水下分離器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的研究

秦 蕊 ， 李清平 ， 林 林 ， 朱生東

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000)

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水下分離器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的研究

秦 蕊1， 李清平1， 林 林2， 朱生東2

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000)

通過對水下分離器相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范的研究，為水下分離器的國產(chǎn)化設(shè)計提供技術(shù)支持?？紤]水下分離器使用環(huán)境的特殊性，對DNV RP F301、GB 150、ASME Ⅷ三個標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范從適用范圍、許用應(yīng)力規(guī)定、壁厚計算等方面進行比較分析，研究結(jié)果表明水下分離器的設(shè)計需以DNV-RP-F301水下分離器標(biāo)準(zhǔn)為總的指導(dǎo)原則和設(shè)計基礎(chǔ)，以ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范為水下分離器的強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

水下分離器；設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；許用應(yīng)力；壁厚計算

0 引言

隨著海上油氣田數(shù)量的迅速增加，水下新技術(shù)的應(yīng)用也越來越多，如水下分離技術(shù)、水下增壓技術(shù)等。為了解決油氣田生產(chǎn)后期儲層壓力降低，產(chǎn)出水增加的問題，多采用水下分離技術(shù)，即安裝水下分離器。目前，水下分離器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在國外三大廠家(FMC、Cameron和GE)手中，我國水下分離器設(shè)計的國產(chǎn)化研究(包括設(shè)計、材料、加工等方面)則剛剛起步。

水下分離器一般安裝在水下管匯的下游，是將生產(chǎn)流體進行水下分離的一種水下設(shè)備。由于水下分離器使用環(huán)境的特殊性，即外部環(huán)境條件是低溫、高壓，內(nèi)部流體特性是高溫、高壓，因此，其在設(shè)計時需要遵循相關(guān)的水下標(biāo)準(zhǔn)。

1 水下分離器的安裝位置

在傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，分離設(shè)備通常安裝在上部平臺上，而在當(dāng)前水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計中，則將分離設(shè)備布置在水下，傳統(tǒng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)流程與當(dāng)前水下生產(chǎn)系統(tǒng)流程如圖1、圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)流程圖

圖2 當(dāng)前水下生產(chǎn)系統(tǒng)流程圖

圖3 水下分離器

水下分離器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括分離器筒體、管道、閥門、儀表、框架等部件，圖3為Tordis油田的水下分離器[1]。

2 水下分離器的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

目前，關(guān)于水下分離器設(shè)計的專門標(biāo)準(zhǔn)只有DNV-RP-F301水下分離器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包括海底分離器(用于深水)的設(shè)計、制造、測試和認(rèn)證過程的一般要求，主要適用于石油和天然氣工業(yè)中安裝在深水的海底分離器。

考慮水下分離器使用環(huán)境的特殊性，可以采用壓力容器的設(shè)計方法進行水下分離器的設(shè)計，即需遵循GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)或者ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范的要求。同時，水下分離器作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計也應(yīng)遵循相關(guān)的水下標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如ISO 13628、GB/T 21412和API 17的水下標(biāo)準(zhǔn)。

3 標(biāo)準(zhǔn)對比

通過調(diào)研國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，經(jīng)過研究、對比后得出水下分離器的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)以下三個標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范進行：DNV-RP-F301水下分離器標(biāo)準(zhǔn)、GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范。下面主要從適用范圍、許用應(yīng)力規(guī)定、壁厚計算三個方面將三個標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范進行比較、分析。

3.1 適用范圍

(1) DNV-RP-F301水下分離器標(biāo)準(zhǔn)

DNV-RP-F301水下分離器標(biāo)準(zhǔn)主要適用于深水安裝的水下油氣生產(chǎn)分離器[2]。DNV-RP-F301水下分離器標(biāo)準(zhǔn)重點關(guān)注了水下分離器的安全設(shè)計原則，為了保證深水水下分離器的完整性，其安全設(shè)計原則包含不同方面的內(nèi)容，如設(shè)計原則和質(zhì)量保證、建造要求和操作考慮、系統(tǒng)檢查和安全目的。

(2) GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)

GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)基本上是按照壓力容器類型及容器主體材料來分別制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如鋼制壓力容器、鋁制壓力容器、臥式容器、塔式容器、鋁制焊接容器等[3]。對于鋼制容器來說，適用的設(shè)計壓力不大于35 Mpa。

