淺水經(jīng)濟(jì)性柔性管道加強(qiáng)設(shè)計(jì)

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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(yīng)用于海洋石油開發(fā)中。柔性管道主要是由起密封作用的高分子材料與起加強(qiáng)作用的金屬材料組成, 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以采用粘結(jié)與非粘結(jié)兩種形式, 其中非粘結(jié)結(jié)構(gòu)有更大的設(shè)計(jì)空間[ 1] 。柔性管道需要根據(jù)功能與環(huán)境荷載進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)設(shè)計(jì), 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(jìn)行拉伸剛度設(shè)計(jì); 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(jìn)行徑向剛度設(shè)計(jì)[ 2] 。為了同時(shí)保證較小彎曲剛度與彎曲半徑, 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜,因此對(duì)于深水開發(fā)的柔性管道的造價(jià)比較昂貴, 通常只在動(dòng)態(tài)立管中應(yīng)用, 很少使用在遠(yuǎn)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(jìn)行鋪設(shè), 同時(shí)具有可回收性及較好的防腐性等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于較淺水應(yīng)用柔性管道, 由于拉伸與外壓荷載都比較小, 可以簡化結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 對(duì)邊際油田的開發(fā)具有一定的吸引力。對(duì)于淺水應(yīng)用的海底管道, 鋪設(shè)過程拉伸荷載是控制荷載, 可以主要對(duì)拉伸剛度進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì), 并對(duì)其它荷載進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)適于渤海邊際油田開發(fā)海底管道, 設(shè)計(jì)了一種非粘結(jié)經(jīng)濟(jì)型柔性管。建立了拉伸剛度分析模型, 提出抗拉加強(qiáng)設(shè)計(jì)方法。對(duì)基于拉伸加強(qiáng)設(shè)計(jì)的管道進(jìn)行了進(jìn)行足尺拉伸試驗(yàn), 并進(jìn)行壓潰實(shí)驗(yàn)和最小彎曲半徑實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)柔性管道分為粘結(jié)與非粘結(jié)兩類結(jié)構(gòu)形式。粘結(jié)管的密封橡膠材料與加強(qiáng)金屬材料通過粘結(jié)劑粘結(jié)在一起[ 3] , 而非粘結(jié)管的密封聚合物材料與加強(qiáng)金屬材料之間無粘結(jié)劑, 可以發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。由于非粘結(jié)管工藝限制較少, 并且設(shè)計(jì)的自由度較大, 可根據(jù)實(shí)際要求增加或減少相應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)層達(dá)到不同的要求。在海洋管道設(shè)計(jì)中, 與陸上的管道設(shè)計(jì)相同, 管道設(shè)計(jì)應(yīng)首先滿足傳輸介質(zhì)的內(nèi)部壓力的要求; 此外, 不同于陸地管道設(shè)計(jì), 海洋管道設(shè)計(jì)還要滿足安裝與在位狀態(tài)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(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)型式的柔性管。由于管道本身的自重及海洋環(huán)境荷載作用, 在鋪設(shè)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(shí)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(qiáng)作用的螺旋金屬層從功能上基本分為三類[ 4] : 骨架( 最內(nèi)層) 為接近90􀀁的互鎖鋼條螺旋結(jié)構(gòu), 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(nèi)壓和外壓, 對(duì)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(gòu)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(jié)構(gòu)和工藝也較為復(fù)雜, 其設(shè)計(jì)與制作技術(shù)目前被國外少數(shù)公司所控制, 如Wellstream、Technip、Dunlop Oil & Ma􀀁rine Ltd 以及NKT 等。對(duì)于淺水應(yīng)用時(shí), 海底管道承受的靜水壓力較小, 鋪設(shè)過程中的拉伸荷載通常是控制荷載, 主要是拉伸剛度的設(shè)計(jì), 相比深水結(jié)構(gòu), 對(duì)徑向剛度設(shè)計(jì)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(dá)到淺水使用要求。淺水柔性管主要設(shè)計(jì)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(qū)別于已有國外結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂的柔性管道, 以抗拉設(shè)計(jì)為主要的指標(biāo), 同時(shí)滿足其他如外壓和彎曲的指標(biāo), 設(shè)計(jì)適于我國渤海等淺水域應(yīng)用的簡易經(jīng)濟(jì)性柔性管道, 降低造價(jià), 打破國外的專利技術(shù)封鎖。

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2012-12-14 15:07 上傳

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