天津海王星海上工程技术股份有限公司,天津 300384
中图分类号: TE973
文献标识码: A
文章编号: 2095-7297(2014)03-0223-04
收稿日期: 2014-08-7
网络出版日期: 2014-09-20
版权声明: 2014 海洋工程装备与技术编辑部 版权所有
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作者简介:
作者简介:李兰(1984--),女,助理工程师,主要从事海洋工程和软管方面的研究.
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摘要
随着柔性软管的国产化,国内越来越多的油田采用柔性软管输送油品介质.在软管管段之间的连接接头属于刚性结构,而管体属于柔性结构,在接头与管体之间存在刚度的突变,在受到较大弯矩作用时,柔性管体将被破坏,因此需要在管体和接头之间设置弯曲加强器,起到刚度过渡的作用,保护管体.在进行弯曲加强器的设计时,参考国外实例,选用聚氨酯弹性体作为结构主材,并配有连接钢件.结合项目实例,重点介绍了静态柔性软管弯曲加强器的结构形式.该结构可在软管过驳和安装时保护管体.
关键词：
Abstract
With the localization of flexible pipes, more and more oil fields use the flexible pipe as conveying flowline. End fitting whose function is to connect the pipe sections is a rigid structure, while the pipe body is flexible, there is a stiffness mutation between them. When subjected to a large bending moment, the pipe body will be damaged, so it is necessary to set a bend stiffener between the pipe and the end fitting. To design a bend stiffener, an applicable material should be selected. We use polyurethane elastomer as the principal material for the bend stiffener. Besides, some steel interface structures are requisite. We mainly introduce a static bend stiffener design. It can protect the pipe during installation and overboarding.
Keywords：
21世纪是开发利用海洋的新时代.我国的海洋石油开发技术正在飞速发展,对海洋石油管道的需求大大增加.目前海底管道分为2类,即钢质管道和柔性软管.相对于钢管,柔性软管具有可设计,耐腐蚀,易弯曲,易铺设,可回收,开发更经济,更适应海洋环境等特点.柔性软管最突出的特点是弯曲柔性好,可以承受较大的弯曲变形.在边际油田开发中采用柔性管道,由于易铺设,可回收,工期短,可以显著降低工程建设及运营成本.柔性软管在我国的边际油田已逐步应用.
柔性软管的设计,生产和安装早期基本由国外三大软管公司垄断:法国Technip,英国Wellstream,丹麦NKT.但从2003年开始,国内企业也纷纷开始研制国产软管.目前已有应用案例的如天津海王星海上工程技术股份有限公司,其业务包含设计,生产,安装及后期的维护,到目前为止已铺设并投入使用的静态软管共8条,含注水管2条,输气管2条及三相混输管4条,共约48.65 km.以上软管目前都运行正常,表明海洋柔性软管已实现国产化.
在软管的生产过程中,受设备承重能力和空间大小的限制,一根软管不可能是完全连续的,每1~2 km就会存在一个连接件,即接头.接头是钢质构件浇筑环氧树脂,接头的刚度基本等同于金属钢件;而柔性软管是由非金属挤塑和金属钢丝缠绕而成,其柔性好,刚度低.这样在接头与软管对接处,就出现一个刚度突变区,如果受到过大载荷或者反复的弯曲,在这个突变区就会损坏刚度小的软管,造成软管的失效.为了避免这种情况,可以在接头与软管的连接处设置弯曲加强器(BS),在接头与柔性软管间起到刚度过渡的作用,从而保护软管结构.本文结合项目实例,重点介绍了静态柔性软管BS的结构形式.该结构可在软管过驳和安装时保护管体.
在软管的生产过程中,由于设备和空间的限制,所以每1~2 km就需要用接头连接[1-2].接头连接柔性软管的示意图如图1所示.
在接头与软管对接处有刚度突变区,如果受到过大载荷或者反复的弯曲,在这个突变区就会损坏刚度小的软管,从而破坏软管结构完整,造成软管的失效.设置BS就是为了避免这种情况的出现.BS一般为锥子状,在接头与柔性软管间起到刚度过渡的作用,保护软管结构[2].图2 为相关规范[3-4]中典型的动态BS示意图.
目前BS分为两类:静态BS和动态BS[3].美国特瑞堡公司是国际上有实力的BS设计生产厂家,其产品最长已应用15年.图3为特瑞堡公司生产的BS照片.
静态BS主要配合输油管线使用,用于在软管岸边过驳和铺设中的软管保护,防止软管端部过度弯曲.
