深水海底管道止屈器设计研究

汪红艳 ，陈晓贤 ，林金保 ，曹 静 ，沙 勇 ，张恩勇
（１ ． 上海利 策科技有 限责任公 司，上海 ２ ０ ３ ； ２中海石油研 究中心，北京 １０ ２ ０２３ ． ０ ０ ７）
‘
摘
要
随着水深 的增加，深水海底管道 由于外压 导致压溃、屈 曲及屈 曲传播 的可 能性 大大增加 。深水海管设 计 中，通 常采用止屈器来控 制海管 由于较 大的外压 可能造成 的压溃及屈 曲传播 。止屈器 的主要作用是：在 管道受外压的条件下，一旦发生压溃屈 曲并发 生屈 曲 播时，将屈 曲 播的破坏限制在 一定管道长度 范围 传 传
（ ）选择止 屈 器长度 （ ４ 要求 ３Ｏ Ｌ ＞ ．５ ． Ｄ＞ Ｏ Ｄ）或 厚度 （ 求 ｈ＞ｈｍ ２ 要 ａ ｅ）
（ ）确定长 度 （ ５ 或厚 度 ）以后 ，计算 止 屈器 的厚度 （ 长度 ），计 算 中跨越 压力 Ｐ 的取 值 需要 或 ｘ
５卷 ｌ
增刊 ｌ
汪红艳 ， 等：深水海底 管道止屈器设计研 究
播现 象 ，从而 得 到临界 传播 压力 。
（ ）单 管结 构 １ 依据 规范 Ｄ ＮＶ— ． １ １ １，压溃 临界压 力 Ｐ ＯＳＦ ０ １ ｃ为 ２ ． ８ ａ ４７ ＭＰ 。 ２
Βιβλιοθήκη Baidu
屈 曲传播 是进 行海 管设 计考 虑 的一种 极 限状态 ， 用 的典 型设计 标准 和一 些相 关 的研 究工 作参 见 常
当前 实 际工程 中应用 比较 多的是 整 体式和 夹套 式止 屈器 ， 前者 能够提 供较 高 的止屈 效率且 制造 成
本 较低 ；后 者安 装方 便 ，特别 适用 于卷 管铺 管法 。在 大型 油气 田及煤 层气 开发 项 目中所 采用 的是整 体 式 止屈 器 ，本 文介 绍 了该项 目中的止 屈器 设计 方法 ，并基 于有 限元 方法进 行 了管道 屈 曲及屈 曲传播 分 析 ，对 设计 止屈 器进 行止 曲效 率验证 。
屈 曲传 播 的临界压 力 （ ｐ Ｐ ）就是 能维 持管道 的 屈 曲传 递所 需要 的最 小压力 ，屈 曲破坏 压溃 的临界 压 力（ ） 是完 整无 损 的管道 受 到压 力时 发生 屈 曲破坏 所 需要 的最小 压力 …。 由于传 播压 力远 远低 于 就
压 溃压 力 （ ｃ Ｐ ），一 般来 说 ，Ｐ 的大 小只有 尸 ｃ的 １％左右 【，因此 ， 比屈 曲破坏 小得 多 的压 力就 可 ５ ２ 】
以使 己经 存在 屈 曲缺 陷 的管道 沿轴 线快速 传 播 。为 避免 屈 曲传 播而 设计 的海上 管道 会非 常 昂贵 ，而 且
过于 保 守；另一方 面 ，更换 一段 长度 很大 的受损 管 道成本 非 常大 。尤其 是对 于深 水海底 管道 ，一旦 发 生大 范 围 的屈 曲传 播 ，其速 度 可达 到 数 百米／ ，所 造 成 的损 失无 法估 量 ，而且 其 修复成 本 也非 常之 秒
和 屈 曲传 播均 采用 ｓｅｌ８ Ｄ 单 元模 拟 ＰＰ内外管 ， ｈｌ １ １ ２ Ｉ 止屈 器采 用 ｓｌ ５３ ｏｉ４ Ｄ单 元模 拟 。 计 算 中通过 ｄ 定义 接触 单元模 拟 管壁之 间 的接 触 关系 ，考 虑结构 的 大变形 效 应 。ＰＰ 管系 结构 尺寸参 见表 ３ Ｉ ，单管
钢材 。
为节 省计 算 时间 ，均仅进 行 １ ／ 构建 模 。针对 无止 屈器 结构 ，采 用 ｓｅｌ８ ４结 ｈｌ １单元 ；对有 止屈 器 １ 结构 ，采 用 ｓｌ ４ ｏｉ ５单 元 。为防止 出现 过度 渗透 变形 ，计算模 型 需进行 接触 设置 ，包 括 内外管之 间的 ｄ 接 触 以及两 个对 称面 的 刚性接触 。同时 ，考 虑材料 非 线性 、大 变形 效应和 接触 非线 性 ，进行 计算 设置 。
结构采 用 ＰＰ外管 尺寸 。 Ｉ
表 ３ Ｐ Ｐ管系 尺 寸 Ｉ
２ ２ 屈 曲及后屈 曲分 析 ．
