基于OrcaFlex的在役管道升溫局部屈曲校核

黃明哲，何楊，張永輝，劉偉

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

引言

我國海洋油田所產(chǎn)原油具有含蠟量高的特點(diǎn)，隨著海底管道服役時(shí)間變長(zhǎng)，保溫能力下降，溫度不足會(huì)導(dǎo)致蠟沉積現(xiàn)象的產(chǎn)生[1]。蠟沉積堵塞管道，需要頻繁進(jìn)行清管作業(yè)，極大增加了運(yùn)行成本，因此要求對(duì)管道的運(yùn)行溫度進(jìn)行提升。而管道升溫產(chǎn)生的熱膨脹易導(dǎo)致管道的失效，需要對(duì)管道進(jìn)行局部屈曲校核。

與設(shè)計(jì)階段的強(qiáng)度校核相比，對(duì)于在役管道的校核可適當(dāng)采用較為寬松的校核準(zhǔn)則，在保證安全性的同時(shí)，避免過于保守的校核結(jié)果增加運(yùn)行維護(hù)成本。本文以南海某油田現(xiàn)役單層輸油海管為研究對(duì)象，基于DNV-OS-F101（2013）規(guī)范[2]，分別采用荷載控制校核準(zhǔn)則與位移控制校核準(zhǔn)則進(jìn)行管道升溫的局部屈曲校核。該管道已服役運(yùn)行超20年，保溫效果明顯下降，運(yùn)行溫度需要從原設(shè)計(jì)溫度82.2℃提升至105℃。由于該管道立管部分采用J-tube拖拉方式安裝，常用的AutoPIPE有限元軟件無法模擬J-tube對(duì)管道的連續(xù)位移約束，故采用OrcaFlex有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

1 計(jì)算模型建立

管道模型示意圖如圖1所示，模型包括一條8”單層輸油海管以及12.75”的J-tube管道。海管長(zhǎng)約1.766km，立管部分采用J-tube拖拉方式安裝，J-tube兩端通過橡膠塞固定。

圖1 管道模型示意圖

管道參數(shù)如表1所示。

表1 管道基本參數(shù)

模型的建立基于以下假定：

（1）J-tube不發(fā)生變形，對(duì)輸油管道起約束作用；

（2）出于保守考慮，波流方向與直管至立管方向一致；

（3）不考慮溫降效應(yīng)，按105℃進(jìn)行熱膨脹量輸入；

（4）由于管道較短，經(jīng)熱膨脹計(jì)算，路由上沒有錨固段，并且管道兩端均連接平臺(tái)，摩擦力平衡點(diǎn)可視為管道中間點(diǎn)。故模型直管段取管道全長(zhǎng)1.766km的一半0.883km，端點(diǎn)可視為錨固點(diǎn)[3]。

使用OrcaFlex軟件建立了立管以及海底管道的有限元模型，如圖2所示。管道采用LINE單元，為保證計(jì)算精度，直管部分單元長(zhǎng)度設(shè)置為2m，彎管部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，單元長(zhǎng)度設(shè)為0.1m。

圖2 OrcaFlex有限元模型

安裝溫度為11.6℃，水深取路由最深水深117.51m。由于管道為現(xiàn)役管道，僅考慮操作期工況。一年重現(xiàn)期波流參數(shù)為：有義波高9.2m，峰值周期11.6s，流速1.22m/s。

2 管道局部屈曲校核方法

管道局部屈曲的校核采用DNV-OS-F101（2013）規(guī)范[3]，分別基于荷載控制校核準(zhǔn)則與位移控制校核準(zhǔn)則對(duì)管道進(jìn)行校核。

2.1 荷載控制條件（LCC）的校核準(zhǔn)則

承受彎矩、等效軸力和內(nèi)部超壓力作用的管件應(yīng)設(shè)計(jì)為在所有截面上滿足以下條件：

適用條件為15≤ D/(t2≤45,pi>pe,|SSd|/(Sp<0.4))。承受彎矩、等效軸力和外部超壓力作用的管件應(yīng)設(shè)計(jì)為在所有截面上滿足以下條件：

適用條件為15≤ D/(t2≤45,pi

以上式中：D為管道外徑；t2為管道壁厚（安裝期為名義壁厚，操作期考慮內(nèi)腐蝕后的壁厚）；MSd為設(shè)計(jì)彎矩；SSd為設(shè)計(jì)有效軸力；Mp為塑性彎矩抗力；Sp為塑性軸力抗力；pi為內(nèi)部壓力；pe為外部壓力；pb為破裂壓力；pc為特征壓饋壓力；αc為考慮應(yīng)變硬化的流動(dòng)應(yīng)力參數(shù)；γm為材料抗力因子；γSC為安全等級(jí)抗力因子；pmin為能經(jīng)受的最小內(nèi)部壓力。

