一种基于SACS软件的膨胀弯拆除回收吊装分析方法

◎李晓明 姜学录 杜颖 赵刚 刘汉卿 海洋石油工程股份有限公司

近年来，随着海上油田开发的迅速发展，平台的增多，海底管道也越来越多，膨胀弯是海底管道路由中不可或缺的环节，数量庞大。不仅新铺设海底管道中需要安装大量的膨胀弯，同时，随着平台设施和海底管道设施的老龄化，到达服役年限，需要进行拆除回收的海底管道和膨胀弯，在近年来也逐渐显现。

下面以渤海某油田拆除回收膨胀弯分析为例，介绍一种新的膨胀弯拆除回收吊装分析方法，该方法采用Bentley公司开发的SACS程序进行模拟计算，荷载校核依据规范DNVOS-F101荷载和抗力系数设计方法。

1.拆除回收吊装分析需要特殊考虑的因素

拆除回收膨胀弯吊装分析和安装膨胀弯吊装分析有所不同，比如需要考虑以下几点：

（1）新安装的膨胀弯吊装分析中，不需要考虑腐蚀问题，而拆除回收旧膨胀弯时，需要根据服役年限，或检测记录，考虑一定的腐蚀及壁厚减薄，但重量上还是采用原始厚度的重量，即“减薄不减重”。

（2）膨胀弯吊装过程中，有在水中的工况和在空气中的工况，由于在水中有浮力，因此，在空气中吊装的工况是关键工况。安装膨胀弯吊装分析中，空气中吊装工况只考虑空管，即管内没有冲水的工况即可，而拆除回收吊装分析工况，需要考虑，膨胀弯出水瞬间，管内充满水这一极端工况。

（3）由于拆除回收的旧膨胀弯，在水下放置多年，如果回收前不进行吹泥处理，或吹泥进行的不彻底，需要考虑适当的泥土覆盖。并且如果膨胀弯底部陷入泥土中，还需要考虑吸附力的作用，由于这部分作用，根据不同的土壤数据和膨胀弯入泥的情况，差别很大，因此，可能导致膨胀弯出泥的瞬间是最危险工况。

以上是通常需要考虑的因素，一些特殊情况，可以额外考虑其他因素，比如如果有海生物，需要考虑海生物重量，一般拆除前需要将管道完全清洗干净，如果可能存在少量油气残留的情况下，需要设计防污染设施。

2.拆除回收吊装力提取

以渤海湾某油田拆除回收膨胀弯吊装分析为例，介绍SACS与DNV规范相结合的膨胀弯拆除回收吊装分析方法。

3.基于拆除回收膨胀弯吊装的设计假设及模拟

3.1 设计假设

本次模拟是取膨胀弯刚出水，且管内充满水的极端工况来分析。

按照施工方案，回收膨胀弯前需要清理压块，和进行彻底的吹泥清理，使膨胀弯彻底暴露在海床上，因此本次计算不考虑土壤吸附力。

由于本研究的膨胀弯已经服役10多年，因此本计算规范校核中考虑腐蚀，根据规格书腐蚀余量3mm，在套管（采用较保守分析）均布腐蚀，套管壁厚12.7mm-3mm=9.7mm。在计算结构自重时是以原厚度来考虑。

为了保证钢丝绳吊装角度，经过试算后，确定该节膨胀弯的吊高为35m，钢丝绳水平角度大于60°，符合规范要求。

3.2 结构加载

膨胀弯钢管结构自重（包括膨胀弯套管、内管及海水、隔热层和防腐层的重力之和，其中，内管及海水、隔热层和防腐层的重量等通过修正套管的密度实现，修正套管密度后由程序自动计算），膨胀弯两端法兰重量（两个法兰的重量以集中力的方式进行加载）分别加载于膨胀弯的两端，该膨胀弯两端均为0.631T。

