海洋生產立管應力單根設計與制造方法研究*

雷萬征1,王瀟瀟1,田鳳仙1,2,王耀鋒1,2,李賢坤1,2,潘志杰1,黨 恩1,2

(1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞 721001;2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心,陜西 寶雞 721001)

摘 要:為了攻克海洋生產立管應力單根的設計和制造技術,建立了應力單根的理論模型,采用材料力學經典理論推導了應力單根結構設計和強度校核公式,給出了應力單根的設計和計算方法,建立了三維有限元分析模型。有限元計算結果表明,最大應力出現在應力單根最上端的外表面,按照相關標準進行強度校核,結果滿足標準要求。同時介紹了應力單根常用的材料及其適用范圍、應力單根焊接方法、深孔加工設備等制造工藝以及應力單根內外表面的防腐措施。

關鍵詞:海洋生產立管;應力單根;設計與制造方法;有限元分析

0 引 言

應力單根安裝在立管底部,承受由環境載荷和船體運動產生的彎曲載荷,此外該單根還要承受內外部壓力以及周期性頂張力。作為海洋生產立管系統關鍵裝備,其外形呈錐體形,其內徑恒定不變,以滿足鉆井作業要求,外徑由頂端到底端逐漸變大,壁厚逐漸增加,以滿足立管系統強度要求[1-8]

目前,國內仍無生產立管成功應用的案例和經驗,針對海洋水下生產立管系統應力單根的設計與制造技術研究仍屬空白。CHARLES SPARKS[9]介紹了海洋立管的發展歷程,給出了海洋立管系統計算公式。ZHANG Rixi 等[10]針對深水立管系統端部的過度彎曲問題,在綜合考慮各方面影響因素的條件下,對重要設計參數的選擇和控制方法進行了工程推薦。基于實際工程項目,對帶有應力單根的立管系統進行了動力響應分析和疲勞分析。周燦豐等[11]針對錐形應力節在深水立管系統中的應用需要,介紹了適用范圍,剖析了結構形式和構件,研究了安裝方法,并提出了選型的一般性指導原則。

本研究建立了應力單根的理論模型,采用材料力學經典理論推導了應力單根結構設計和強度校核公式,給出了應力單根的設計方法。根據應力單根方案設計圖紙,建立三維有限元分析模型,按照相關標準進行了強度校核。同時研究了應力單根焊接方法和深孔加工設備以及應力單根內外表面的防腐措施。

1 力學模型建立

工作時應力單根上部與最下面的一根采油立管單根連接,下部與水下井口固定連接。應力單根力學模型如圖1 所示。

圖1 應力單根力學模型

應力單根外徑比為

外徑Φex、曲率半徑Rjx 沿應力單根軸線線性變化,則

設 b 為常量,則

式中:RjL——應力單根下端彎曲半徑,m;

ΦeL——應力單根下端彎曲直徑,m;

Rjo——應力單根上端彎曲半徑,m;

Φeo——應力單根上端彎曲直徑,m;

Lj——應力單根長度,m。

曲率方程為

對公式(4)積分,可得

對公式(5)積分,可得

由公式(4)可知,應力單根與張力的夾角

將公式(7)帶入公式(3),可得

根據以上方程,可以得到應力單根沿x 方向的彎矩為

對上式進行變形可得

式中:Mo——最大彎矩,kN·m;

Fo——剪切力,kN;

To——有效張力,kN;

E——彈性模量,MPa;

Ijo——上端慣性矩,m4

應力單根上的所有點都滿足下式

將公式(10)帶入公式(12),可得應力單根沿x 方向的彎曲剛度為

2 相關參數設計

2.1 設計參數

按照初步確定的生產立管系統參數和接口尺寸,確定應力單根設計的輸入參數,結果見表1。應力單根的頂張力和頂部彎矩等參數按照標準規定的計算方法確定。基于上述計算和強度校核公式,編寫公式求解器,完成應力單根的結構設計。確定了應力單根設計輸出參數,結果見表2。

表1 應力單根設計的輸入參數

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表2 應力單根設計的輸出參數

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2.2 連接型式

上部公接頭設有公螺紋,工作時與最下面的1 根采油立管單根連接;下部為標準API 6A 法蘭,工作時與井口連接;中間管體呈錐形,其內徑恒定不變以滿足鉆井要求,外徑由頂端到底端逐漸變大,壁厚逐漸增加。上部公接頭、下部法蘭和中間管焊接而成,整體結構有兩道焊縫。

3 有限元分析

根據采油立管應力單根方案設計圖紙,建立采油立管應力單根三維有限元分析模型,結果如圖2 所示。頂部施加張力載荷 1 500 kN、彎矩130 kN·m,管體內施加內壓 35 MPa,模型底部固定約束。其等效應力如圖3 所示,最大應力出現在應力單根最上端的外表面,其值為399.86 MPa。按照相關標準進行強度校核,結果滿足標準要求[14],應力線性化結果見表3。

