淺談超高溫高壓深海管道工程設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)與對策

周子鵬　馮現(xiàn)洪　劉彩虹

摘要：隨著國內(nèi)外深海區(qū)域油氣田資源的大力開發(fā)，超高溫高壓管線的使用正在逐漸增多，這些海底管道的介質(zhì)溫度接近177℃，水深最深達(dá)3000m，最大操作壓力高達(dá)44.8 MPa。這些工況參數(shù)都是海底管線設(shè)計(jì)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些復(fù)雜嚴(yán)峻的工況，能夠進(jìn)行熱膨脹管理和基于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的“管中管”被廣泛應(yīng)用于超高溫高壓海底管道。本文根據(jù)國際先進(jìn)成果和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述了超高溫高壓工況下海底管道設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和較為成熟的解決方案，為國內(nèi)深海管道工程設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：深水管道；超高溫高壓；海底管道；總體傳熱系數(shù)；管中管；熱絕緣

在國內(nèi)外一些深海油田開發(fā)中，海底管道工作壓力溫度不斷攀升工作溫度已接近177°C，最大容許操作壓力（MAOPs） 達(dá)到44.8 MPa，水深也深達(dá)3000m。這些極限工況對海底管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求和挑戰(zhàn)，在國際較為成熟的項(xiàng)目中，“管中管”的結(jié)構(gòu)型式得到了廣泛的應(yīng)用，在這種“管中管”的設(shè)計(jì)和材料選擇中存在許多難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[1]。該結(jié)構(gòu)型式的海底管道在國內(nèi)還鮮有應(yīng)用，本文根據(jù)國際先進(jìn)成果和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述了超高溫高壓海底管道設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和較為成熟的解決方案。

1.超高溫高壓海底管道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

對于超高溫高壓海底管道的設(shè)計(jì)有一系列難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[2]，主要的工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)列舉如下：

（1）高壓高溫的設(shè)計(jì)工況。目前國際深海油氣田開發(fā)工程中意見開始研究高達(dá)177°C的操作溫度了。常規(guī)海底管道的基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已經(jīng)不再適用，會導(dǎo)致管道厚度過大。需要使用基于極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，同時(shí)分析所采用的軟件工具與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的匹配性也是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。目前國際常見的解決方法是采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

（2）熱量控制管理。高溫會使管線產(chǎn)生很大的軸向載荷，從而導(dǎo)致管線發(fā)生側(cè)向屈曲或者隆起屈曲。其中不可控的側(cè)向屈曲會使管線產(chǎn)生過大的塑性變形，導(dǎo)致局部屈曲，或者由于操作期溫度不斷地升降而產(chǎn)生循環(huán)的疲勞破壞。這個(gè)問題可以通過采用熱量控制管理理論并結(jié)合枕木或者浮力來克服。

（3）熱力學(xué)性能設(shè)計(jì)。管道內(nèi)部的熱量流動問題是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，主要是為了確保管線內(nèi)部介質(zhì)能夠保持在一定的溫度之上，以防蠟和形成水合物導(dǎo)致管道堵塞。這些熱力學(xué)性能的要求和工作水深限制了常規(guī)濕式保溫材料應(yīng)用，因此管中管的結(jié)構(gòu)型式成為了可行的解決方案。

（4）管中管結(jié)構(gòu)中內(nèi)管極限承載能力。內(nèi)管設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是其在服役期內(nèi)所承受巨大的內(nèi)壓和溫度。內(nèi)部的超高溫高壓會是會產(chǎn)生很大的軸向壓縮載荷，并與內(nèi)管安裝時(shí)的載荷相疊加，當(dāng)這個(gè)載荷超過內(nèi)管極限承載能力時(shí)，會導(dǎo)致內(nèi)管產(chǎn)生巨大變形和斷裂屈曲。因此為了避免內(nèi)管在服役期失效，在工程設(shè)計(jì)時(shí)要選取一個(gè)適當(dāng)?shù)牟僮靼踩禂?shù)，并采用有限元軟件詳細(xì)地分析研究壓縮載荷對內(nèi)管極限承載能力的影響。

2.超高溫高壓海底管道工程設(shè)計(jì)的常規(guī)解決方案

對于超高溫高壓管線設(shè)計(jì)需要解決一些特別復(fù)雜問題，而解決問題的能力可以通過技術(shù)革新、經(jīng)驗(yàn)和使用先進(jìn)的分析軟件來獲得[3]。