3.3 受力结果提取

为了下一步采用DNV-OS-F101规范进行校核，需要在SACS 结果中，提取所有杆件的轴力和弯矩，从中分别选出最大的轴力和弯矩，进行规范校核，这样得到的结果可以覆盖比较危险的节点。

4.规范校核

4.1 规范校核

规范校核部分，对于膨胀弯拆除回收吊装分析和安装吊装分析类似。本次荷载校核是依据DN VOS-F1012000规范执行，该规范把载荷分类为：功能载荷、环境载荷、建造载荷（又分为功能载荷和环境载荷）和偶然载荷。海底管道系统的每个部分都应按照最不利的荷载组合进行设计。

根据规范DNV-OS-F1012000，分别根据荷载控制条件和位移控制条件进行屈曲校核。采用荷载控制条件下的屈曲校核更加保守。因此，本次校核选用了荷载控制条件。管件经受弯矩、有效轴力和内部超压力作用的所有横截面应设计成满足公式1。膨胀弯及海底管线的吊装工况适用于该方程。

作为比较和参考，管件经受弯矩，有效轴力和外部超压力的所有的横截面也要被计算，并满足公式2。

式中：γSC为安全等级抗力系数；γm为材料抗力系数；αc为流动应力参数；Mp为塑性弯矩；Sp为特征塑性轴力；pb（t2）为爆破压力。

设计荷载一般可以用以下形式表示：

式中：Md为设计弯矩；MF为设计弯矩；ME为环境弯矩；MA为偶然弯矩；Sd为功能轴力；SF为功能轴力；SE为环境轴力；SA为偶然轴力。

吊装工况下的特征载荷是基于SACS软件进行分析的，从SACS计算结果中提取出管线的功能轴力和弯矩用于荷载校核。荷载校核应选取膨胀弯最危险的截面。在分析中，环境弯矩和轴力一般分别取功能弯矩和轴力的30%和15%。

规范DNV-OS-F1012013中，对公式1和公式2进行了修改，分别为公式6和公式7。

式中：MSd为设计弯矩；SSd为设计有效轴力；pi为内部压力；pe为外部压力；pb为爆破压力；Sp和Mp为管道的塑性轴力、弯矩；pmin为管道的最小内部压力；pc为压溃参数。每个参数的具体含义或公式需要查看规范中的解释。

分别比较式1和式6，式2和式7，其中的γSC·γm为大于1的数，所以，2013版规范一般情况下更保守一些。但膨胀弯吊装计算中，只要合理布置钢丝绳的吊点位置，钢丝绳角度和长度，大部分情况下，UC值（实际值和许用值之比）较小，一般小于0.8，本案例的拆除回收吊装分析采用的2000版规范，UC值0.659可接受，如果UC值较大，可再用2013版规范加以验证，但重点在于调整钢丝绳的布置，降低应力水平。

4.2 校核结果

本次计算选取了膨胀弯最危险截面在荷载控制条件下进行了荷载校核。基于SACS模拟的计算结果，根据规范计算出相应的UC值。最大的弯矩、轴力和UC值的结果汇总如表1。所有管段UC值均小于1.0，符合设计规范要求。

表1 膨胀弯荷载校核

5.结语

本文以一个工程实例，介绍了一种简便易学的基于SACS软件的膨胀弯拆除回收吊装分析方法，并重点介绍了拆除回收分析的特殊性，方法可操作性强。比较了DNV-OS-F1012000和DNV-OS-F1012013两个版本的规范中主公式的差异，由于拆除回收吊装分析一般为废弃管线，且一般原始设计或安装阶段采用较早版本的规范，加之拆除回收吊装过程在管道全生命周期中一般并不是最危险工况，因此，采用DNV-OS-F1012000规范校核也是被证明有效的。在很少数应力较接近极限水平（UC值超过0.8）时，建议通过调整吊点位置、调整钢丝绳角度、增加钢丝绳数量等方式，降低应力，并用2013版规范加以验证。另外，如果将规范校核部分的公式编辑成计算表格，更可以提高计算效率，也更易于普及。