(3) ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范

ASME Ⅷ是有關(guān)壓力容器的總體要求，為壓力容器的設(shè)計、材料選擇、制造、檢查、監(jiān)測、測試以及認(rèn)證都提供了依據(jù)[4]。ASMEⅧ壓力容器規(guī)范是根據(jù)不同的載荷規(guī)定引用不同的設(shè)計規(guī)范，如設(shè)計壓力小于20 MPa的選用ASME規(guī)范第Ⅷ卷第一分冊，設(shè)計壓力小于70 MPa的選用ASME規(guī)范第Ⅷ卷第二分冊，設(shè)計壓力大于70 MPa的選用ASME規(guī)范第Ⅷ卷第三分冊。

3.2 許用應(yīng)力規(guī)定

(1) GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)

GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定材料的許用應(yīng)力按表1的規(guī)定來選取[3]。

表1 GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力表

(2)ASMEⅧ壓力容器規(guī)范

ASMEⅧ壓力容器規(guī)范中規(guī)定在蠕變/斷裂溫度范圍以下，材料的許用應(yīng)力取下列情況的最低值[4]：(1) 室溫下規(guī)定的最小抗拉強度的1/4；(2)ASME規(guī)定溫度下抗拉強度的1/4；(3) 在室溫下，規(guī)定的最小屈服強度的2/3；(4)ASME規(guī)定溫度下屈服強度的2/3。

此外，對奧氏體不銹鋼、鎳和鎳合金，有兩套許用應(yīng)力值，對容許有稍大的變形之處可采用較高值溫度下屈服強度前的系數(shù)可以從2/3增加到0.9。

以水下分離器選用X70鋼材料為例來確定其許用應(yīng)力。X70鋼的最小屈服強度為485MPa，最小抗拉強度為570MPa。根據(jù)GB150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，X70鋼的許用應(yīng)力為323.33MPa，根據(jù)ASMEⅧ壓力容器規(guī)范的規(guī)定，X70鋼的許用應(yīng)力為142.5MPa，即對于同一種材料來說，ASMEⅧ壓力容器規(guī)范所規(guī)定的許用應(yīng)力較小。從水下分離器強度設(shè)計和可靠性設(shè)計的角度出發(fā)，應(yīng)選ASMEⅧ壓力容器規(guī)范所規(guī)定的許用應(yīng)力值進行水下分離器的設(shè)計。

3.3 壁厚計算公式

(1) GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)

GB 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，當(dāng)P≤0.4[σ]φ時，以內(nèi)徑為基礎(chǔ)的圓筒壁厚設(shè)計公式如下[3]：

以外徑為基礎(chǔ)的圓筒壁厚設(shè)計公式如下：

式中：δ為壁厚，mm；P為設(shè)計壓力，MPa；D為圓筒直徑，mm；[σ]為許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)。

(2)ASMEⅧ壓力容器規(guī)范

ASMEⅧ壓力容器規(guī)范中，規(guī)定以內(nèi)徑為基礎(chǔ)的圓筒所需壁厚的設(shè)計公式如下[4]：

以外徑為基礎(chǔ)的圓筒所需壁厚設(shè)計公式為：

式中：δ為壁厚，mm；P為設(shè)計壓力，MPa；R為圓筒內(nèi)半徑，mm；S為許用應(yīng)力，MPa；E為質(zhì)量系數(shù)。

以水下分離器選用X70鋼材料為例來進行壁厚計算。水下分離器的設(shè)計壓力設(shè)為10MPa，筒體直徑為305mm，X70鋼材料的許用應(yīng)力為142.5MPa，鋼材的焊接接頭系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)均為1，壁厚計算結(jié)果見表2。

表2 壁厚計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范的壁厚計算值相對較大。從水下分離器的強度設(shè)計要求和安全可靠性方面來考慮，應(yīng)選ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范作為水下分離器設(shè)計計算的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范依據(jù)。

4 水下分離器設(shè)計的引用標(biāo)準(zhǔn)

水下分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進行設(shè)計時，除需遵循通用規(guī)范外，針對具體的結(jié)構(gòu)還應(yīng)遵循相關(guān)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

4.1 管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

水下分離器的管道設(shè)計除可以遵循ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范的要求外，還可以參照壓力管道和海底管道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如ASME B31.3、DNV-OS-F101等標(biāo)準(zhǔn)。其中ASME B31.3是有關(guān)工藝管道的相關(guān)規(guī)范，主要為煉油、化工以及相關(guān)的工藝流程裝置和終端設(shè)備中的管道提供設(shè)計、制造檢驗等標(biāo)準(zhǔn)[5]；DNV-OS-F101海底管道標(biāo)準(zhǔn)則給出了海底管道系統(tǒng)的概念開發(fā)、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、操作和廢棄的指導(dǎo)[6]。

