溫度壓力影響下在役海底管道強(qiáng)度分析

裴國良　王林軍

摘 要：海底管道是海上油氣田開發(fā)的重要組成系統(tǒng)，依托已建海底管道進(jìn)行油氣水輸送是油氣田開發(fā)的重要方式。隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增加，其面臨的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，為了保證管道的安全運(yùn)營，需對(duì)海管的各種極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度校核，如何最大限度地利用其剩余能力是目前存在的問題。影響海底管道強(qiáng)度的主要因素有腐蝕缺陷、剩余壽命、設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力等。使用精確的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)可以很好地預(yù)判管道內(nèi)部的腐蝕缺陷，對(duì)沒有進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)的管道，應(yīng)按照原設(shè)計(jì)的腐蝕裕量進(jìn)行計(jì)算;對(duì)于依托海管剩余壽命小于新建油田設(shè)計(jì)壽命的情況，需保證新油田接入后滿足強(qiáng)度要求;對(duì)于超溫或者超壓運(yùn)行的海管需重新進(jìn)行強(qiáng)度校核以確保其可依托。

關(guān)鍵詞：溫度壓力;在役海底管道;強(qiáng)度

引言

隨著海底管道在役年限的增長，管道的腐蝕現(xiàn)象日益嚴(yán)重，從而導(dǎo)致其壁厚減薄，剩余強(qiáng)度和最大安全承壓能力降低，管道失效的可能性不斷增大。為確保管道的安全生產(chǎn)作業(yè)，有必要根據(jù)管道的檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估和安全性校核以指導(dǎo)管道的生產(chǎn)作業(yè)、維護(hù)維修乃至更換。

1海底管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，海底管道通常分為單層管道，雙層管道和集束管道。單層保溫管最常用的工藝方法如下：噴丸處理后，用環(huán)氧粉末對(duì)管道的外表面進(jìn)行噴砂處理，以進(jìn)行外部防腐，然后用聚氨酷冷卻，再敷以混凝土配重。其制造成本以及安裝成本低，多用于渤海灣和海灘等40米水深以下的區(qū)域;大多數(shù)雙層保溫管都采用以下工藝技術(shù)：使用硬質(zhì)聚氨酷泡沫對(duì)去除外表面銹蝕的內(nèi)管進(jìn)行隔熱，并使用3層PE對(duì)管道外壁進(jìn)行防腐處理。由于其高昂的建造成本，通常在深水或絕緣要求高的工程項(xiàng)目中使用;集束管的簇管工藝相對(duì)比較復(fù)雜，一般在岸上開闊的土地上建造后，借助浮動(dòng)拖曳或控制深度拖航進(jìn)行油氣資源的運(yùn)輸，安裝方法也較為獨(dú)特，多在國外石油公司的深水油田中應(yīng)用集束管道。單層管結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，根據(jù)其承載的介質(zhì)和涂層的類型分為單層配重管和單層保溫管。海底管道的雙層管的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)管是一種是絕熱的介質(zhì)輸送管，其輸送由海床產(chǎn)生的油、氣和水，通常涂有防腐蝕涂層的外管多用作運(yùn)輸管的保護(hù)外管，主要起到機(jī)械保護(hù)的作用。內(nèi)管和外管通過固定板（環(huán)）以分段連接，且內(nèi)部和外部管道之間的絕緣層多用聚氨酷泡沫和聚乙烯泡沫等材料填充。對(duì)于天然氣管道而言，通常不需要隔熱但要使用配重，因此多采用單層配重管。對(duì)于輸油管道或油氣集輸管道而言，通常需要進(jìn)行資源的保溫和運(yùn)輸，根據(jù)具體工程條件，可以使用單層保溫管或雙層保溫管。

