海洋平臺井口管道評估優化設計

崔艷紅，王 乾，冉慶富，趙 斌，劉 浩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋石油平臺是海上實現油氣開采、處理、集運等功能的主要設施之一， 分為鉆井平臺、井口平臺、中心平臺和生活平臺等[1]。井口平臺中與采油樹相連的井口管線輸送介質一般是高溫、高壓且易燃易爆，井口管道區域是整個平臺中安全級別最高區域，屬于一類一級危險區域。井口管道的可靠性直接影響整個平臺的安全運行，是需要重點關注的管道系統[2]。

國內某海洋平臺開采多年，平臺油氣井采出程度較高，現場使用臨時管線進行氣舉生產，以適應生產的臨時試驗需求，但臨時管線的使用可能帶來風險，需要進行評估和優化設計。

文章以該項目井口臨時氣舉管線安全分析評估為例，論述評估內容和方法，以及不同工況下的評估結果，分析現場氣舉管道的安全性和合理性，為后續項目提供借鑒和參考。

1 管道評估內容

該項目運行投產時間為12 a，其油田壓力比預期下降快，需要進行井口管線調整，進行氣舉升壓，因此需對臨時管線進行安全評估。評估內容包括：不同年限工況下的管道最小壁厚、管道應力及管道布置是否合理。

1.1 涉及管道

項目一共涉及三條井口管道，管道屬性如表1。

表1 臨時井口管線表

從氣舉管匯到B2氣井的管線，管線號為B1，管線尺寸為2寸，所連接B2氣井采油樹API 6A法蘭尺寸為4 1/16″。從B2氣井到BB5油井的管線，管線號為B2，管線尺寸為2寸，所連接BB5油井采油樹API 6A法蘭尺寸為3 1/2″。從B7氣井到AA7油井的管線，管線號為B7，管線尺寸為2寸，所連接B7氣井采油樹API 6A法蘭尺寸為3 1/2″，所連接AA7氣井采油樹API 6A法蘭尺寸為3 1/2″。

1.2 評估內容

(1)臨時鉆井管線使用年限。核實臨時鉆井管線使用時間要求，以及相關規范對臨時管線使用時間的限制要求。

(2)對已安裝臨時鉆井管線分析評估。對于已經安裝的井口管線進行應力分析，評估現場管線應力情況，支架需求情況。

(3)計算分析已經安裝的臨時管線尺寸及壁厚，核實管線最小壁厚及腐蝕余量是否滿足要求。

2 管道評估方法

管道安全評估主要遵循ASME B31.3《工藝管道》，進行管道應力和管道壁厚的校核計算，核算在不同工況下的應力應變水平和壁厚余量是否滿足規范要求。

2.1 管道壁厚計算評估方法

管道壁厚計算按ASME B31.3《工藝管道》中的壁厚計算公式(1)、(2)進行，應保證管道設計年限的實際壁厚大于管道所需的最小壁厚tm，以防止管道發生破壞。

(1)

tm=t+C

(2)

式中：tm是包括機加工、腐蝕在內的所需最小壁厚；t是壓力設計厚度；P是設計壓力；D是管道外徑；S是材料許用應力；E是質量系數；W是焊縫接頭強度降低系數；Y材料系數。

2.2 管道應力分析評估方法

對于臨時氣舉管線的應力分析，主要采用CAESAR Ⅱ計算軟件與圖表計算相結合的方法。對支撐結構、管線走向、支架約束等進行模擬后，對管線應力、熱位移變形、固有頻率、支架承受載荷等進行分析校核；采用API 6AF的法蘭受力許用圖表對法蘭的受力進行分析校核。

管道應力分為一次應力(持續應力)、二次應力(位移應力)和偶然應力校核。其中一次應力主要是由于壓力、重力及其他外力載荷產生的持續應力，管道一次應力應不大于材料的熱態許用應力。二次應力主要是由于管道溫差變化產生的位移應力，管道二次應力應不大于位移許用應力范圍。偶然應力主要是風及地震等偶然力產生，管道偶然應力應不大于材料熱態許用應力的1.33倍[3]。

提高管道固有頻率是管道模態分析的內容，主要是為了提高管道系統的抗干擾能力，防止管道發生共振，造成管道破壞。管道固有頻率越高，管道剛度越大，其抗干擾能力越強。一般要求管道最低固有頻率為2.55 Hz[4]。

3 管道壁厚評估

腐蝕速率見表2。

表2 管道腐蝕速率

根據管道材質及設計壓力參數，按公式(1)、(2)計算管道壁厚。計算結果如下：

對于管線B1，最小計算壁厚為5.54 mm。

對于管線B2，按1 a設計壽命計算，最小計算壁厚為10.11 mm(管線出廠壁厚為9.6 mm)。根據材料的腐蝕速率計算，管線達到最小壁厚(壓力設計壁厚)的時間估計為11.3個月。

對于管線B7，按1 a設計壽命計算，最小計算壁厚為4.74 mm。根據材料的腐蝕速率計算，管線達到最小壁厚(壓力設計壁厚)的時間估計為36.7個月。

4 管道應力評估

獲取項目基礎數據并進行工況設計，利用CAESAR II軟件進行分析校核，并利用圖表法對井口法蘭進行受力評估。

4.1 基礎數據

(1)平臺地震加速度。平臺地震加速度是根據對應地震載荷對整個平臺的作用，屬于偶然載荷。項目的地震加速度為：X=0.147 g,Y=0.157 g,Z=0.189 g，X為南北向，Y為高度方向，Z為東西向。