對于水下分離器的相關(guān)配管設(shè)計，可以選用ASME B31.3作為設(shè)計、制造、檢驗、試驗所遵循的規(guī)范。但對于水下分離器管道的應(yīng)力分析，ASME B31.3并沒有完全涵蓋，可以按照DNV-OS-F101的規(guī)定，使用CAESAR軟件或者采用EN13480標(biāo)準(zhǔn)進行管道應(yīng)力分析，此項也應(yīng)作為配管設(shè)計的一個必要環(huán)節(jié)。

4.2 水下分離器的標(biāo)準(zhǔn)引用體系

通過研究，對比、分析水下分離器設(shè)計的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，水下分離器各組成構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)引用體系見表3。

表3 水下分離器系統(tǒng)各子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)引用體系

其中：●表示選用的標(biāo)準(zhǔn)，○表示有標(biāo)準(zhǔn)但沒有采用，×表示沒有或未知相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

通過對水下分離器相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范的分析比較，得出水下分離器整體的設(shè)計、制造、檢驗所需遵循的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，即以DNV-RP-F301水下分離器標(biāo)準(zhǔn)為總的指導(dǎo)原則和設(shè)計基礎(chǔ)，以ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范為水下分離器強度設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。對于水下分離器的閥、儀表、管道等構(gòu)件除需遵循DNV-RP-F301水下分離器標(biāo)準(zhǔn)和ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范外，還需遵循相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。

另外，還需特別考慮以下兩個問題：

(1) 材料類別：水下分離器工作在海底高壓低溫的環(huán)境中，其材料的選擇要滿足一定的強度和穩(wěn)定性。按照DNV-RP-F301要求，水下分離器的材料如選擇碳鋼時，則其最小屈服強度為555 MPa或者選用雙向不銹鋼(鐵素體-奧氏體)22Cr或25Cr。

(2) 防腐方法：設(shè)計水下分離器時需要考慮的腐蝕因素主要有兩類，一類是筒體內(nèi)滯留的流體腐蝕，另一類是由于海洋環(huán)境引起的腐蝕，比如外部流體、縫隙腐蝕等。目前，NACE MR0175對于金屬材料的腐蝕防護方法有以下幾種：使用耐蝕合金鋼管材、使用涂鍍層油管、注入緩蝕劑、陰極保護等[7]。

[1] Van K V.Rune Fantoft, CDS Engineering and Chris Shaw and Henning Gruehagen, FMC Technologies. Comparison of Subsea Separation Systems[C]. OTC 20080, Presentation at the 2009 Offshore Technology Conference held in Houston, Texas, USA, 2009.

[2] DNV-RP-F301.水下分離器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].2007.

[3] GB 150.壓力容器標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2011.

[4] ASME Ⅷ. 壓力容器規(guī)范[S]. 2010.

[5] ASME B31.Process Piping[S]. 2010.

[6] DNV-OS-F101.Submarine Pipeline Systems[S]. 2010.

[7] NACE MR0175, Petroleum and natural gas industries-Materials for use in H2S- containing environments in oil and gas production-Part 1: General principles for selection of cracking-reslstant materials[S]. 2009.

Study on the Design Standards of Subsea Separator

QIN Rui1, LI Qing-ping1, LIN Lin2, ZHU Sheng-dong2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China;2. CNOOC Deepwater Development Ltd, Guangdong Zhuhai 519000, China)

By study the relevant design standards of subsea separator, a technical support for the domestic design of subsea separator is provided. Considering the particularity environment of subsea separator, a comparison among DNV-RP-F301, GB 150 and ASME Ⅷ is made. The comparison includes the scope, the provision of the allowable stress and wall thickness calculation. The results show that DNV-RP-F301 subsea separator standard should be taken as the general guiding principles and design basis, and ASME Ⅷ Boiler and Pressure Vessel Code have to be taken to the strength design of subsea separator.

subsea separator; design standards; allowable stress; wall thickness calculation

2015-02-12

國家科技重大專項子課題“水下氣液旋流分離器縮尺樣機研制”(2011ZX05026-004-01)；課題“荔灣3-1周邊氣田回接及后期濕氣增壓方案概念研究”(2014KYDD-001)。

秦 蕊(1985-)，女，博士。

1001-4500(2015)03-0011-05

P751

A