深海钢悬链线立管设计 1 前 言 经济的高速发展必然带来能源的大量消耗，寻求廉价而供应充足的能源已经成为各国经济发展的重大问题。科学技术的发展的现状表明：太阳能、地热能利用和开发还处于初级阶段，在能源消耗总额中占的比重也很少；核能正在发展，所占的比重正在逐渐提高，但也受到技术水平、铀矿资源的限制；在核聚变能量被工业大量实际应用以前，石油天然气等燃料仍然是社会使用的主要资源；而石油由于比较容易开采、运输和利用，就必然成为现代国民经济的重要支柱。世界上大量的政治、军事、经济的运动都是围绕石油问题进行的。勘探表明，在大陆架的39%地区含有油气构造，其储量占全世界石油的30%~40%。而美国的墨西哥湾、欧洲的北海、西亚的波斯湾、北非海域以及南中国海域、渤海海域都已成世界各国开发海洋石油资源的重要场所。目前在各大洲大陆架的不同工作水域有各种类型的近海工程结构物，主要应用于海底油气资源的勘探和开发。 海洋立管是浮式海洋平台与海底井口间的主要连接。作为海面与海底的一种连接通道，它也可用于固定式平台及勘探船。下端通过万向节与海底井口连接，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合，这样，平台或船舶在波浪作用下发生任何可能的运动时，立管有足够的运动自由度随之运动，并在平台或船舶发生垂直震荡是改变其长度。立管本质上有两种，即刚性立管和柔性立管。海洋立管具有多种可能的结构，如顶张力立管（TTP）、自由悬挂的钢悬链线立管（SCR），惰性S立管，陡峭型S立管，惰性波浪立管、陡峭型波浪立管等。 立管的设计应该满足实际的海洋环境载荷，小直径的立管通常被固定在隔水套管中，海洋环境在核对其影响较小。较大直径立管科直接由平台支持置于海洋环境载荷中，此时，立管将同时承受内流体流动的作用和管外海洋环境载荷作用。立管所承受的海洋环境载荷主要有风、浪、流、冰和地震载荷等，其中波浪和海流是最重要的海洋荷载。并且受水流作用的工程结构都有可能发生涡激振动。 目前海中立管的动力设计计算并不考虑内流体的流动作用，这样设计是不合理的，也是不安全的。但由于知识与数据的缺乏，本设计将不对内流体的流动作用进行设计。 深海钢悬链线立管设计 2 第一章 立管设计的基本依据

该立管为南海某海域1000m水深的生活动力平台通过海底管道输送产物的立管。

1.1 立管用途和功能 1、生活动力平台的产物经过此立管输送到spar平台上，最大输送量 71.010kgd

；

2、采用双层保温管结构； 3、内管内腐蚀裕量3.2mm,外管外腐蚀裕量6.0mm； 4、立管设计寿命按20年设计。

1.2 环境条件 1.风 设计风速 60m/s,强风向 NE 施工风速20 m/s 2.波浪 50年一遇波高6.8m,平均周期9.3s 3.海流 五十年重现期0.9233m/s(水面) 4.水深 最大水深1000m; 5.温度 大气:最高38℃,最低-20℃ 海面:最高30℃,最低-0.5℃ 6.海生物厚度 按平均厚度2cm考虑。

1.3 液体性质 1 71q=1.010kgd, 70q=0.610kgd, 油气比3G=40mt 2 ρ0=968.2kg/m3 μ0=742.38cp

3 ρg=0.9690㎏/m3

4 ρw=1025kg/ m3 μw=1.7cp(水在20℃)

5 液体输送温度按80℃，液体输送压按14.7MPa。 深海钢悬链线立管设计 3 1.4 立管的设计依据 1.参照中国船级社：《海底管道规范安全规则》（草稿）1987 2.参照挪威船级社DNV：《海底管道系统规范》1981 深海钢悬链线立管设计

4 第二章 立管的工艺设计与计算

立管的工艺设计计算与普通管道的工艺设计计算大致相同。 根据油田总体规划中确定的工艺流程和分流规划，对管道系用进行一系列的工艺计算与分析，例如，降压、降温计算，段塞流分析，允许停输时间计算，再启动计算。 其目的是选择合理的管道的管径和断面型式。其中最主要的工艺计算是压降、温降所需要的水力计算和热力计算。 在输送易凝固原油时，立管部位是咽喉薄弱环节，除了做好对管道的隔热保温外，还应考虑其他加热、放热、降粘措施。 2.1 立管的尺寸设计 2.1.1 主要设计参数计算 1.输送介质的密度及比重 已知：71q=1.010kgd,70q=0.610kgd

