海洋柔性復(fù)合軟管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗分析

廖立斌* 于銀海

（海洋石油工程股份有限公司）

在海洋油氣田開發(fā)過程中，海洋復(fù)合柔性軟管的應(yīng)用越來越廣泛。柔性軟管具有可連續(xù)安裝鋪設(shè)，可適應(yīng)海底復(fù)雜地形，耐腐蝕，可重復(fù)利用等優(yōu)點[1]。目前，國內(nèi)有多家企業(yè)開展了海洋柔性軟管的技術(shù)研發(fā)和引進，并在多個工程項目中進行了實踐應(yīng)用[2-3]，國產(chǎn)化軟管生產(chǎn)和安裝技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，大幅降低了軟管的制造和安裝成本，促進了柔性軟管在我國海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用。本文以某油氣田輸氣柔性軟管為例，介紹了柔性軟管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和各種性能試驗，驗證了海洋性軟管的強度，以期為后續(xù)海洋軟管項目提供參考。

1 概況

為了緩解渤海某油田天然氣排放壓力，提升天然氣回收利用率，新增了一條輸氣管線，把分離的天然氣輸送到陸地。為降低采購和安裝費用，該管道擬采用海洋復(fù)合柔性軟管，設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)如表1 所示。

2 軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鑒于該管道的適用水深較小，輸送介質(zhì)壓力不高，因此軟管設(shè)計為無鋼骨架層，分別由內(nèi)芯管、2個壓力鎧裝層、2 個抗拉鎧裝層、8 個防磨層、中間包覆層、4 個保護層和外包覆層組成，其結(jié)構(gòu)形式圖1 所示。

表1 管道設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)

圖1 軟管結(jié)構(gòu)示意圖

壓力鎧裝、拉力鎧裝和保護層均由碳鋼鋼帶構(gòu)成，壓力鎧裝和保護層的截面尺寸為1.3 mm×62 mm，其抗拉強度為400 MPa；拉力鎧裝層的截面尺寸為3 mm×8 mm，其抗拉強度為480 MPa。根據(jù)作業(yè)海區(qū)實際水深和潮汐變化情況，該軟管的最大設(shè)計水深為23.29 m，管道的設(shè)計性能參數(shù)如表2 所示。

2.2 強度分析

API Specification 17J "Specification for Unbonded Flexible Pipe"標準中規(guī)定了不同工況下的利用因子，工廠驗收測試（FAT）情況下應(yīng)力利用因子為0.91，操作和安裝工況下的應(yīng)力利用因子為0.67，任何情況下的允許應(yīng)變?yōu)?.7%?？紤]焊接衰減，鎧裝層和保護層許用應(yīng)力取抗拉強度的0.8。

軟管強度分析結(jié)果如表3 所示。

表2 管道設(shè)計參數(shù)

表3 軟管各層強度分析結(jié)果

由于3 %的尺寸公差導(dǎo)致的最大應(yīng)變小于5.31%， 所有負載情況滿足API 17J 規(guī)范要求。計算得到的軟管壓潰壓力為0.274 MPa，對應(yīng)水深為27.4 m,根據(jù)API 17J 規(guī)范要求，需要考慮0.85 的安全系數(shù)，因此其壓潰壓力為0.232 9 MPa，對應(yīng)水深為23.29 m，大于最大水深（23.23 m），滿足設(shè)計要求。

3 原型試驗

根據(jù)API Recommended Practice 17B 規(guī)范要求，軟管設(shè)計完成后，需要對軟管的各項參數(shù)進行原型試驗，主要包括爆破試驗、外壓壓潰試驗、徑向擠壓試驗、軸向壓縮試驗、拉伸試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、彎曲剛度試驗及拉彎組合試驗等，確保軟管的性能滿足設(shè)計基礎(chǔ)要求，并為安裝、設(shè)計、分析以及施工資源選型提供參考。

3.1 爆破試驗

爆破試驗的目的是測量管道的爆破壓力。該軟管設(shè)計壓力為6.2 MPa，靜液壓測試壓力為設(shè)計壓力的1.5 倍（9.3 MPa）。爆破壓力應(yīng)不小于24.76 MPa。試驗件（不含接頭）長度選取2 m，試壓介質(zhì)為水。爆破試驗前50%檢驗壓力的升壓速率最大不超過1%/s，剩余50%檢驗壓力的升壓速率最大不超過50%/min，連續(xù)升壓至其爆破；同時接頭失效或增強鎧裝層從接頭拉脫等情況不應(yīng)發(fā)生，爆破試驗原理如圖2 所示。

