某钻采船高压泥浆管路系统应力分析及设计优化

潘元憨 杨达梅

摘    要：某钻采船是一艘具有钻探能力的地质研究船，高压泥浆和固井系统是该船的主要功能系统。为确保高压泥浆和固井系统管系在工作过程中不因应力集中导致管线破裂，本文应用CAESAR II软件对压力高于42MPa的系统管路进行应力分析计算，并结合船体加速度情况进行了载荷工况组合设计，根据计算结果，对系统的管线布置、支架位置等设计进行了调整优化，确保系统安全运行。

关键词：CAESAR II；高压泥浆系统；应力分析

中图分类号：U664.84                            文献标识码：A

Stress Analysis and Design Optimization of High-pressure

Mud Piping System of Drilling Vessel

Pan Yuanhan，   Yang Damei

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： A drilling vessel is a geological research vessel with drilling capability，the high-pressure mud and cementing system is the main functional system of the vessel. In order to ensure that the high-pressure mud and cementing system piping system does not break due to stress concentration during operation，  CAESAR II software was used to calculate the stress analysis of the system piping with pressures higher than 42 MPa in this paper，the calculation combined with the acceleration of the ship hull to design the combination of load conditions， and combined with the calculation results， the system piping arrangement， bracket position and other design adjustments were optimized to ensure the safe operation of the system.

Key words： CAESAR II;   High pressure slurry system;  Stress analysis

1     前言

我國对天然气等能源的需求，伴随着高速度发展而稳步提升。国家能源局发布的《中国天然气发展报告（2022）》指出，在世界天然气贸易成交量下滑、价格大幅度升高的情况下，我国天然气进口量同比增长达19.9%，管道气同比增长22.9%。天然气能源的应用与国家工业建设、人民生活有着重大影响，为优化国家能源结构，减少能源依赖性，加快深海科技事业建设，充分发挥我国海洋资源优势是我国经济发展建设重要任务。

海洋深水区的勘探工作是未来深海科技事业的基础，钻采船的高压泥浆和固井系统的正常运行是其勘探工作开展的重要保障。泥浆系统始终处于高压条件下工作，若管路设计因应力集中或船体加速度等因素造成破裂，将造成重大的经济损失。随着科学技术手段的提升，工程设计的可靠性可通过相关软件模拟计算得到很大程度改善，高压管路的校核计算在化工领域应用较为普遍，有较为完善的标准法规。本文使用CAESAR II软件，对高压泥浆和固井系统中压力高于42 MPa的管路进行了应力校核分析，包括一次应力、二次应力及偶然荷载情况下的相关应力计算。计算充分考虑结构加速度对系统的影响分析，确保高压泥浆和固井系统满足相关规范要求及其运行安全。

CAESAR II软件由美国COADE公司研发主要用于管道系统的设计及分析。该软件管道应力校核涵盖了ANSI/ASME B31.1、B31.3等标准，检验范围包括应力、设备接口、法兰泄露校核等，还可根据系统和实际情况，对管路系统在风载、波浪载荷、地震载荷及结构加速度等偶然荷载情况下的应力情况进行分析。

本项目将系统生产设计放样模型数据作为CAESAR II软件中高压泥浆管路建模的输入数据开展建模工作，合理设置计算工况组合，对高压泥浆管路的位移、载荷及应力计算等方面进行了校核及优化。

2    应力分析计算

管路的应力分析，包括静力分析和动力分析：静力分析包含一、二次应力的分析；动力分析主要对系统在地震、水锤等冲击作用下的振动分析；若系统中配置了往复压缩机或往复泵等动力设备，也可对系统进行设备运行工况下动力分析，本文不对管路作动力分析。

2.1  一次应力计算

一次应力是为了平衡由压力、重力等外部持续载荷所需要的应力。一次应力随外部载荷的增加而增加，但当管道内的塑性区扩展达到极限状态，即使外部载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动直至破坏可通过增加管道刚性来解决一次应力过大问题。

管道工艺标准 ASME B31.3 要求重力和压力引起的轴向应力不超过材料在设计温度下的许用应力，其校核条件如下。

SL≤Sh

式中：SL——一次应力，Mpa；

F——持续载荷产生的轴向力，N；

A——管道横截面积，mm2；

P——设计压力，Mpa；

D——管道平均直径，mm；

S——管道壁厚，mm；

M——合成弯矩，N.mm；

W——抗弯截面模量，mm2。

2.2   二次应力计算

二次应力是指由于热涨、冷缩引起的位移载荷作用下产生的应力，其为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所需的应力。二次应力具有自限性，可通过局部的屈服或者变形使得位移约束条件或管道自身变形连续要求得到满足。

