海洋模块钻机高压管道壁厚计算

(中海油能源发展装备技术有限公司 设计研发中心，天津 300452)

国内外行业标准关于管道的壁厚计算原理基本相通，差异在于对不同压力等级的管道，GB 50316、GB/T 20801、SY/T 5244及相关设计手册等壁厚计算的方法具有唯一性[1-3]，而美标ASME B31.3给出了两种不同的计算方法，其中压力等级小于等于CL 2500的管道壁厚计算方法与国内相关标准，设计手册算法一致；而对于压力等级大于CL 2500的高压管道，ASME B31.3给出了区别于常规管道设计的计算方法[4]。

模块钻机高压管道系统相对于其他普通压力管道系统，其壁厚减薄速率显著增大，渤海部分平台已根据检测报告重新更换了高压管道。国内各大管汇厂家提供用于钻井的高压管道，其管道强度计算报告显示，管道的壁厚计算基本遵照国内标准。

海洋模块钻机高压管道存在压力等级大于CL 2500的工况，结合行业现状出现的问题，有必要对高压管道的壁厚计算原理重新进行分析研究，根据国内标准和美标标准两种不同的算法，按照海洋模块钻机的实际输入工况进行计算对比，给出海洋模块钻机各尺寸高压管道的推荐壁厚值。

1 高压管道分类

常规海洋模块钻机高压管道按设计压力等级通常分5 000 psi(p≤CL 2500)和10 000 psi(p>CL 2500)两类。压力等级为5 000 psi的管道包含高压钻井液管道和节流压井管道，压力等级为10 000 psi的管道通常包含固井管道和节流压井管道。国内海洋模块钻机高压钻井液管道管径尺寸为5 in，节流压井管道管径尺寸为4 in，固井管道管径尺寸为3 in。

2 高压管道壁厚计算方法的区别

对于5 000 psi和10 000 psi压力等级的管道的壁厚计算，国内标准统一计算如下。美标ASME算法则根据设计压力等级给出了两种不同的算法，5 000 psi(p≤CL 2500)压力等级管道壁厚计算采用公式(1)，10 000 psi(p>CL 2500)压力等级管道壁厚计算如下。

(1)

tm=t+c

(2)

c=c1+c0

(3)

式中:tm为计算的最小壁厚；t为管道的内压设计厚度；c为机械裕量(螺纹或沟槽深度)与腐蚀和磨蚀裕量总和；c1为内裕量总和，c0为外裕量总和；p为设计内压(表压)，kPa；D为管道外径，mm；S为材料的许用应力，kPa；E为质量系数；W为焊缝结构强度降低系数；Y为材料温度系数。

p>CL 2500

(4)

由此可见，国内标准与美标ASME区别主要在10 000 psi压力等级管道的算法选用上。

3 管道外径

目前国内外海洋平台管道设计，其外形尺寸均按ASME B36.10M设计，模块钻机高压管道外径尺寸对照参见表1[5]。

表1 模块钻机高压管道外径尺寸

4 材料许用应力

ASME B31.3标准对管道材料许用应力没有给出明确的计算公式，该标准在附录表A-1中列出了大量金属材料在不同温度环境下的许用应力值，从附录表A-1的材料许用应力值和材料的抗拉强度、屈服强度数据进行对比分析、推导，可得出管道材料许用应力值基本符合以下计算原则。

(5)

(6)

式中；ST为材料标准抗拉强度下限值，MPa；SY为材料在设计温度下的屈服强度，MPa。

国内海洋模块钻机高压管道常用的材料为API Spec 6A 75K等级材料,材料的抗拉强度最小为655 MPa,屈服强度最小为517 MPa[6],具体材料型号通常选用ASTM A519 4130[7]或35CrMo[8],根据上述管道材料许用应力计算原则，海洋模块钻机5 000 psi及10 000 psi压力等级的许用应力值见表2。

表2 模块钻机高压管道许用应力值

5 设计余量

管道的设计余量包含机械余量、腐蚀余量和磨蚀余量。海洋模块钻机高压系统管道因其介质由重晶石、膨润土等固体颗粒物混合调配而成，且管道系统设计压力高，介质流速快，因此，设计余量须重点考虑介质对管壁磨蚀产生的影响[9]，根据SY/T 5244 表A.2并结合多年海上平台高压管道使用调研及数据检测，国内模块钻机常规材质的高压管道设计腐蚀余量建议选为3 mm。

6 选取结果及差异对比

管道制造偏差通常按12.5%考虑[10]。为便于钢厂管道批量标准化生产，管道壁厚等级系列应尽量满足ASME B36.10M或圆整。根据SY/T 6962要求，模块钻机节流、压井管道的内径不应小于76.2 mm，根据钻井作业需求，高压泥浆管道内径不应小于100 mm,固井管道内径不应小于50 mm[11]。

输入以上管道数据及要求进行计算,得出美标ASME B31.3管道壁厚计算选取结果见表3，国内标准管道壁厚计算选取结果见表4,两种算法计算结果对比见表5。

表3 美标管道壁厚计算选取结果

注：壁厚实际最小值为壁厚选取值减去12.5%的钢厂制造负偏差。

对比总结如下。

1)5 000 psi高压管道，国内标准与美标ASME管道壁厚计算原理及计算结果无差异。

2)10 000 psi高压管道，国内标准与美标ASME采用了不同的计算公式，ASME标准算法引入了指数函数，重点考虑了设计压力p值对计算结果的影响，并从两者的计算公式可知ASME标准的壁厚计算值大于国内标准的壁厚计算值。

表4 国内标准管道壁厚计算选取结果

表5 国内外标准管道壁厚计算差异对比

3)10 000 psi高压管道，3 in固井管道ASME标准比国内标准壁厚理论计算值大2.56 mm，4 in节流压井管道ASME标准比国内标准壁厚计算值大3.3 mm。

4)对于CL 2500以上管道，压力等级越高，美标与国标壁厚计算值差异越大。

7 结论

海洋模块钻机5 000 psi等级高压管道，国内外标准算法原理相同，通过计算推荐4 in管道壁厚选取为XXS(17.12 mm)，5 in管道壁厚选取为XXS(19.05 mm)。

海洋模块钻机10 000 psi等级高压管道，根据国内外标准壁厚计算公式及计算结果差异对比，美标ASME B31.3较国内标准算法要求更严谨，更安全。考虑到海洋环境对模块钻机设施使用的局限性及苛刻要求，10 000 psi等级高压管道壁厚计算方法建议选用美标ASME B31.3。经计算，推荐4 in管道壁厚选取为18 mm，5 in管道壁厚选取为19 mm。