海洋模塊鉆機(jī)高壓管道壁厚計(jì)算

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452)

國(guó)內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于管道的壁厚計(jì)算原理基本相通，差異在于對(duì)不同壓力等級(jí)的管道，GB 50316、GB/T 20801、SY/T 5244及相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)等壁厚計(jì)算的方法具有唯一性[1-3]，而美標(biāo)ASME B31.3給出了兩種不同的計(jì)算方法，其中壓力等級(jí)小于等于CL 2500的管道壁厚計(jì)算方法與國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)手冊(cè)算法一致；而對(duì)于壓力等級(jí)大于CL 2500的高壓管道，ASME B31.3給出了區(qū)別于常規(guī)管道設(shè)計(jì)的計(jì)算方法[4]。

模塊鉆機(jī)高壓管道系統(tǒng)相對(duì)于其他普通壓力管道系統(tǒng)，其壁厚減薄速率顯著增大，渤海部分平臺(tái)已根據(jù)檢測(cè)報(bào)告重新更換了高壓管道。國(guó)內(nèi)各大管匯廠家提供用于鉆井的高壓管道，其管道強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告顯示，管道的壁厚計(jì)算基本遵照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

海洋模塊鉆機(jī)高壓管道存在壓力等級(jí)大于CL 2500的工況，結(jié)合行業(yè)現(xiàn)狀出現(xiàn)的問(wèn)題，有必要對(duì)高壓管道的壁厚計(jì)算原理重新進(jìn)行分析研究，根據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)兩種不同的算法，按照海洋模塊鉆機(jī)的實(shí)際輸入工況進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，給出海洋模塊鉆機(jī)各尺寸高壓管道的推薦壁厚值。

1 高壓管道分類(lèi)

常規(guī)海洋模塊鉆機(jī)高壓管道按設(shè)計(jì)壓力等級(jí)通常分5 000 psi(p≤CL 2500)和10 000 psi(p>CL 2500)兩類(lèi)。壓力等級(jí)為5 000 psi的管道包含高壓鉆井液管道和節(jié)流壓井管道，壓力等級(jí)為10 000 psi的管道通常包含固井管道和節(jié)流壓井管道。國(guó)內(nèi)海洋模塊鉆機(jī)高壓鉆井液管道管徑尺寸為5 in，節(jié)流壓井管道管徑尺寸為4 in，固井管道管徑尺寸為3 in。

2 高壓管道壁厚計(jì)算方法的區(qū)別

對(duì)于5 000 psi和10 000 psi壓力等級(jí)的管道的壁厚計(jì)算，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一計(jì)算如下。美標(biāo)ASME算法則根據(jù)設(shè)計(jì)壓力等級(jí)給出了兩種不同的算法，5 000 psi(p≤CL 2500)壓力等級(jí)管道壁厚計(jì)算采用公式(1)，10 000 psi(p>CL 2500)壓力等級(jí)管道壁厚計(jì)算如下。

(1)

tm=t+c

(2)

c=c1+c0

(3)

式中:tm為計(jì)算的最小壁厚；t為管道的內(nèi)壓設(shè)計(jì)厚度；c為機(jī)械裕量(螺紋或溝槽深度)與腐蝕和磨蝕裕量總和；c1為內(nèi)裕量總和，c0為外裕量總和；p為設(shè)計(jì)內(nèi)壓(表壓)，kPa；D為管道外徑，mm；S為材料的許用應(yīng)力，kPa；E為質(zhì)量系數(shù)；W為焊縫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低系數(shù)；Y為材料溫度系數(shù)。

p>CL 2500

(4)

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與美標(biāo)ASME區(qū)別主要在10 000 psi壓力等級(jí)管道的算法選用上。

3 管道外徑

目前國(guó)內(nèi)外海洋平臺(tái)管道設(shè)計(jì)，其外形尺寸均按ASME B36.10M設(shè)計(jì)，模塊鉆機(jī)高壓管道外徑尺寸對(duì)照參見(jiàn)表1[5]。

表1 模塊鉆機(jī)高壓管道外徑尺寸

4 材料許用應(yīng)力

ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道材料許用應(yīng)力沒(méi)有給出明確的計(jì)算公式，該標(biāo)準(zhǔn)在附錄表A-1中列出了大量金屬材料在不同溫度環(huán)境下的許用應(yīng)力值，從附錄表A-1的材料許用應(yīng)力值和材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析、推導(dǎo)，可得出管道材料許用應(yīng)力值基本符合以下計(jì)算原則。

(5)

(6)

式中；ST為材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；SY為材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度，MPa。