對(duì)于彎管部分，由于與直管部分相比應(yīng)力分布有著顯著變化，采用簡(jiǎn)化的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)（ASD）準(zhǔn)則進(jìn)行校核。ASD準(zhǔn)則為：

σe≤η.fy

|σl|≤η.fy

其中，

式中：fy為設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度；η為利用因子；N為管壁作用力；M為彎矩，使用受拉側(cè)與受壓側(cè)中的最臨界值。

2.2 位移控制條件（DCC）的校核準(zhǔn)則

承受縱向壓應(yīng)變（彎矩和軸力）和內(nèi)部超壓力作用的管件應(yīng)設(shè)計(jì)為在所有截面上滿足以下條件：

適用條件為D/(t2≤45,pi≥pe)。

承受縱向壓應(yīng)變（彎矩和軸力）和外部超壓力作用的管件應(yīng)設(shè)計(jì)為在所有截面上滿足以下條件：

適用條件為D/(t2<45,pmin

式中：εSd為設(shè)計(jì)壓應(yīng)變；γε為應(yīng)變抗力因子；αh=(Rt0.5/Rm)max，取值見DNV規(guī)范中表7.5與7.11；αgw為焊縫因子。

通常情況下，荷載控制準(zhǔn)則更加嚴(yán)格，總可以代替位移控制準(zhǔn)則[3]。但結(jié)合本管道的具體情況分析，管道在J-tube中受到J-tube的形狀約束，可視為應(yīng)變控制；管道主要受到升溫產(chǎn)生的熱膨脹作用，靜荷載及環(huán)境荷載作用可忽略不計(jì)，也可視為應(yīng)變控制。因此有必要對(duì)該管道進(jìn)行位移控制準(zhǔn)則下的局部屈曲校核。

3 局部屈曲校核結(jié)果

校核計(jì)算采用UC值（UnityCheck）作為結(jié)果，UC值為第2章中各校核計(jì)算式結(jié)果與1的比值，UC值小于1則滿足校核條件。

（1）荷載控制條件校核

輸出管道LCC校核UC值沿管道長(zhǎng)度（以立管頂端為起點(diǎn)）變化圖如圖3所示，對(duì)彎管段（橫坐標(biāo)90m-140m）以外的直管段部分采用LCC校核，最大UC值為1.31。

圖3 LCC校核UC值沿管道長(zhǎng)度分布

對(duì)彎管段（橫坐標(biāo)90m-140m）采用ASD校核，輸出管道等效應(yīng)力和縱向應(yīng)力沿管道長(zhǎng)度分布如圖4、5所示。

圖4 等效應(yīng)力沿管道長(zhǎng)度分布

得到ASD校核結(jié)果如表2所示。

表2 管道ASD校核結(jié)果

圖5 縱向應(yīng)力沿管道長(zhǎng)度分布

基于上述結(jié)果，直管段LCC校核與彎管段ASD校核UC值均大于1，無法滿足荷載控制條件下的強(qiáng)度要求。

（2）位移控制條件校核

對(duì)管道進(jìn)行DCC校核，輸出DCC校核UC值如圖6所示。

圖6 DCC校核UC值沿管道長(zhǎng)度分布

最大UC值位于彎管段處，最大值為0.82，能夠滿足位移控制條件下的強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

本文使用OrcaFlex有限元軟件對(duì)J-tube內(nèi)輸油管道的升溫進(jìn)行了局部屈曲校核，并從校核結(jié)果中得到如下結(jié)論：

（1）OrcaFlex能夠較好地模擬J-tube內(nèi)管道升溫的熱膨脹效應(yīng)以及J-tube對(duì)管道的位移約束；同時(shí)OrcaFlex內(nèi)置的校核模塊能夠高效地進(jìn)行局部屈曲校核。

（2）相對(duì)于荷載控制校核條件，位移控制校核條件更加寬松，但應(yīng)用條件較為苛刻。對(duì)于該位移控制條件下的在役管道，可以考慮使用位移控制準(zhǔn)則進(jìn)行局部屈曲的校核。

（3）該管道直管段LCC校核及彎管段ASD校核均無法通過，雖然DCC可以校核通過，但彎管處產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變較大，在升溫后仍需要密切監(jiān)測(cè)該管道的運(yùn)行狀況。