本 节介 绍 了无止 屈器管 道结 构 的屈 曲、 曲传 播 以及有 止屈 器结 构 的跨 越 屈 曲传 播分 析 ， 屈 并分 单 、 双 管结 构进行 了压 溃压 力 、屈 曲传播压 力 以及跨 越 压力 的 比较 。所 有 管材及 止 屈器 都选用 Ｓｅｌ ６ ｔ ５ ｅ Ｘ一
内。该文进行 了深水海底管道止屈器设计研 究，并基 于有限元模 型进行 了管道 的屈 曲和屈 曲传 播分析。
关 键 词 ：压溃；跨越屈曲 传播；深水海管；止屈器；有限元分析
中图分 类号 ：Ｐ ５ ７２
文献标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
在管 道铺 设过程 中，管道 受到 张力 、弯 矩和 外部 压力 的综 合影 响 ，有可 能发 生屈 曲传播 ；或 者在 管道 的整 个生命 周 期中 ，由于 受到 外来 物体 的作用 ， 也可 能会 发生 屈 曲传 播现 象 。 一旦 发生 这种现 象 ， 就很难 被 阻止 ，除非 外部压 力低 于屈 曲传播 压 力 ，或 者 有局部 加强 措施 （ 屈器 ） 。 止
经济 性之 间取得 了比较好 的平 衡 。因此 ，止 屈器 越来 越受 到广泛 的应 用 。止 屈器 间隔 的确 定 是基于 多
种 因素 的综合 ，这 些 因素包括 ：修 复压溃 管段 的成 本 、安 装止屈 器 的成本 、管道损 坏 的可能 性 以及 阳 极保护 块 安装 间距等 ，最 终 由工 程师 根据 项 目的不 同特 点而 决定 ，一 般来 说 问隔取 ９ ～ ８ ｍ 是 比较 ０ ｌ０
收稿 日期：２ １－５２ ； 修改稿 收稿 日期：２ １－７ １ ０ １０ ．０ ０ １０ ．５
ｌ４ ２
中
国
造
船
学 术论 文
Ｓ Ｋｙｉ ｉｅ 等 人运 用试验 和 数值模 拟 方法 ，对薄壁 和 相对 厚壁 管道在 弯 曲和外 部静 水压 力作用 ． ｒ ｋｄ ｓ ａ
下 的屈 曲 问题 进行 了研 究 ，分析 了径 厚 比、材料特 性 、初 始椭 圆率 和加 载路径 对 管道 屈 曲的影响 ，发 现 管道 的 临界 屈 曲荷 载和 失 稳特 性 与加 载 路径 相 关 ； 同时 也研 究 了扣入 式 和 整体 式止 屈 器 的工 作性
１ 设计 方 法
项 目中采用 的止 屈器 是厚 壁 圆柱整 体式 止屈 器 （ 法兰 形状 ）。管道 和止 屈器 的尺度 标 识代 号如 图
１ 示。 所
卜Ｌ ．。
—
Ｄ
—
图 １ 止 屈 器 结 构 不 意 图
整体 式止 屈器 的设 计思 路概括 如 下【： ９ Ｊ
（ ）计算 管道 压溃 压力 Ｐ 和屈 曲传 播压 力 Ｐ １ ｃ Ｄ； （ ）选择 ｂ ｃｌ ａ ｅｔｒ ２ ｕｋｅ ｒ ｓ 钢材 等级 ； ｒ ｏ （ ）计算 出 ｂ ｃｌａｒｓ ｒ 小壁 厚 ｈｍ ３ ｕｋｅ ｒｅｔ 最 ｏ ｅ；
合理的【 。 －
由于深水 条 件下海 管壁 厚不 是根 据屈 曲传 播压 力选 取 的，因此在 深水 条件 下屈 曲传播 几 乎是不 可 避 免的 ；而 且 ＰＰ管系 外管 由于 没有 内压相 抵 消 ，更 容易 发生 屈 曲传 播 。一 旦发 生破坏 ，就会 导致 保 Ｉ
温 失效 。另外 ，内管 在停 止作 业 期间也 存在 屈 曲传播 的危 险 ，所 以在 安装阶 段和 整个 作业阶 段 ，考 虑 如何 避 免发 生局部 屈 曲是非 常关 键 的。
１５ ２
考 虑适 当的安全 系数 ； （ ）建立 可靠 的数值 模型来 测验 设计 ，或 者做 一个 全尺 寸 的试验 来验证 设 计 。 ６ 根据上述 的设计方 法 ，结合项 目中的海 管参 数及 选取 的 设计参 数 （ 见表 １ ），最 终给 出推荐 的止
屈器 的结构尺 寸参 数 （ 参见 表 ２ ）。 ・
总 结 了止 屈效 率与 管道 屈 曲失效 模型 的关 系【。 ８ 】