圖2 爆破試驗原理圖

試驗結(jié)果表明：軟管最大壓力可達40.161 MPa，保壓時間為20 min，試驗期間無壓力突降現(xiàn)象，管道未損壞，符合驗收標準，時間-壓力曲線如圖3 所示。

圖3 爆破試驗時間-壓力曲線圖

3.2 外壓壓潰試驗

壓潰試驗的目的在于測量壓潰臨界力和壓潰形狀，保證軟管應(yīng)用安全。該DN 200 mm 軟管只包含內(nèi)襯層，因此不考慮抗壓層和抗拉層的影響，不含接頭的情況下軟管長度要求1 m 以上。在室溫下開展試驗，將試樣軟管兩端密封放入壓力艙，蓋上端蓋，連接注水加壓管線，并連接壓力測量傳感器，緩慢加壓，加壓速率不超過10 MPa/min。同時觀察壓力曲線的變化，以壓力曲線突降作為壓潰現(xiàn)象發(fā)生的判斷依據(jù)，壓潰后立即停止加壓，記錄圖像和數(shù)據(jù)，將管道取出，拍照記錄，并在四周安裝剛性支桿限制管道軸向位移。壓潰試驗原理如圖4 所示。

圖4 外壓壓潰試驗原理圖

壓潰檢驗分2 組進行，2 組軟管檢驗過程中的時間-壓力曲線如圖5 所示。2 組檢驗的壓潰值分別為2.33 MPa 和2.375 MPa，均遠大于規(guī)范要求的0.358 MPa，符合驗收標準。

圖5 試樣時間-壓力曲線

3.3 徑向擠壓試驗

徑向擠壓試驗是模擬實際工況下張緊器履帶的擠壓測試，從而評估管道的抗擠壓能力，以API Recommended Practice 17B 規(guī)范規(guī)定的橢圓度要求為參考，檢查該管道所能承受的橫向抗壓力。試驗件長度應(yīng)不小于2 倍螺旋鎧裝層最長螺旋節(jié)距，本次試驗樣管長度為0.5 m，測試在室溫下進行。試驗原理如圖6 所示。

圖6 徑向擠壓試驗原理圖

試驗過程如下：將管道安裝在萬能檢驗機上，用木制墊塊和壓頭夾住管道的中間部位，測量管道初始內(nèi)徑，計算其初始橢圓度；對管道進行橫向擠壓加載，從 0 逐漸加載到設(shè)計抗壓載荷，加載速率不超過最大載荷的1%/s；加載至最大設(shè)計抗壓載荷后，保持至少1 h，測量管道內(nèi)徑變化，計算其橢圓度；將試樣卸載至自由狀態(tài)，1 h后，測量管道卸載后的內(nèi)徑，計算其卸載后的橢圓度。

試驗結(jié)果表明：樣管初始橢圓度為1.76%，抗壓載荷加載到2.5 t 保持一段時間后卸載，管道橢圓度為2.86%，小于標準要求3%，符合驗收標準。

3.4 軸向壓縮試驗

為了測定管道的軸向抗壓強度，需要對軟管進行軸向壓縮試驗，試驗軟管長度不小于2 倍的螺旋鎧裝層最長螺旋節(jié)距，選取樣管長度為0.5 m。將管道安裝在萬能檢驗機上，對管道進行縱向擠壓加載。試驗裝置如圖7 所示。

圖7 軸向壓縮試驗裝置圖

試樣的位移-力曲線如圖8 所示，軸向管道壓力達到30.66 kN，卸載壓力后放置1 h，測量樣管的軸向長度，樣管已恢復(fù)原長、無損壞,符合驗收標準。

3.5 拉伸剛度試驗

拉伸剛度試驗用于檢驗接頭結(jié)構(gòu)的連接可靠性和測定管道的拉伸剛度，試驗件總長度為5 m,其中管體長度為2 m，接頭采用法蘭連接。將管道安裝在拉伸檢驗機上，以1 mm/min 的速率對管道進行拉伸試驗，其試驗原理如圖 9 所示。