（1）超深水工況工程設(shè)計(jì)方法的最優(yōu)解決方案是采用DNV的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)范來確定管子壁厚以簡化、優(yōu)化設(shè)計(jì)。即極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，為了準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測管線在高溫條件下的失效，需要確定管線的極限狀態(tài)以便獲得合適的設(shè)計(jì)載荷安全系數(shù)。極限狀態(tài)包括局部屈曲、環(huán)向應(yīng)力、應(yīng)變能力和疲勞。為了研究極限狀態(tài)，通常采用有限元模型來提供管線的響應(yīng)數(shù)據(jù)作為每種極限狀態(tài)的輸入數(shù)據(jù)，并使用DNV OS-F101， API RP 1111， DNV RP-F110等標(biāo)準(zhǔn)校核極限狀態(tài)[4，5，6]。

（2）高溫高壓和熱膨脹管理解決方案。對于高溫高壓管線的熱膨脹管理只有幾種設(shè)計(jì)方案。當(dāng)對管線加溫時(shí)，管線就開始膨脹，由于土壤摩擦力產(chǎn)生的抗力，管線如果不能自由膨脹將會產(chǎn)生很大的軸向力，如果管線暴露在海床上，大的軸向力會導(dǎo)致管線發(fā)生側(cè)向屈曲，如果管線被限制在后回填的管溝里又會導(dǎo)致隆起屈曲。所以必須控制住這些大的軸向力，潛在的解決方案有膨脹彎、觸發(fā)初始屈曲、縱向擴(kuò)展，例如用預(yù)安裝的枕木或浮力塊來控制軸向載荷的增強(qiáng)。

（3）熱力性能解決方案。高溫油井流體在產(chǎn)品流里可能會含有蠟/瀝青烯/水合物，或者長距離輸送要求高的熱力性能。整體熱交換系數(shù)必須很低（<1 W/m2K）。為了保持高溫和長的冷卻持續(xù)時(shí)間需要利用管中管技術(shù)。一些新開發(fā)的高科技材料，例如氣凝膠，已逐步用于管體環(huán)形空間內(nèi)，相對于傳統(tǒng)的聚氨酯泡沫材料，它有著更好的熱力性能并能為管中管提供很好的整體熱交換系數(shù)。

（4）軟土條件下的工程設(shè)計(jì)。在軟土條件下，管土之間的庫倫摩擦模型不再適用，必須對不同粘土類型的側(cè)向和軸向位移建立包括峰值和殘余載荷的非線性管土載荷-位移關(guān)系曲線。模擬管土相互作用的能力是非常重要的，包括海床/管線摩擦接觸面、初始沉降、土坡等。如果要模擬側(cè)向屈曲并準(zhǔn)確預(yù)測，則必須考慮土壤沉降和正確的抗力對于軸向和側(cè)向。

（5）有限元分析軟件。采用先進(jìn)的有限元分析工具是超高溫高壓管線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。管線、管中管組件、管土相互作用、材料的非線性和大位移的模擬是很復(fù)雜的，須使用已經(jīng)認(rèn)證過的有限元軟件模擬內(nèi)管載荷、側(cè)向屈曲和3D海床這些設(shè)計(jì)狀況。該有限元軟件必須是高非線性的，并要有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來運(yùn)行合理的循環(huán)次數(shù)，運(yùn)行模型要相對快一些，而且不能為分析結(jié)果而等待數(shù)天。

3.結(jié)語

在國內(nèi)大力開發(fā)深海油氣資源的背景下，深海高溫高壓管道是保證深海油氣田中的動脈工程，但對于這一方面的研究，國內(nèi)還甚是缺乏，因此對工程公司和設(shè)計(jì)人員而言，最高效的方法是對國外先進(jìn)工程經(jīng)驗(yàn)的引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新。充分掌握國際通用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法，靈活運(yùn)用現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)開展設(shè)計(jì)研究，再將設(shè)計(jì)難點(diǎn)逐個(gè)突破并不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保工程設(shè)計(jì)成果安全可靠可行。

參考文獻(xiàn)：

[1] Paul Jukes，Ayman Eltaher， Jason Sun and Gary Harrison “Extra High-Pressure High-Temperature Flowlines – Design Considerations And Challenges”，OMAE2009-79537

[2]. Harrison， G. McCarron， B.， 2006， “Potential Failure Scenario for High Temperature， Deep water Pipe-in-Pipe”， OTC 18063， （May 2006）.

[3]. McCarron， B.， 2005， “Yielding of Inner Pipe Components in XHPHT PIP Flow lines”， ASGM， （August 2005）.

[4]. ASME， 2003， “Gas Transmission and Distribution Piping Systems”， B31.8.

作者簡介：周子鵬，（1983-），工程師，碩士；2005年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)并獲碩士學(xué)位；主要從事海底管道工程設(shè)計(jì)和海洋平臺管道設(shè)計(jì)工作。