國(guó)內(nèi)海洋模塊鉆機(jī)高壓管道常用的材料為API Spec 6A 75K等級(jí)材料,材料的抗拉強(qiáng)度最小為655 MPa,屈服強(qiáng)度最小為517 MPa[6],具體材料型號(hào)通常選用ASTM A519 4130[7]或35CrMo[8],根據(jù)上述管道材料許用應(yīng)力計(jì)算原則，海洋模塊鉆機(jī)5 000 psi及10 000 psi壓力等級(jí)的許用應(yīng)力值見(jiàn)表2。

表2 模塊鉆機(jī)高壓管道許用應(yīng)力值

5 設(shè)計(jì)余量

管道的設(shè)計(jì)余量包含機(jī)械余量、腐蝕余量和磨蝕余量。海洋模塊鉆機(jī)高壓系統(tǒng)管道因其介質(zhì)由重晶石、膨潤(rùn)土等固體顆粒物混合調(diào)配而成，且管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力高，介質(zhì)流速快，因此，設(shè)計(jì)余量須重點(diǎn)考慮介質(zhì)對(duì)管壁磨蝕產(chǎn)生的影響[9]，根據(jù)SY/T 5244 表A.2并結(jié)合多年海上平臺(tái)高壓管道使用調(diào)研及數(shù)據(jù)檢測(cè)，國(guó)內(nèi)模塊鉆機(jī)常規(guī)材質(zhì)的高壓管道設(shè)計(jì)腐蝕余量建議選為3 mm。

6 選取結(jié)果及差異對(duì)比

管道制造偏差通常按12.5%考慮[10]。為便于鋼廠管道批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，管道壁厚等級(jí)系列應(yīng)盡量滿足ASME B36.10M或圓整。根據(jù)SY/T 6962要求，模塊鉆機(jī)節(jié)流、壓井管道的內(nèi)徑不應(yīng)小于76.2 mm，根據(jù)鉆井作業(yè)需求，高壓泥漿管道內(nèi)徑不應(yīng)小于100 mm,固井管道內(nèi)徑不應(yīng)小于50 mm[11]。

輸入以上管道數(shù)據(jù)及要求進(jìn)行計(jì)算,得出美標(biāo)ASME B31.3管道壁厚計(jì)算選取結(jié)果見(jiàn)表3，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)管道壁厚計(jì)算選取結(jié)果見(jiàn)表4,兩種算法計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

表3 美標(biāo)管道壁厚計(jì)算選取結(jié)果

注：壁厚實(shí)際最小值為壁厚選取值減去12.5%的鋼廠制造負(fù)偏差。

對(duì)比總結(jié)如下。

1)5 000 psi高壓管道，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與美標(biāo)ASME管道壁厚計(jì)算原理及計(jì)算結(jié)果無(wú)差異。

2)10 000 psi高壓管道，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與美標(biāo)ASME采用了不同的計(jì)算公式，ASME標(biāo)準(zhǔn)算法引入了指數(shù)函數(shù)，重點(diǎn)考慮了設(shè)計(jì)壓力p值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并從兩者的計(jì)算公式可知ASME標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值大于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的壁厚計(jì)算值。

表4 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)管道壁厚計(jì)算選取結(jié)果

表5 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)管道壁厚計(jì)算差異對(duì)比

3)10 000 psi高壓管道，3 in固井管道ASME標(biāo)準(zhǔn)比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)壁厚理論計(jì)算值大2.56 mm，4 in節(jié)流壓井管道ASME標(biāo)準(zhǔn)比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)壁厚計(jì)算值大3.3 mm。

4)對(duì)于CL 2500以上管道，壓力等級(jí)越高，美標(biāo)與國(guó)標(biāo)壁厚計(jì)算值差異越大。

7 結(jié)論

海洋模塊鉆機(jī)5 000 psi等級(jí)高壓管道，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)算法原理相同，通過(guò)計(jì)算推薦4 in管道壁厚選取為XXS(17.12 mm)，5 in管道壁厚選取為XXS(19.05 mm)。

海洋模塊鉆機(jī)10 000 psi等級(jí)高壓管道，根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)壁厚計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果差異對(duì)比，美標(biāo)ASME B31.3較國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)算法要求更嚴(yán)謹(jǐn)，更安全?？紤]到海洋環(huán)境對(duì)模塊鉆機(jī)設(shè)施使用的局限性及苛刻要求，10 000 psi等級(jí)高壓管道壁厚計(jì)算方法建議選用美標(biāo)ASME B31.3。經(jīng)計(jì)算，推薦4 in管道壁厚選取為18 mm，5 in管道壁厚選取為19 mm。