海洋平台井口管道应力及其影响因素分析

海洋平台井口管道应力及其影响因素分析

代俊武

中海油能源发展装备技术有限公司天津300452

摘要：海洋平台是指海上采集油气平台，安装在海洋之上，用于处理从海下开采出来的石油或天然气，由于在海洋之中，不确定因素太多，会受到很多方面的影响，远比在陆地上的环境要复杂得多，而井口又是输出石油或天然气的地方，对安全度的要求非常高，因此对于井口的管道要求更高。本文阐述了海洋平台及管道应力的概念，对影响海洋平台井口管道应力的关键因素进行了论述，并对应力分析过程进行了探讨。

关键词：海洋平台；井口管道；应力；影响因素

前言

管道应力的分析不够全面准确会影响到管道的使用，导致可能造成管道的弯曲与扭转，甚至破裂，因而出现安全事故，造成人员的伤亡或经济损失，或者是石油或天然气渗入到海洋中，污染到海洋环境。因此，海洋平台井口管道在建设前的数据分析非常重要，直接影响到管道工作时的安全。为确保海洋平台井口管道的可靠性和安全性，使用的应力应小于最大应力的80%，并对每次的布局进行设计，同时，合理的管道是减少额外压力的关键，减小位移，即确保管线的应力值，包括管道是否足够的灵活性，使横向力减小。为确保安全，连接好管道之间的布置，考虑附加位移，管道的设计必须在应力的分析指导下完成。

一、海洋平台及管道应力的概念

1、海洋平台是一种海上建筑设施，主要为方便进行在海上的油气开采及运输、观测等活动，海上平台由钢结构构成，一般情况下可分为固定式和浮动式两种。海洋平台井口是海洋平台上对油气进行初步处理的平台，井口是石油和天然气从深海输入到采油树的地方，这个地方的管道要承受的压力非常大，所以管道的设计就必须科学合理，管道的承受压力范围必须在安全的范围内，所以就需要对井口管道的应力进行分析。

2、管道的应力是指管道在单位面积上所受的力，应力可分为一次应力和二次应力，一次应力和二次应力都需要计算出来，其中一次应力的计算是为了防止铺设管道后管道的坍塌，而二次应力的计算则是为了防止管道在使用过程中出现的扭曲、变形等问题。因管道上同时受多种力，所以通常也可以根据受力的分布情况分为轴向应力和环向应力等。一次应力主要是由外界的重力、压力等影响而产生的，而二次应力则是由于管道的形变受到外界因素的束缚而产生的内部应力。在输送石油和天然气的过程中，井口管道需要承受多种荷载作用，比如重力荷载，包括管道本身的重力、所输送的石油和天然气的重力及其他外界物质影响而产生的重力等。压力荷载，包括石油和天然气从内部施加给管道的压力和管道所要承受的来自外部的压力。位移荷载，位移并不是指大幅度的位置变化，而是指管道热胀冷缩产生的小幅度变化或受重力影响产生的管道下沉等，还有风荷载、地震荷载、两相流脉动荷载等，因受地理环境影响和产生的各种复杂荷载，这些各种各样的荷载作用组合到一起，容易使管道出现变形，比如弯曲、扭转、拉伸等各种变形情况。而对管道应力的研究其实从本质上就是为了解决井口管道因受各种荷载而产生的形变问题。

二、影响海洋平台井口管道应力的关键因素

1、设计条件。加强应力的分析，需要进行数据的采集工作，确定平台口管道的位置，保证生产方法的多种多样，而且通过管道连接的两个设备进行合理设置。

2、设计参数。要设计最低温度值、最高工作温度和设计温度的压力值。

3、材料的力学性能分析。通过计算二氧化碳的含量及计算天然气量，然后考虑天然气管道材料的选择，控制相应的最高温度条件，对不同程序条件下的机械性能进行分析。分析力学性能的结构，主要是考虑安装高度、方向和扼流圈的大小，通过不同的平台方向实行相应的材料标准。

海洋平台井口管道与生产有关，尤其需要注意温度变化，因整个金属会由于热膨胀，造成进一步的附加位移，对管道受力的影响较大，要提高应力计算结果的可靠性，同时考虑到以下方面的内容。注意垂直热位移的计算，在喷嘴口造成的应力条件下，要使用不同的应力计算方法，根据提供的资料计算压力，确保最小位移温度的偏差，通过套管结构的安装限制横向运动，确保应力的原则。

三、应力分析过程

1、管道布置。在计算组合应力的第二应力时要偶尔检查地震、风荷载等及其他特殊的应力标准，这是在计算的基础上提高应力支持的条件，需要考虑的特殊组合的不同点。1）管道输油管道应无液体泄露，避免部分底部直径方向突然变化，避免高速水流产生的影响，加强井口平台应力分析。2）管道应考虑长度，加热引起的位移，应力，应适当考虑从而设置。3）考虑到介质中的杂质，如砂，对管道的腐蚀通常影响较大，对喷嘴出口的曲线要有一定的措施进行调整。根据上述原则，对项目进行初步设计，通过管道的应力分析，计算应力，进行初步的整理，通过不同的软件操作进行设计，在不同的条件下加强管道的受力分析。

2、管道应力计算与调整。海洋平台井口管道应力的计算与调整的重点是解决外部管道的热膨胀位移，避免应力过大，对管道定性分析缺乏灵活性，增加管道的有效长度进行管道应力的调整后再分析，相应的结果要加强可靠性和安全性，满足力学性能要求及管道布局要求。调整后的分析表明，调整后的最大应力位置变化的位移应力增大，管道的受力状态也有很大的提高，远小于应力的允许值。有时会出现位移架空的现象，管道挠度超过允许范围，所以要增加管道的弹簧支撑，在分析问题的过程中，应减少管道压力，确保管道的安全及管道布局合理。

3、井口管道初步设计。根据工程经验，分析受力薄弱的地方。在进行工程设计时，需考虑海洋平台井口管道的受力结果。根据这些计算结果可看到，在二次应力的组合状态已超过允许范围时，管道的布置要符合安全生产的要求。然后再进一步调整设计应力方案。

四、结语

海洋平台井口管道对于整个海洋油气开采、处理过程都具有关键性意义，井口是海洋中所开采到的石油或天然气输出的地方，井口的管道就是用于连接井口和采油的管道，因刚开采出来的石油或天然气还处于高温高压状态，又都是易燃物质，因此必须要考虑到安全因素，这就需要结合海洋平台的复杂环境因素以及安全制约的条件，分析管道应力，对井口管道进行特殊设计。

参考文献

[1]张海成.海洋平台井口管道应力关键因素分析[J].中国石化出版社，2017(1)：200-204.

[2]王乾.海洋平台井口管道应力分析过程[J].石油工程建设，2016(3)：6-10.