止 屈器 的主 要类 型有 整 体式 （ｎｅｒｌａ ｅｔｒ Ｉｔｇａ ｒ ｓ ）、滑 移 式 （ｌ —ｎ Ａ ｅｔｒ 、夹 套式 （ｌ ｒ ｏ Ｓｉ ｏ ｒ ｓ ） ｐ ｏ Ｃａ ｍｐ
Ａ ｅｔｒ ｒ ｓ ）、 内环 式 （ｎｅ ａ Ｒ ｎ ｕ ｋｅ ｒｓ ｒ ｏ Ｉｔｒ ｌ ｉｇＢ ｃ ｌ Ａｒ ｔ ）以及 内螺旋式 （ｎｅ ｌ ｐｒｌ ｕ ｋｅ ｒｅｔｒ ｎ ｅｏ Ｉｔ ｉ ｃ ｌ Ａ ｒｓ ）。 ｍａ Ｓ ａ Ｂ ｏ
能，分析 了止屈器长度、壁厚和材料性能对止屈器跨越压力的影响等【 】 ４。
梁振 庭等 人研 究 了深海 油气 管道上 止 屈器 的使用 ， 并研 究 了影响整 体式 止 屈器止 屈效 率 的各种 因 素 ；包括 ：止 屈器 长度 、厚 度及径 厚 比等 。通 过实验 测 量 ，比较 了动态 和准 静态情 况 下的 穿越压 力 ，
整 体式止 屈器 是 由更粗 的管道 加 工而 成 ，止屈 器与 管道 内径相 同，通过 焊接 连接在 一起 。滑移式 止 屈器 以一 定间距 紧套 在管 道上 ，通过 增加 环 向刚度 来增 加管 道 的抗 压 溃能 力 ，从而 阻止 下游 管道 压 溃 传播 。夹套 式 止屈器 与 滑移 式止 屈器工 作 原理相 似 ，由两 个 半壳组 成 ，用螺 栓把两 个 半壳紧 紧 固定 在 管道上 。内环 止屈 器是 一种 圆形钢 环 ，放 置于 外管 与 内管之 间 的环 缝 当 中，并 与外管 紧密 结合 。内 螺 旋止 屈器 由一个 钢质 螺旋 弹簧 构成 ，其 直径 稍 大于 外管 内径 。在安 装 的时候 ，需要 给 予弹簧 一个 拉 伸 张力 ，这 样 内螺旋 外径 变小 ，就 可 以把止 屈器 放置 到恰 当 的位置 ；再移 除张力 ，这 样螺 旋止 屈器 直 径 扩大 且与 管道 内表面 紧 紧贴在 一起 。这种 方 案 的优 点是不会 对管 道增 加太 大 的弯 曲刚度 ，因而适 合 卷 管安 装 。
表 １ 选取的参数“ 。
・ 止屈 器材料 等级＝Ｘ ６ 。 － ５
２ 有 限元 验 证
２ １ 计算 方法 ．
管 中管 （ ｉｅｉ—ｉｅ Ｐ Ｐ 的止屈器 （ ｕ ｋｅＡ ｒｓ ｒ 设计 校核采 用有 限元 分析 软件 Ａ ＹＳ ０ Ｐｐ — ｐｐ ， Ｉ ） ｎ Ｂ ｃｌ ｒ ｔ ） ｅｏ ＮＳ １ ．。 １ 本文分 别对 单管 （ 无止 屈器 结构 ）、管 中管 （ 无止 屈器 结构 ）以及 单管 （ 带有 止屈 器结 构 ）以及 管 中 管 （ 有止 屈器 结构 ）在外 压作用 下 的屈 曲分析 及 屈 曲传 播分 析进 行校 核 。无止 屈器 管道 结构 的屈 曲 带
中
国
造
船
学术论文
２２１无 止屈 器管道 结 构 ．． 采 用弹 塑性应 力． 应变 曲线 模拟 钢材 属性 ，屈服极 限 为 ４ ８ ａ ４ ＭＰ 。在外 压作用 下 ，对 无止 屈器管 道 加载 初始 缺 陷 ；当外 压超过 压 溃压 力时 ，管 材发 生局 部屈 曲；随着 外压 载荷 不断加 大 ，会 发生 屈 曲传
高 。解 决海底 管道 屈 曲传递 的一 种较 为经 济性 的方 法 ，就是 沿着管 道 的轴线 、相 隔一 定距离 设置 止屈 器 ，其 工作 原理 就是使 管道 的屈 曲传递 不 能跨越 屈 曲器 ，限制屈 曲仅发 生于 两个 止屈器 之 间。止 屈器
虽然 在 一定程 度上 有可 能造成 管道 发 生局部 的屈 曲，但 却 能很好 地保 持 了管道 的整体 性 ，在 安全 性和
５卷 １
增刊 １
中
国
造
船
Ｖｏ． Ｓｐ ｃａ １ １ ５ ｅ ｉｌ１ Ｊ ｌ ０１ ｕｙ２ １
２１ ０ ７月 １年
Ｓ Ｐ ＵＩＤＩ ＯＦＣ ＮＡ ＨＩＢ Ｌ ＮＧ ＨＩ
文章编 号：１０ －８ ２２ １） ｌ０ ２ —９ ０ ０４ ８（０ Ｓ －１３０ １
深水海底 管道止屈器设计研 究