淺水經濟性柔性管道加強設計

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柔性管道由于具有較小彎曲半徑, 能承受較大的變形, 因此被越來越廣泛的應用于海洋石油開發中。柔性管道主要是由起密封作用的高分子材料與起加強作用的金屬材料組成, 加強結構可以采用粘結與非粘結兩種形式, 其中非粘結結構有更大的設計空間[ 1] 。柔性管道需要根據功能與環境荷載進行針對性的加強設計, 其中影響荷載的因素是水深。隨著水深的增加, 由于自重引起的拉伸荷載也隨之增加, 要進行拉伸剛度設計; 隨著水深的增加徑向外壓也隨之增加, 為了防止壓潰破壞, 要進行徑向剛度設計[ 2] 。為了同時保證較小彎曲剛度與彎曲半徑, 加強結構也比較復雜,因此對于深水開發的柔性管道的造價比較昂貴, 通常只在動態立管中應用, 很少使用在遠距離的海底管道。由于柔性管可采用安裝速度快的卷管法進行鋪設, 同時具有可回收性及較好的防腐性等優點。對于較淺水應用柔性管道, 由于拉伸與外壓荷載都比較小, 可以簡化結構進行經濟性的結構設計, 對邊際油田的開發具有一定的吸引力。對于淺水應用的海底管道, 鋪設過程拉伸荷載是控制荷載, 可以主要對拉伸剛度進行加強設計, 并對其它荷載進行驗證。對適于渤海邊際油田開發海底管道, 設計了一種非粘結經濟型柔性管。建立了拉伸剛度分析模型, 提出抗拉加強設計方法。對基于拉伸加強設計的管道進行了進行足尺拉伸試驗, 并進行壓潰實驗和最小彎曲半徑實驗對設計進行驗證。實驗結果表明能夠滿足渤海海底管道使用要求。1 􀀁 海洋柔性管道結構柔性管道分為粘結與非粘結兩類結構形式。粘結管的密封橡膠材料與加強金屬材料通過粘結劑粘結在一起[ 3] , 而非粘結管的密封聚合物材料與加強金屬材料之間無粘結劑, 可以發生相對滑動。由于非粘結管工藝限制較少, 并且設計的自由度較大, 可根據實際要求增加或減少相應的功能結構層達到不同的要求。在海洋管道設計中, 與陸上的管道設計相同, 管道設計應首先滿足傳輸介質的內部壓力的要求; 此外, 不同于陸地管道設計, 海洋管道設計還要滿足安裝與在位狀態的各種荷載要求。由于深水和淺水的荷載要求不同, 因此深水和淺水可設計不同結構型式的柔性管。由于管道本身的自重及海洋環境荷載作用, 在鋪設及在位工作過程中管道都要承受一定的拉伸及外壓等荷載作用。深水柔性管必須抵抗較大的拉伸荷載, 同時還需要考慮抵抗靜水外壓引起的壓潰破壞。因此用于深水立管的柔性管, 要求具備承受較大抗拉伸與抗外壓的能力。如圖1 所示其加強作用的螺旋金屬層從功能上基本分為三類[ 4] : 骨架( 最內層) 為接近90􀀁的互鎖鋼條螺旋結構, 其截面形狀一般為S 型, 主要防止外壓荷載下的壓潰破壞; 抗壓鎧裝層為接近90􀀁的Z 型互鎖鋼條螺旋纏繞, 抵抗徑向內壓和外壓, 對于承受較高壓力的管道來說, 可再增加一層高角度的鋼條纏繞以增加徑向承載力; 抗拉鎧裝層是由兩層反向的鋼絲螺旋纏繞構成, 截面一般為30􀀁~ 55􀀁的矩形或者圓形, 抵抗軸向拉力、扭矩和部分徑向壓力。深水柔性管結構和工藝也較為復雜, 其設計與制作技術目前被國外少數公司所控制, 如Wellstream、Technip、Dunlop Oil & Ma􀀁rine Ltd 以及NKT 等。對于淺水應用時, 海底管道承受的靜水壓力較小, 鋪設過程中的拉伸荷載通常是控制荷載, 主要是拉伸剛度的設計, 相比深水結構, 對徑向剛度設計要求較低。因此可以考慮不使用互鎖的金屬材料骨架層和抗壓鎧裝層, 簡易使用接近90􀀁的不同厚度扁鋼纏繞提供不同徑向剛度, 達到淺水使用要求。淺水柔性管主要設計抗拉鎧裝層以及扁鋼纏繞層, 使得其滿足拉伸以及外壓、彎曲的性能要求。我國渤海灣的海洋石油開采大多處于淺水域, 且邊際油田較多, 因此我們需要可考慮區別于已有國外結構復雜、成本高昂的柔性管道, 以抗拉設計為主要的指標, 同時滿足其他如外壓和彎曲的指標, 設計適于我國渤海等淺水域應用的簡易經濟性柔性管道, 降低造價, 打破國外的專利技術封鎖。

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2012-12-14 15:07 上傳

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