(2)設計風速。項目設計風速按百年一遇的3 s陣風風速60.7 m/s；

(3)管道材質及特征屬性。臨時管線為40CrMo材質2″管線，最小壁厚是9.6 mm，采用由壬連接。CAESAR Ⅱ軟件中采用對應的美標材料為AISI 4140進行計算，管道材料的機械性能如表3。

表3 管道材料屬性

(4)流體介質。B1介質密度為74.359 0 kg/m3，B2介質密度為77.606 kg/m3，B7介質密度為32.379 6 kg/m3。

4.2 分析模型

模型邊界條件假設如下：

(1)管匯接入處——管匯剛度和質量(管匯主管為3″，壁厚為15.24 mm的碳鋼管線)與2″接管相比要大很多，因此接口處按六向限位支架處理。

(2)采油樹位移——采油樹位移按100 mm進行模擬。

管道應力模型如圖1。

圖1 應力分析模型

4.3 應力評估

根據項目要求，在計算中的設計壽命分為1 a期和10 a期進行計算評估。

4.3.1 1 a期設計壽命評估

根據管道壁厚計算，管線B2腐蝕后的壁厚為0.85 mm(9.6 mm～8.75 mm)，不滿足管道最小壁厚要求，B2管線已失效，1 a期校核僅對B1, B7管線進行計算。

持續態工況、偶然態工況以及二次應力工況最大應力節點均出現在B1管線上。B1 管道二次應力工況應力超標120%，不滿足標準要求，B7管道規范應力滿足規范要求。

管道B1和B7在安裝狀態下的最大垂直為2.5 mm，滿足位移小于25 mm的要求，且周圍空間滿足要求。

核實管道支架載荷情況，根據法蘭受力與API 6AF 中法蘭許用載荷的對比評估結果，法蘭不會發生泄露。通過計算分析，管系的最低固有頻率為1.35 Hz低于2.55 Hz。管線的最低固有頻率偏低，剛度和穩定性不足，其抗干擾載荷的能力不足，易產生振動和低周疲勞。

對于1 a期的設計壽命而言，管道的應力評估見表4。

表4 1 a期應力評估

4.3.2 10 a期設計壽命評估

根據管道壁厚計算，管線B2的腐蝕量87.5 mm及B7的腐蝕量23.6 mm已超過所使用管線的出廠最小壁厚9.6 mm，B2及B7管線已失效，不再進行管道應力計算。文章僅對管線B1進行計算。

管道一次應力和偶然應力在標準允許范圍內，但是二次應力大于標準規范的允許應力，應力比超過110%，不滿足設計規范要求。

在安裝狀態下的最大垂直位移為：Y方向0.129 mm,豎直向下，小于25 mm，滿足要求，在正常操作工況下管道未與其他管線管件及構筑物等發生碰撞干涉。

管道支架載荷在安裝和操作狀態下載荷較小，但支撐物強度不夠，不滿足要求。根據法蘭受力與API 6AF 中法蘭許用載荷的對比評估結果，法蘭不會發生泄露。通過計算分析，管系的最低固有頻率為1.85 Hz低于2.55 Hz，不滿足要求。

對于10 a期的設計壽命而言，管道的應力評估見表5。

表5 10 a期應力評估

4.4 管道設計優化

通過計算分析，現有管線的二次應力超標，一般降低二次應力的方法是增加管道的柔性。對于項目而言，二次應力的超標是由于采油樹附加位移導致的，降低的方法有：

(1)減小采油樹附加位移值。計算模型假設采油樹附加位移值為100 mm，當采油樹位移值降低到70 mm時，管線路由不變的情況下，管道二次應力能夠降低到80%以下，滿足標準規范要求。

(2)增加采油樹附近水平管道的長度。在附加位移100 mm不變的情況下，通過增加管道長度的方法(圖2為建議的兩種方法)，可以將管道二次應力降低到80%以下，滿足標準規范要求。

圖2 應力分析模型

對于支撐物強度不夠的問題，可采用用型鋼替換枕木的方式，提高支架承載物的強度和剛度，使其滿足支架荷載要求。

管道固有頻率不滿足要求，管道操作狀態位移較大等問題，可以調整管線的走向，采用增加管道限位等方式進行調整。

5 總結

結合現場調研情況并依據設計基礎資料，通過建立CAESAR II應力分析模型對現場的管線進行詳細的應力分析和評估，依據API 6AF標準，對采油樹油嘴法蘭進行了泄漏校核，對管道承受內壓時最小計算壁厚做了詳細計算。

1)建議根據管道腐蝕速率，采用合適的管道材料，避免管道的過度腐蝕。

2)管道應力水平超標，管道固有頻率不滿足要求，管道操作狀態位移較大等問題，建議調整管線的走向，采用限位支架或固定支架等方式進行調整(延長連接采油水平管線的長度，使用U-bolt等)。

3)對于管道最小壁厚的計算是基于理論計算和腐蝕速率(未考慮緩蝕劑)，建議作業方應定期進行壁厚檢測，以便得出實際腐蝕速率，加強管道壁厚監測，避免出現安全風險。