2. 青岛迪玛尔海洋工程有限公司
2. DMAR Engineering, Inc
0 引言
水下生产系统脐带缆在海洋油气田开发中连接浮式生产设施与水下生产系统[1],负责从平台向水下生产系统输送电能或传递电信号、液压信号及化学药剂等。脐带缆功能单元通常由电缆(动力缆或信号缆)、光缆、液压或化学药剂管(钢管或软管)组成[1]。为了保证脐带缆具有足够的强度,承受安装和运行过程中的各种载荷,需要设计钢丝铠装层。同时铠装层可以有效增加脐带缆的质量,降低海流拖曳力引起的脐带缆侧向位移,避免变形过大引起脐带缆的过度弯曲[2-3]。
脐带缆上部通过悬挂装置连接在浮动平台上,缆体置于水中,在环境载荷和浮体运动的影响下,缆体会承受拉伸和弯曲载荷。由于脐带缆截面中铠装钢丝单元和钢管单元刚度约占整个截面拉伸刚度的90%,所以这2种单元承受脐带缆主要的拉伸载荷。除此之外,钢管单元还要承受工作流体内压和外部静水压的作用。钢管单元控制着水下生产设施的生产作业,其可靠性对整个油气田的开发具有重要意义。
在脐带缆设计中,需要对钢管单元在各种载荷作用下的结构应力进行计算,对钢管壁厚进行详细的设计分析,确保其具有足够的安全余量满足使用要求[4]。ISO 13628-5规范给出了钢管设计的指导性意见和内、外压引起的应力分析方法[4]。但规范对拉伸、弯曲载荷及钢管轴向应力分析方法并未进行说明。笔者结合规范要求,对脐带缆初步设计阶段的测试、安装及运行工况载荷进行了总结,并给出了应力分析方法,以期为海洋油气田脐带缆钢管单元设计提供参考。
1 脐带缆样缆及钢管单元设计方法为了研究不同水深条件对脐带缆钢管单元设计的影响,笔者假设某功能要求相同的脐带缆要在水深100、300和1 500 m的3个油气田应用。脐带缆截面单元要求为:3个额定600 V的4芯6 mm2电缆单元,1根6芯光缆和6根内径为12.7 mm的双相不锈钢管,压力等级为34.5 MPa。脐带缆截面如图 1所示[5-6],基本参数如表 1所示。
参数名称 | 数值 |
外径/mm | 108.8 |
空管水中质量/(kg·m-1) | 14.16 |
充液水中质量/(kg·m-1) | 14.92 |
拉伸刚度/N | 2.43×108 |
弯曲刚度/(N·m2) | 6 095 |
拉伸力/kN | 502.8 |
最小弯曲半径/m | 2.43 |
脐带缆中液压钢管材料选择需要考虑使用环境、价格及制造能力等多种综合因素[6]。随着海洋石油工程中对设备可靠性要求越来越高,近年来,超双相不锈钢管应用逐渐成为主要趋势。文中选取超双相不锈钢作为钢管材料。厂家提供的标准产品常见规格如表 2所示。由于非标产品价格普遍较贵,所以在脐带缆设计中,管径和壁厚设计需要尽量选用厂家提供的常规产品。
内径/mm | 平均壁厚/mm | 压力/MPa |
12.70 | 1.00 | 34.5 |
12.70 | 1.50 | 69.0 |
19.05 | 1.30 | 34.5 |
19.05 | 1.50 | 69.0 |
25.40 | 1.50 | 34.5 |
25.40 | 2.65 | 69.0 |
ISO 13628-5规范给出了钢管单元设计的指导性方法[7]。根据规范意见,钢管壁厚设计流程图如图 2所示。
2 脐带缆设计载荷
由设计流程(见图 2)可知,脐带缆设计过程中,必须对脐带缆的控制载荷工况进行确定,并给出载荷大小以及应力分析方法。根据规范和工程设计经验,脐带缆设计中,需要考虑的工况包括测试工况、安装工况与运行工况。在脐带缆初步设计阶段,各工况载荷可按照如下方法进行确定。
2.1 测试载荷脐带缆制造结束后,为了确保钢管在制造过程中没有发生损坏,仍能满足液压信号传递的功能要求,需要对钢管单元进行加压测试。测试时对各个钢管加内压至工作压力的1.25倍。ISO 13628-5推荐该载荷工况为钢管壁厚的初始设计工况。
2.2 安装载荷脐带缆在安装铺设过程中,通常先将带有脐带缆水下终端的一侧下放到水中,然后采用张紧器下放脐带缆直至另一端,安装过程如图 3所示。在此过程中,放线架处脐带缆需要承受端头和下放到水中缆体的重力,此处脐带缆所受张力最大。根据相关工程经验,张力可由下式进行确定[8]:
(1) |