圖8 軸向壓縮位移-力曲線圖

圖9 拉伸剛度試驗原理圖

檢驗過程中的位移-力曲線如圖10 所示，最大拉力為300 kN，管道無破壞，拉伸剛度為1.12×108N。

圖10 拉伸位移-力曲線圖

3.6 扭轉(zhuǎn)剛度試驗

扭轉(zhuǎn)剛度試驗的目的是為了確定管道主體承受扭轉(zhuǎn)的性能指標，檢驗兩端連接件密封與承受扭轉(zhuǎn)的性能指標。試驗件總長度為5 m,其中管體長度為2 m，接頭采用法蘭連接，長度應(yīng)大于兩倍截距。將管道固定在扭轉(zhuǎn)試驗機上，一端固定，在另一端緩慢施加扭矩，直至扭轉(zhuǎn)一定角度，測得扭矩大小以及旋轉(zhuǎn)角度；將加載端按照同樣的速度反向扭轉(zhuǎn)，直至扭矩為零，等待10～30 min，按照卸載的方向繼續(xù)加載，測得扭矩大小以及旋轉(zhuǎn)角度；根據(jù)扭轉(zhuǎn)角和扭矩計算管道的扭轉(zhuǎn)剛度。試驗原理如圖11 所示。

圖11 扭轉(zhuǎn)剛度試驗原理圖

試驗結(jié)果表明：測試過程中最大拉力為30.473 kN，力臂為0.65 m，樣管長度為5 m，扭轉(zhuǎn)角度為2.15°，管道無破壞，扭轉(zhuǎn)剛度為2 639.2 kN·m2。

3.7 彎曲剛度試驗

彎曲剛度試驗用于衡量管道的彎曲性能。試驗件總長度為5 m,其中管體長度為2 m，接頭采用法蘭連接。管道兩端采用絞支，通過對連接在管體中間的梁上施加作用力，并測量中點和距離中點200 mm 處管體的位移H。試驗原理如圖12 所示。

圖12 彎曲剛度試驗原理圖

測試中彎矩M 最大值為4.588 5 kN·m，彎曲剛度為65.63 kN·m2，管道無破壞。

3.8 拉彎組合試驗

拉彎組合試驗?zāi)M管道的鋪設(shè)過程，確保管道滿足鋪設(shè)設(shè)計要求，且在額定拉伸和彎曲載荷下仍可以正常工作。試驗件總長度為5 m,其中管體長度為2 m，接頭采用法蘭連接。將柔性管一端固定在地錨螺栓上，另一端與一臺20 t 手動葫蘆相連接，將柔性管道繞在一個彎曲支架上，支架的曲率半徑為4 m，緩慢拉動手動葫蘆，使柔性管彎曲，在柔性管道彎曲時要保證管道與彎曲支架接觸，拉伸載荷達到300 kN；保持0.5 h 后緩慢卸載，測量卸載后管道的橢圓度。試驗原理如圖13 所示。

圖13 拉彎組合試驗原理圖

將柔性管一端固定，另一端與一臺20 t 手動葫蘆相連接；將柔性管道繞在一個彎曲支架上，支架的曲率半徑為4 m；緩慢拉動手動葫蘆，使柔性管彎曲，拉動過程中要保證管道與彎曲支架接觸，在拉伸載荷達到300 kN，彎曲半徑為4 m 的情況下，管道未發(fā)生破壞。

4 結(jié)論

海洋復(fù)合柔性軟管在海上油氣田的開發(fā)中應(yīng)用越來越廣泛，國產(chǎn)化軟管的設(shè)計和生產(chǎn)能力已大幅提高，自主技術(shù)實施能力已趨于成熟。根據(jù)油田輸送工藝和應(yīng)用海域環(huán)境條件，在強大的分析計算能力支持下，確保設(shè)計的軟管滿足相關(guān)規(guī)范的要求。但軟管正式生產(chǎn)前，仍有必要提前制作部分試驗管道，進行各種工況下的不同性能試驗，一方面進一步驗證軟管的可靠性，另一方面能更加有效地指導(dǎo)安裝設(shè)計和施工。在推動柔性軟管應(yīng)用的同時，應(yīng)加強在役軟管的運營狀態(tài)監(jiān)測和檢測技術(shù)的研發(fā)能力，并提升維保能力，為柔性軟管的安全運營提供堅實的保障。