海洋柔性复合软管的结构设计和试验分析

海洋柔性复合软管的结构设计和试验分析

张可智 1 高旭 2

1. 天津裕泽能源科技发展有限公司 天津 300467

2.天津博迈科海洋工程有限公司 天津 300457

摘要：在海洋油气田开发过程中，海洋复合柔性软管的应用越来越广泛。柔性软管具有可连续安装铺设，可适应海底复杂地形，耐腐蚀，可重复利用等优点。目前，国内有多家企业开展了海洋柔性软管的技术研发和引进，并在多个工程项目中进行了实践应用，国产化软管生产和安装技术已经趋于成熟，大幅降低了软管的制造和安装成本，促进了柔性软管在我国海洋油气开发中的应用。本文以某油气田输气柔性软管为例，介绍了柔性软管的结构设计和各种性能试验，验证了海洋性软管的强度，以期为后续海洋软管项目提供参考。

关键词：软管;结构设计;强度分析;试验

引言

海洋油气资源开发从浅海走向深海是世界海洋油气资源开发的总趋势，也是我国海洋油气资源开发的战略目标。在开发深海油气资源过程中，固定式平台生产系统受到水深限制，通常采用浮式生产系统与水下生产系统相结合的方式，需要使用大量的管道，如动态立管、跨管及海底静态管等。恶劣的海况工作环境对管道的结构性能提出了苛刻要求，钢质管道由于洋流波动疲劳、耐腐蚀性差、铺设施工难度大及周期长等问题在深海的应用受到限制。海洋非粘结型柔性软管具有各层间相对独立且可相对移动的特殊结构，比钢管具有更好的柔韧性和适应性，成为海洋开发尤其是深海开发的必需管道。但我国深海油气资源开发技术及相关装备研制相对落后，主要依靠从欧美发达国家引进先进装备和技术，深海油气资源的全面开发受到严重限制。为了加快我国深海油气资源开发技术的自主创新，实现核心装备技术的国产化，介绍了海洋非粘结型柔性软管的性能特点与结构功能，并重点论述了非粘结型柔性软管的研究热点。

1复合软管的功能特点

海洋柔性复合软管按照结构形式不同有非粘结型和粘结型两种。粘结型软管由几层组成，层与层之间粘结固定，不会在受力或弯曲等情况下发生层与层之间的相对位移。非粘结型软管由几个相互独立的层组成，层与层之间没有粘结和固定，在受力或弯曲等情况下层与层可以相互错动，产生相对位移。粘结管的制造需要硫化处理，受制于硫化设备的尺度，无法实现６０ｍ以上长度的制造，尤其是大口径的管道制造更是难度极大。粘结型柔性软管一般应用于总长较短、低压和浅水的工程，如外输原油的漂浮软管、单点系泊系统上的跨接管等。非粘结型柔性软管的制造是一层一层进行的，可以比较便捷地完成较长的连续制造，具备良好的抗内压以及抗外压性能，因此非粘结型软管成为了柔性复合管道的主流，占据了绝大部分的柔性管道应用领域。

2海洋柔性复合软管的结构设计和试验分析

2.1结构设计

鉴于该管道的适用水深较小，输送介质压力不高，因此软管设计为无钢骨架层，分别由内芯管、2个压力铠装层、2个抗拉铠装层、8个防磨层、中间包覆层、4个保护层和外包覆层组成，压力铠装、拉力铠装和保护层均由碳钢钢带构成，压力铠装和保护层的截面尺寸为1.3mm×62mm，其抗拉强度为400MPa；拉力铠装层的截面尺寸为3mm×8mm，其抗拉强度为480MPa。根据作业海区实际水深和潮汐变化情况，该软管的最大设计水深为23.29m。

