何非线性的弹性应力分析法、考虑几何非线性的弹塑性应力分析法和考虑缺陷的弹塑性应力分析法，选取不同的设计系数φB。同时，还需要根据压力容器形式确定能力缩减系数βcr。

(4)循环载荷失效。指压力容器在循环载荷作用下发生的疲劳破坏。在循环载荷失效分析前需要根据压力容器的受力状态进行筛查以确定是否有必要进行疲劳分析。若确需开展疲劳分析，则需要选择合适的疲劳寿命曲线，选择弹性应力分析-等效应力法或弹塑性应力分析-等效应变法进行疲劳评估。

3 分析算例及讨论

以东海某油田Ⅱ型海底管道锚固件为例，采用基于分析要求设计方法中的弹塑性应力法进行设计分析。该项目海底管道内管直径为273.1 mm，壁厚为14.3 mm，外管直径为406.4 mm，壁厚为14.3 mm，材质等级为API 5L PSL2 X65，材料应力-应变关系采用Ramberg-Osgood模型。其他设计参数如表2和表3所示。

表2 锚固件材料属性

表3 锚固件工艺设计参数

ASME Ⅷ Division 2基于分析要求的分析方法将载荷分为设计压力载荷、静载荷、动载荷和地震载荷等9类。结合海底管道锚固件所受载荷的类型和特点，可确定载荷工况组合如表4所示。

表4 锚固件设计载荷工况组合

算例未进行循环载荷失效校核，因为海底管道在设计寿命内的启动关停循环次数通常仅为几十次至上百次，即载荷循环次数较少，依据疲劳分析筛查准则，不会引起锚固件的疲劳失效问题。另外，在塑性压溃失效评估中，项目的服役准则由用户自定义为端部椭圆度变化不超过0.5%，内外端部相对位移不超过1%。

以正常运行工况下的分析结果为例，该Ⅱ型锚固件在相应载荷组合作用下：

(1)①结构整体保持稳定，如图2所示，满足总体准则。②端部椭圆度变化由小到大依次为0.003‰、0.025‰和0.036‰，分别发生在双层侧外管连接端、双层侧内管连接端、单层管连接端，均小于0.5%的接受标准；内外端部最大相对位移为0.47%，小于1%的接受标准，满足服役准则。

图2 锚固件应力云图

(2)未发生崩塌变形破坏，满足屈曲失效接受准则。

(3)总等效塑性应变εpeq最大值约0.35%，成形应变εcf可取0(锚固件在加工过程中采用热处理工艺)，两者之和(即累计塑性应变)小于三轴应变接受标准，如图3所示，满足局部失效接受准则。

图3 应变分析结果

综上所述，该锚固件满足ASME Ⅷ基于分析要求的塑性压溃失效、屈曲失效和局部失效要求，分析过程清晰明确。

若项目采用弹性应力分析法进行锚固件设计分析，则不可避免地存在如下问题：

(1)该锚固件半径壁厚比的最大值约2.51，小于4，属于厚壁结构。根据规范提示，弹性应力分析法的分析结果，尤其是在结构不连续处，往往也是应力最大最危险的区域，可能产生不保守的结果，存在一定风险。

(2)弹性应力分析法在进行应力线性化时存在困难。①应力线性化的位置与接受准则紧密相关，但关于线性化的位置一般只有定性描述而没有定量要求，因此难以确定应力线性化的精确位置，无法与接受准则准确匹配；②为获得准确的结果，应力线性化路径需要同时满足多项与应力分布、壁厚中心线和内外壁表面等有关的要求。在实际执行中往往难以同时满足这些要求，对结果的准确性影响较大。