在ASME B31.3 中，二次应力校核准则为位移应力不得超过许用值：

SE≤SA

式中：SC—冷态基本许用应力，MPa ；

Sh—热态基本许用应力，MPa ；

SL—持续应力，MPa ；

SA—許用位移应力范围，MPa ；

f—在设计使用寿命内，考虑总循环次数影响的许用位移应力范围减小系数。

3    计算实例

某钻采船高压泥浆管路系统，是国内建造的一艘钻采船上的泥浆管路系统。该船设计建造关键技术研究，属于2021年广东省海洋经济发展（海洋六大产业）专项资金项目。

3.1   应力分析

（1）边界条件

高压泥浆系统设计压力7 500PSI（约51.7 MPa），高压固井系统及阻流压井管汇设计压力15 000PSI（约103.4 MPa）；系统工作温度-20 ℃～70 ℃，最大环境温度45 ℃，最低环境温度-20 ℃，安装温度20 ℃；介质密度：0.002 kg/cm3；管子材质为A519 AISI4130的钢结构。

应力计算需要考虑风浪诱导或航行等情况下产生的加速度偶然载荷对系统的影响，由系统设计方提供系统各工况下的加速度（见表1），以各方向的最大加速度作为整个系统的均布载荷。本系统船宽方向、垂直方向及船长方向的加速度分别为0.99倍、0.72倍及0.7倍重力加速度。

（2）约束条件

约束条件主要指管道支吊架在管路布置中对管道系统的约束作用。管道支吊架主要用于管道的支撑或对管道位移的约束，分为固定支架和导向支架，是管道系统的重要组成部分。支吊架的设计影响管路的应力计算结果，若支吊架设计不当，可能出现因不能承受管道重量引起的荷载使管道一次应力超标的情况；另外，通过支吊架的设置，可以控制管道系统的变形，从而减少管道二次应力和管道对设备的推力，保证管道和设备的正常运行；管道支吊架按功能划分可分为承重架和限制性管架两种。承重架主要为承受管道重量荷载，限制性管架主要用于限制、控制管道的位移。

（3）载荷类型

本系统应力分析荷载，如表 2所列。重力、内压力荷载为持续荷载，船体加速度荷载为偶然荷载；持续荷载与偶然荷载过大，会引起管道破坏；温度荷载为位移荷载，管道变形后荷载减轻。

（4）工况组合

应力分析工况组合是否合理，关系整个系统设计的合理性和经济性。工况组合太过简单，可能导致系统载荷校核不够全面；而工况组合太过复杂赘余，则导致需要对管路系统进行大幅度修改造成成本的浪费。

应力计算工况的组合，主要基于系统原理图的要求、管线的布置及系统运行的环境等因素，结合管道工艺标准ASME B31.3设计规范，合理确定计算载荷和工况组合。表3为高压泥浆管路系统校核工况组合表。

（5）计算结果

通过对上述工况计算分析发现，高压泥浆管路系统在序号为 L5、L7、L8、L8及L17工况下，其应力超出管道工艺标准 ASME B31.3 规范要求，而且应力集中点相同。

3.2   管路优化

通过计算结果可以看出：在 L5、L7、L8、L8及L17的工况下，节点2 855～2 870存在应力结果较为危险或不满足管道工艺标准 ASME B31.3规范的情况，因此需要消除管路中的应力集中。

从图1可以看出：主要原因是节点位于弯管处，因此只要在倾管中点部位增加一个支架即可解决管子应力过大情况。为此，对解决方案重新建立模型，并计算出新的应力结果，其应力满足设计规范要求。

4     结束语

本文以某钻采船高压泥浆和固井系统的技术规格书、系统原理图及船厂生产设计阶段的系统模型为计算输入条件，通过使用CAESAR II建立模型，模型的约束类型、管夹位置及类型、穿舱形式及位置与计算输入保持一致，并根据管道应力理论和静载荷下的一次和二次应力分析方法，对模型进行静应力分析计算。根据计算结果，发现初步的模型存在应力集中的情况，通过调节管道支架数量及位置调节模型应力集中点，使管道的设计满足相关要求，确保了管道的运行安全性，为系统设计的管道布置、设备布置以及支吊架设置提供了理论参考。该方法解决了高压管道的应力集中问题，对今后类似的高压管道的应力分析具有一定的借鉴和参考价值。

参考文献

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