式中:Ad为考虑安装过程中动态操作对张力放大作用的动态系数,通常取1.3;H为水深;G为脐带缆在水中单位长度重力;Wt为脐带缆水下端头重力,在前期设计阶段,可以取50 kN。
在放线架和卷轮位置处,脐带缆受到弯曲作用,弯曲半径与放线架和卷轮弯曲半径一致。在脐带缆设计分析中,可以根据具体的安装船舶参数进行分析。在早期设计阶段,一般可取8.5 m作为通用取值。
作用在脐带缆上的张力会分配到脐带缆内部单元上。各个单元所受到的张力与其拉伸刚度成反比。一般来讲,对有钢管单元,铠装钢丝的脐带缆结构,这2部分(钢管+铠装钢丝)刚度会明显大于其他构件,拉伸载荷主要由这两者承担。分配到单个钢管单元上的载荷由刚度占截面刚度比例决定。由于铠装钢丝与钢管单元弹性模量一致,钢管单元承受的张力与单个钢管截面积占截面钢面积比例成正比,如式(2)所示。
(2) |
式中:Ttube为单个钢管所受的张力,Atube为单个钢管截面积,Aarmor为铠装钢管截面积,N为钢管数量。
2.3 运行载荷运行载荷是指在位工作状态下,脐带缆受到海流载荷作用以及船体运动影响,在脐带缆中形成的张力、弯曲及内外压力组合。在位运行状态下,动态脐带缆有2处受力较大:一是脐带缆与浮体连接处;二是海底脐带缆的触地点处。脐带缆与浮体连接位置是脐带缆的顶端,此处张力最大[9]。在脐带缆截面初期设计阶段可以采用式(3)对动态张力进行估计。
(3) |
式中:Ac为脐带缆线形系数,一般取1.1。
在位运行过程中,脐带缆顶部和触地点位置都会发生弯曲变形。变形结果一般要在脐带缆线形设计的整体动态分析中得到。在初期设计中,由工程经验可采用10 m的最小弯曲半径作为在位运行条件下脐带缆弯曲变形设计值。
在位运行状态下,脐带缆钢管内部处于充液状态,根据假设,脐带缆工作压力为34.5 MPa。同时,随着水深增加,脐带缆受到静水压作用。在触地点处需要对静水压进行计算分析。
由载荷分析方法可知,脐带缆初步设计阶段可以直接采用与水深相关的经验公式对脐带缆的载荷进行估计。针对水深100、300及1 500 m油气田应用脐带缆载荷工况及载荷组合计算结果如表 3、表 4和表 5所示。
工况 | 部位 | 拉伸力/kN | 压力/MPa | 弯曲半径/m | |||
整缆 | 钢管 | 内压 | 外压 | ||||
测试 | — | 0 | 0.00 | 51.75 | 0 | 0.0 | |
安装 | 顶部 | 91 | 1.73 | 7.00 | 0 | 8.5 | |
底部 | 20 | 0.38 | 7.00 | 1 | 8.5 | ||
在位 | 顶部 | 29 | 0.54 | 34.5 | 0 | 13.0 | |
底部 | 20 | 0.38 | 34.5 | 1 | 13.0 |
工况 | 部位 | 拉伸力/kN | 压力/MPa | 弯曲半径/m | |||
整缆 | 钢管 | 内压 | 外压 | ||||
测试 | — | 0 | 0.00 | 51.75 | 0 | 0.0 | |
安装 | 顶部 | 143 | 2.72 | 7.00 | 0 | 8.5 | |
底部 | 20 | 0.38 | 7.00 | 3 | 8.5 | ||
在位 | 顶部 | 86 | 1.63 | 34.50 | 0 | 13.0 | |
底部 | 20 | 0.38 | 34.50 | 3 | 13.0 |
工况 | 部位 | 拉伸力/kN | 压力/MPa | 弯曲半径/m | |||
整缆 | 钢管 | 内压 | 外压 | ||||
测试 | — | 0 | 0.00 | 51.75 | 0 | 0.0 | |
安装 | 顶部 | 455 | 8.66 | 7.00 | 0 | 8.5 | |
底部 | 20 | 0.38 | 7.00 | 15 | 8.5 | ||
在位 | 顶部 | 429 | 8.16 | 34.50 | 0 | 13.0 | |
底部 | 20 | 0.38 | 34.50 | 15 | 13.0 |
表 3、表 4和表 5中拉伸载荷结果根据表 1各单元结果和后文钢管设计结果估算重力得到。
3 钢管应力分析校核钢管在压力作用下,其内壁环向应力为:
(4) |