圖2 應力單根有限元模型

圖3 應力單根有限元分析結果

表3 應力單根應力線性化狀態表

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4 制造技術

4.1 材料選擇

應力單根是整個立管系統中承受彎曲應力和彎矩最大的部分,所以應選用高強度、低彈性模量的材料。早期采用高強鋼,如 ASME 4130 等材料。近年來,鈦合金被廣泛應用于立管系統的應力單根制造[12],而鋼質應力單根僅在少數淺水立管系統中有所應用。SPARKS C[13]初次提出使用復合材料制造應力單根,后來建議在復合材料立管上可以使用玻璃纖維和碳纖維等材料制造應力單根,并強調由于復合材料立管的彎曲剛度較低,使用鋼質應力單根會導致彎矩集中在結構的連接位置。FISCHER F J 等[14]則對服役水深1 000~1 600 m 的鈦鋁合金應力單根進行了大量的結構分析。研究結果表明,在深水立管系統中使用鈦合金材料建造的應力單根能更好地滿足功能需求和經濟性要求。

DNV(挪威船級社)發布了一個關于設計鈦合金立管推薦操作規程DNV RP-F201[15]。目前,主要有兩種鈦合金材料等級:①ASTM Grade 23Ti,即 UNS R56407,具體牌號是 Ti-6Al-4V;②ASTM Grade 29Ti,即 UNS R56404,具體牌號是 Ti-6Al-4V-0.1Ru。Grade 29Ti 是在Grade 23Ti基礎上,添加0.1%的釕(Ru)元素,從而得到的一種抗腐蝕能力更強的鈦合金。鈦合金沒有磁性,不能采用磁粉無損檢測。海洋石油工業界已充分驗證Grade 29Ti 合金可以在酸性條件下使用,可滿足NACE MR0175/ISO 15156 標準要求。

4.2 制造工藝

應力單根由于承載力大,載荷形式復雜,既承受大的拉伸載荷,又承受高彎曲載荷,因此其生產控制程序比較嚴格,原材料要求整體鍛件,熱處理要求整體處理,對不圓度、直線度尺寸公差控制均比較嚴格。應力單根至少應該分成3 個部分來制造。各個部分的毛坯一般是鍛件,通常是將各個部件焊接后整體進行機械加工。對于長度過長的應力單根,其錐形管主體本身也必須分成若干段來制造,然后進行焊接。一般情況下,應力單根采用管道轉動(1G 位置)的方式進行GTAW 焊接,因而能夠產生質量最優的焊縫,焊接結束需要打磨,焊縫可通過很多傳統方法進行檢查。應力單根疲勞壽命要求高于標準規定的C類S-N 目標疲勞曲線,如果采用鈦合金材料,必須對焊接工藝進行嚴格控制。

普通深孔加工設備無法滿足應力單根的內孔通徑長度的要求,因此需研制專用深孔加工設備。

4.3 防腐措施

如果應力單根采用鈦合金,則需重點考慮其與立管系統其他異種材料裝備的腐蝕防護問題。鈦合金應力單根外表面防腐需重點考慮表面氫吸附的累積問題。可采用兩種方法:一是使用不導電的屏蔽涂層,二是對鈦合金部件進行電化學隔離。鈦合金應力單根內表面防腐主要考慮異種材質金屬接觸引起的電化學效應和內部流體影響。可通過插入一個電化學兼容耐蝕合金接頭,起到鈦合金部件和碳鋼部件之間的電化學緩沖作用。

5 結 論

(1)建立了應力單根的力學模型,采用材料力學理論推導了應力單根結構設計和強度校核公式,給出了應力單根的設計和計算方法。

(2)根據采油立管應力單根方案設計圖紙,建立三維有限元分析模型,有限元計算結果表明,最大應力出現在應力單根最上端的外表面,按照相關標準進行強度校核,結果滿足標準要求。

(3)介紹了應力單根常用的材料及其適用范圍,研究了應力單根焊接方法和深孔加工設備等制造技術,討論了應力單根內外表面的防腐措施。

參考文獻:

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[15]DNV RP-F201—2002, Design of Titanium Risers[S].

Study on Design and Manufacture Method of Single Stress Riser in Marine Production

LEI Wanzheng1, WANG Xiaoxiao1, TIAN Fengxian1,2, WANG Yaofeng1,2,LI Xiankun1,2, PAN Zhijie1, DANG En1,2
(1.CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd., Baoji 721001, Shaanxi, China;2.National Engineering Center for Oil & Gas Drilling equipment, Baoji 721001, Shaanxi, China)

Abstract: In order to conquer the design and manufacture technology of the marine production riser in marine production, the theoretical model of the stress single riser is established, the formula of the stress single riser structure design and the strength check is deduced by using the classical theory of the material mechanics, and the design and calculation method of the stress single riser are given.A three-dimensional finite element analysis model is established.The results of the finite element calculation show that the maximum stress appears on the outer surface at the top of the stress single riser and intensity check results meet the standard requirement.The materials and the application range for the stress single riser are introduced, the welding method of the stress single riser and the deep-hole processing equipment are studied, and the anti-corrosion measures for the internal and external surfaces of the stress single riser are discussed.

Key words: marine production riser; stress single riser; design and manufacture method; finite element analysis

中圖分類號:TE931.2

文獻標識碼:B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.012

*基金項目:國家863 計劃項目“深水鉆井隔水管系統工程化研制”(項目編號2013AA09A222);工信部海洋工程裝備科研項目“海洋鉆井平臺用深海隔水管系統研究及關鍵部位研制”(項目編號 [2014]162)。

作者簡介:雷萬征(1984—),男,陜西咸陽人,大學本科,工程師,主要從事海洋石油裝備技術管理工作。

收稿日期:2019-03-08

編輯:謝淑霞

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