2溫度壓力影響下在役海底管道強(qiáng)度分析

2.1單一因素的影響

管道輸送壓力與輸送溫度是水力熱力計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。在管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、輸送介質(zhì)性質(zhì)等恒定的情況下，管道的輸送壓力受管道輸量、輸送溫度的影響較大。本節(jié)探討壓力、溫度兩因素單一變化對(duì)海底管道強(qiáng)度的影響，即在現(xiàn)有輸送工況下，輸量對(duì)海管的臨界強(qiáng)度的影響。通過調(diào)整海管輸量，計(jì)算一定輸送溫度下的壓力變化以及一定輸送壓力下的溫度變化，進(jìn)而對(duì)比壓力和溫度對(duì)管道強(qiáng)度的影響程度。管道1是1條已運(yùn)行7年的輸油管道，在當(dāng)前輸量的工況下已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。以油田最新數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，保持75℃輸送溫度不變，通過調(diào)整輸量（輸量倍數(shù)從1增至1.5）使壓力由9.8MPa增至19.1MPa，將UC值隨壓力變化情況繪成曲線，UC值隨輸量倍率的增加呈線性增長趨勢(shì)。在1.2倍輸量下接近該海管強(qiáng)度臨界值，為了研究海管強(qiáng)度臨界狀態(tài)前后的影響規(guī)律，取1.2倍輸量下的設(shè)計(jì)壓力不變，通過反算得出不同輸量下的設(shè)計(jì)溫度，進(jìn)而校核出每個(gè)溫度/壓力組合下海管的UC值。當(dāng)輸量超過1.3倍倍率時(shí)，設(shè)計(jì)溫度超過130℃，該工況與實(shí)際不符，因此進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。將溫度變化時(shí)海管UC值的變化繪制成曲線，UC值隨溫度變化較大，且上升速率逐漸增大。為對(duì)比溫度、壓力2個(gè)因素的影響，壓力變化時(shí)與UC值曲線擬合度最高的為線性曲線，擬合公式為y1=0.782x+0.071，相關(guān)指數(shù)R2=0.987;溫度變化時(shí)的擬合度最高的為二次函數(shù)曲線，擬合公式為y2=15.086x2-30.418x+15.823，相關(guān)指數(shù)R2=0.992。在1.2倍輸量下兩曲線的斜率（UC值的增長速率）k2=5.788，k1=0.782，因此單因素變化時(shí)，溫度對(duì)海管強(qiáng)度的影響更敏感。為驗(yàn)證這一結(jié)論，對(duì)管道2進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。該管道已正常運(yùn)行8年，在當(dāng)前輸量的工況下已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，以該管道運(yùn)行階段數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中設(shè)計(jì)溫度為65℃、壓力為8.96MPa。保持設(shè)計(jì)溫度不變，通過改變輸量（輸量倍數(shù)從1增至1.5）改變壓力，繪制UC值隨設(shè)計(jì)壓力的變化曲線;取1.3倍輸量下的設(shè)計(jì)壓力不變，改變溫度，繪制UC值隨設(shè)計(jì)溫度的變化曲線，兩曲線相關(guān)系數(shù)均為0.999。溫度變化曲線的斜率大于壓力變化曲線，究其原因是由于此管道輸量較小且溫度較低，UC值未到達(dá)臨界值，這也驗(yàn)證了對(duì)于非臨界狀態(tài)的海管，溫度的變化對(duì)海管強(qiáng)度的影響更敏感。

2.2兩因素的影響

通過探討溫度、壓力同時(shí)變化時(shí)UC值的變化規(guī)律，從而判斷溫度、壓力在高溫/高壓輸送環(huán)境下的控制因素。管道2在現(xiàn)運(yùn)行階段尚未達(dá)到臨界狀態(tài)，選擇該管道進(jìn)行分析對(duì)后期運(yùn)行階段更具參考價(jià)值?？刂戚斄坎蛔儯淖儨囟纫缘玫綄?duì)應(yīng)的壓力。結(jié)合該管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，溫度變化范圍在45～70℃之間，以此為參考計(jì)算得到該范圍內(nèi)不同溫度和壓力的組合，對(duì)應(yīng)的壓力變化范圍在20.29～7.49MPa之間。不同組合工況下海管強(qiáng)度UC值如表3所示。從表3中得出，最大值0.664為7.49MPa@70℃的組合，最小值0.547為13.06MPa@55℃的組合，2條曲線均呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)溫度為55℃時(shí)，UC值最低;對(duì)于曲線圖中55℃工況左右兩區(qū)域，左側(cè)區(qū)域壓力較高，右側(cè)區(qū)域溫度較高，且左側(cè)區(qū)域的斜率高于右側(cè)區(qū)域，由此得出溫度越高，UC值增長的越快。在45℃工況時(shí)溫度最小、壓力最大，在70℃工況時(shí)溫度最大、壓力最小。目前在役海底管道的輸送壓力最大為20MPa左右，因此45℃工況時(shí)的壓力值已接近極限值。對(duì)于稠油管道輸送溫度往往會(huì)超過90℃，從該曲線的趨勢(shì)可以看出，當(dāng)輸送溫度繼續(xù)升高，UC值的增長速度越來越大。因此對(duì)于高溫/高壓條件下的海底管道，溫度對(duì)強(qiáng)度的影響更敏感。對(duì)強(qiáng)度處于臨界狀態(tài)的海底管道可以通過適當(dāng)降溫升壓的方法保證其可依托性，從而實(shí)現(xiàn)油田開發(fā)的降本提質(zhì)增效。

結(jié)語

在單因素改變的情況下，溫度對(duì)海管強(qiáng)度的影響更敏感，尤其是對(duì)于處于臨界狀態(tài)的高溫輸送管道，UC值隨溫度升高而急劇增長。在溫度、壓力同時(shí)改變的情況下，存在某溫度、壓力組合工況下UC值最小，此溫度/壓力組合點(diǎn)前后兩區(qū)域UC值均依次增大，且溫度升高時(shí)增長速率較快。對(duì)于高溫/高壓輸送管道，溫度因素是影響管道強(qiáng)度的主要控制因素，因此對(duì)于處于臨界狀態(tài)的海底管道可以通過適當(dāng)降溫升壓的方法保證其可依托性，從而實(shí)現(xiàn)油田開發(fā)的降本提質(zhì)增效。

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