外壁环向应力为:
(5) |
式中:pi为内压,pe为外压,D为钢管外径,d为钢管内径。
其内径、外径处径向应力分别为:σri=-pi,σre=-pe。
在位、安装及测试过程中钢管受到拉伸和弯曲载荷,内外压载荷作用下轴向应力计算方法如下。
钢管的轴向应力有3个分量,首先是直接拉伸载荷产生的轴向应力σAT,计算公式为:
(6) |
其次是弯曲导致的轴向应力σAB,计算式为:
(7) |
式中:E为钢管弹性模量,ρ为脐带缆弯曲半径,F为直接拉伸载荷,A为总的截面积,A=Aarmor+NAtube。
最后钢管内压作用在端帽上,钢管由于内压受拉,导致的轴向应力分量σAEc为:
(8) |
轴向应力为上述3项分力的合力,即:
(9) |
采用Von Mises屈服准则对环向、径向以及轴向应力进行组合,校核应力是否满足材料屈服强度,如果满足,则该设计符合要求,将壁厚确定;如不满足,则修改初始壁厚,并进行再次校核,直到满足所有工况要求为止。Von Mises屈服准则:
(10) |
式中:σr、σh分别对应环向和径向应力的最大值。
等效应力系数取值如表 6所示。
4 钢管单元壁厚设计 4.1 钢管初始壁厚结果
根据设计要求,钢管内液体工作压力为34.50 MPa,测试内压需要达到工作内压的1.5倍,即51.75 MPa。超双相不锈钢材料屈服应力为630.00 MPa,测试工况安全系数0.96。通过上节公式计算可得满足本项目实际应用情况的钢管壁厚需大于0.59 mm,根据表 2中厂家产品型号选择范围,内径12.7 mm的钢管壁厚有1.0和1.5 mm 2种型号,因此选用1.0 mm壁厚钢管作为初始设计结果。
4.2 钢管壁厚校核将表 4、表 5及表 6中的载荷数据带入式(2)~式(10),可得不同水深条件下,钢管内力计算结果。表 7给出了3种水深条件下不同工况计算最终结果与许用应力对比情况。由表可知,对应各种水深,测试工况会引起钢管的最大应力。
工况 | 操作 | 安装 | 测试 | |||
底部 | 顶部 | 顶部 | 底部 | |||
许用应力/MPa | 548 | 548 | 630 | 630 | 604 | |
1 500 m水深Mises应力/MPa | 273 | 376 | 205 | 52 | 385 | |
1 500 m水深利用率/% | 50 | 69 | 33 | 8 | 64 | |
300 m水深Mises应力/MPa | 273 | 284 | 80 | 52 | 385 | |
300 m水深利用率/% | 50 | 52 | 13 | 8 | 64 | |
100 m水深Mises应力/MPa | 273 | 274 | 64 | 52 | 385 | |
100 m水深利用率/% | 50 | 50 | 10 | 8 | 64 |
对100和300 m水深应用,测试工况为最危险工况。钢管应力达到许用应力的64%。而对1 500 m水深应用,由于水深较大,在位操作工况下脐带缆顶端所受张力较大,所以操作工况为危险工况,钢管应力达到许用应力的69%。
对于3种水深应用,1 mm壁厚钢管都满足使用要求。由于其他功能单元设计结果在3种水深油气田应用中也采用同样方案,就截面设计而言,研究的3种水深脐带缆设计为相同的截面。
5 结论与讨论笔者对动态脐带缆中钢管单元的设计载荷工况分析方法以及钢管应力分析方法进行了总结。
以一种典型脐带缆在100、300及1 500 m水深应用为例进行了钢管单元设计,研究结果表明:脐带缆截面设计受到功能要求、力学性能、单元材料型号以及生产加工工艺、设备能力、造价等多种因素影响,设计结果是综合考虑多种因素的结果。在笔者的设计结果中,由于功能要求相同,3种不同水深项目中的电缆和光缆单元设计结果一致;应用水深导致变化,导致脐带缆上承受的载荷有明显差别,但钢管供货规格有限,3种水深条件下,需采用同样的钢管设计。同时由于水深变化导致载荷不同,100 m截面设计方案安全余度大于300 m方案和1 500 m方案。在功能需求已知的情况下,基于钢管所受的载荷,给出了钢管壁厚定量设计方法。
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