静态BS由聚氨酯浇筑而成,见图4.一般静态BS长度为1~2 m,其结构形式多样化,主要根据设计和安装需要而定,其作用是增加软管局部刚度.
动态BS主要用于柔性立管和脐带缆,例如立管出浮式生产储油船(FPSO)套筒局部,见图5.
一般动态应用其要求的寿命都比较长,在15~25年之间.动态BS与静态BS都由聚氨酯浇铸而成.
动态BS主要是保护立管或者脐带缆,增加其局部刚度,在环境力和船舶运动下,软管所受拉力和曲率下的弯曲半径不超过软管的最小弯曲半径.动态BS都是依据项目需求,经过专业分析软件分析后确定的,都是特制品.
静态BS的作用是过驳和安装时的保护,所以其设计服务寿命一般是半年到一年,一般的聚氨酯弹性体都可达到.下面主要介绍静态柔性软管BS的设计.
BS的设计分为材料选择和结构设计两部分.
BS主要包含非金属聚氨酯主体和钢质连接件.
聚氨酯主体一般是聚氨酯弹性体材料,韧性好,耐用,并且能够很好地适应海底工况.聚氨酯的两大特点是弹性模量低和断裂伸长率高,这样就带来很好的柔性和韧性.
由于钢质连接件需要长期与海水直接接触,所以对钢构件需要进行防腐考虑.钢质连接件分为两种:一种是采用耐海水腐蚀的超级双相不锈钢或者同等材料;另一种采用碳钢材料,但是由于其不耐海水,就需要借助与BS对接的接头防腐阳极保护系统,通过导线连接,进而保护BS的碳钢连接件.
对于静态BS,其作用是过驳和安装时的保护,所以其设计服务寿命一般是半年到一年,一般的聚氨酯弹性体都可达到.
BS的结构设计主要是依据软管和接头的尺寸以及安装的需要进行设计.基本遵守如下原则:
(1) 考虑经济性,长度在1~2 m;
(2) 最大外径尽量不超过接头外径和连接构件的外径,也就是BS,接头和软管不要有凸起的部分,尽量是平滑的过渡,安装方便快捷;
(3) BS需要与接头进行固定,保证BS在特定载荷(经过多种载荷筛选)下的连接强度;
(4) 如果采用碳钢的连接构件,那么就需要考虑将其与接头阳极通过导线连接进行保护.
以某项目8英寸(1英寸=2.54 cm)保温软管为例,简述静态BS的设计成果.
项目软管为8英寸保温软管.为了避免在过驳和安装中损坏软管导致泄漏,可以在接头与软管连接处设计静态BS.图6为8英寸软管接头与管体连接示意图.
图6 8英寸软管接头与管体连接示意图
Fig.6 Schematic diagram of the connection between end fitting and 8-inch pipe body
本次设计静态BS结构形式如图7所示.其总长1 000 mm,最大外径600 mm,左端短锥段100 mm,右端长锥段280 mm,平直段620 mm.其非金属主材为聚氨酯弹性体,采用东大一诺威的D2186;钢质连接件采用Q345A,安装完成后采用铜导线与接头阳极连接,进行防海水保护.连接螺栓采用M12,12.9级. BS各材料如图8所示.聚氨酯D2186和钢件Q345A的性能见表1,表2.
表1 聚氨酯D2186性能
Table 1 Properties of polyurethane D2186
| 参数 | 取值 |
|---|---|
| 硬度/HS-D | 65±2 |
| 拉伸强度/MPa | 44 |
| 25 ℃时密度/(g· cm-3) | 1.19 |
BS与接头和软管的最终组装连接结果如图9所示.
图9 BS与接头和软管组装连接示意图
Fig.9 Assembly schematic diagram of BS with end fitting and pipe body
综上所述,为了更好地保护接头和软管的连接处,避免损坏软管,可以增设静态BS.静态BS在设计时,更多的是考虑安装中保护软管;其形式则是从经济性和结构施工的便利性上择优确定.同时,BS的主材采用聚氨酯;钢质连接件采用双相不锈钢,也可采用碳钢,但需要考虑其海水保护.
The authors have declared that no competing interests exist.
| [1] |
API SPEC 17J. Specification for unbonded flexible pipe [S]. |
| [2] |
API RP 17B. Recommended practice for flexible pipe [S]. |
| [3] |
API SPEC 17L1. Specification for flexible pipe ancillary equipment [S]. |
| [4] |
API RP 17L2. Recommended practice for flexible pipe ancillary equipment [S]. |
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