2.2抗压铠装层

抗压铠装层由金属互锁异形厚度为4～12mm的钢带与管体轴线呈88°～90°螺旋角缠绕而成，其主要截面形式为Z形、C形及T形。抗压铠装层为管道提供径向刚度，承受内压和外压，主要抵抗管道内部输送介质的内压载荷，同时也抵抗部分静水外压载荷，但不具备显著的承受轴向载荷和弯曲的能力。在内压小的情况下，柔性软管可以不需要此层。Technip公司生产的柔性软管抗压铠装层截面形式为Z形和T形，Wellstream公司生产的柔性软管抗压铠装层截面形式为Z形，NKT公司生产的柔性软管抗压铠装层截面形式主要为C形，还有K形、X形。由于K形、X形结构的疲劳性能评估较为复杂，难以采用小规模测试装置来模拟两种结构的加载情况，使得其未能推广应用。但疲劳对于抗压铠装层不是最关键的影响因素，因为钢带的缠绕角度使得管道发生动态移动而不会导致负载出现较大变化。由于抗压铠装层截面轮廓的不对称性，因此该层最常见的失效形式是解锁，其中Z形截面结构中发生解锁的概率比C形截面结构高。由于铠装层中金属面直接接触且相对移动，抗压铠装层第2种常见的失效形式是磨损。就磨损失效形式而言，C形截面结构因具有较大的惯性而使其风险更低。

2.3数据误差分析

两种实验所求得的软管总传热系数均比理论计算值小，说明软管采用的理论计算方法是保守的，这对于软管的实际使用来说更为安全。与瞬态实验相比，稳态实验所得软管总传热系数稍大，这是因为在瞬态实验过程中，软管内部介质是不流动的，而流动过程中不仅通过管壁传热，还会通过两端的接头传热，存在端部效应，稳态实验中因为软管内部的介质一直是稳定流动的，在轴向可以认为无对外放热，且传感器与端部有200mm的距离，因此，可以认为稳态实验没有端部效应。

2.4软管扭转的控制

由于海洋柔性复合软管是多层可错动的结构，其非金属层为挤塑工艺制造，其余层采用铠装的方式缠绕制造，这就决定了管道本身存在内扭转应力。随着几次倒盘及过驳，管道的内应力会逐渐释放出来。虽然每米长度的扭转角度非常小，但是在施工时管道需下放到百米深的海底，悬空的软管长度接近２００ｍ，这样自由的悬跨使得扭矩在末端进行累积，尤其是在单根的后入水接头部分体现最明显。另外，从储存盘倒运到旋转储管池时管道存在９０°的转变，也会有一定的内应扭转力存在。

2.5径向挤压试验

径向挤压试验是模拟实际工况下张紧器履带的挤压测试，从而评估管道的抗挤压能力，以APIRecommendedPractice17B规范规定的椭圆度要求为参考，检查该管道所能承受的横向抗压力。试验件长度应不小于2倍螺旋铠装层最长螺旋节距，本次试验样管长度为0.5m，测试在室温下进行。试验原理如图1所示。试验过程如下：将管道安装在万能检验机上，用木制垫块和压头夹住管道的中间部位，测量管道初始内径，计算其初始椭圆度；对管道进行横向挤压加载，从0逐渐加载到设计抗压载荷，加载速率不超过最大载荷的1%/s；加载至最大设计抗压载荷后，保持至少1h，测量管道内径变化，计算其椭圆度；将试样卸载至自由状态，1h后，测量管道卸载后的内径，计算其卸载后的椭圆度。试验结果表明：样管初始椭圆度为1.76%，抗压载荷加载到2.5t保持一段时间后卸载，管道椭圆度为2.86%，小于标准要求3%，符合验收标准。

图1径向挤压试验原理图

结语

海洋复合柔性软管在海上油气田的开发中应用越来越广泛，国产化软管的设计和生产能力已大幅提高，自主技术实施能力已趋于成熟。根据油田输送工艺和应用海域环境条件，在强大的分析计算能力支持下，确保设计的软管满足相关规范的要求。但软管正式生产前，仍有必要提前制作部分试验管道，进行各种工况下的不同性能试验，一方面进一步验证软管的可靠性，另一方面能更加有效地指导安装设计和施工。在推动柔性软管应用的同时，应加强在役软管的运营状态监测和检测技术的研发能力，并提升维保能力，为柔性软管的安全运营提供坚实的保障。

参考文献

[1]陈海.国产海底软管在海上油气田的应用[J].石油机械,2016,14(5):61-65.

[2]于银海,刘丰,江锦,等.复杂海况下大管径柔性软管连续弧形铺设施工工艺[J].石油工程建设,2018,4(1):36-40.

[3]汪智峰,黄海龙,黄佳瀚.柔性软管铺设方法及设备探讨[J].中国科技纵横,2011(5):324-325.