,ρ0=968.2kg/m3，ρw=1025kg/m3

则wq=4000kgd，可计算出液体（油与水）的密度：

ww00qqq=1000040001.025+60000.9682=990.13kgm （2.1）

相对于水的相对密度，即比重Sw=0.9660 由于气体的密度g=0.96903kgm，取空气密度为a=1.03kgm，可得气体对空气的相对密度gS=0.9690。 1. 管道的平均输油温度 采用液体输送温度80oC作为平均温度 T=1.880+491.67=635.67(oR)

2. 平均压力 液体输送压力按1502kgcm，即P=150（2kgcm）=14.7MPa 3. 液体流量

gQ=1.200qG=1.20600040=288000(3md)=10.17(6103ftd) 深海钢悬链线立管设计 5 Q=1.20q=1.2010000/0.9901=12120.0(3md)=76235.6bbld

其中，系数1.20时为安全起见所乘的备用系数。 4. 液气的总质量流量 W=3180gQgS+14.6QS =318010.1700.9690+14.676235.60.9660 =1.1065610（lbh） 5. 在流动压力及温度下的油气混和物密度 气液比R=gQQ=1.0170710/76235.6=133.40（3ftbbl）

则m=g12409SP+2.7SP198.7P+RT=51.74（3lbft）? 2.1.2 由原油流量及流速条件初选管径 已知：输油量Q=0.140278（3ms） 80oC时密度=990.1（3kgm） 动力粘度0=742.38cp 运动粘度==742.38/.9901=749.803mms 根据运动粘度与经济流速的关系知当=749.803mms时查表2.1可知 平均流速为：V=1.0~1.1m/s 表2.1管路中油或气流的经济流速参考值 油品运动粘度（ 2mms） 平均流速（ms） 1—12 吸入管路 排除管路 12—28 1.5 3.5—2.5 28—72 1.3 2.5—2.0 72—146 1.2 2.0—1.5 146—438 1.1 1.5—1.2 438—977 1.0 1.2—1.1 压缩性气体 0.8 1.1—1.0 饱和蒸汽 8—20 橡胶软管 30—40 深海钢悬链线立管设计 6 对热油管道而言，经济流速通常比不加热的管道要高，他的范围与国民经济中各

项费用的比值有关，我国目前对这些经济参数还缺乏总结，根据目前的实践，热油管道的经济流速范围为1.5~2.0ms。所以，取经济流速V=1.8ms。 根据流量初选管径，按使用期的最大流量计算： 输油量Q=0.140278（3ms）

内径iiD=4QV=315mm，即iiD=314.96mm= 12.40in 初步选定公称直径355.6mm(14in)的管子作为内管。选择外管时要考虑60mm的保温层。 综上，以下为初选管径结论： 选用API标准5LX—65级无缝钢管 2.2选取的钢管参数 公称直径（mm） 外径（mm） 壁厚（mm） 内径（mm） 重量（lb/ft） 内管 355.6 355.6 17.48 320.65 97.91 外管 508 508 15.88 476.25 129.45 保温层使用聚氨酯泡沫，60mm厚，密度353kgm； 钢管外层涂3.0mm聚乙烯涂层，=9253kgm。

2.2 立管的温降计算 2.2.1 热阻R及总传热系数K的计算 输送高粘度、高凝固点原油时，因流动时的压力、温度变化，影响流动甚至造成原油在管道内凝固。为改善这种油的输送条件，通常需将原油加热到一定温度再输送，并对管道进行保温。在本设计中原油入口温度80oC，温度较高所以不必加热。 热阻计算公式： 312

111122332

DDD111111

RlnlnlnDd2d2d2dD

 （2.2）

式中： 1——油流向管内壁的放热系数，取402W(mk)； 2——管外壁至周围介质（海水和空气）的放热系数，2W(mk)； 深海钢悬链线立管设计 7 1——内管的导热系数，取482W(mk)；

2——保温层泡沫塑料的导热系数，取0.0412W(mk)；

3——外管的导热系数，取482W(mk)；

1D——内管的外径355.6mm；

1d——内管的内径320.6mm；

2D——保温层的外直径，取保温层内外直径的平均值415.60mm；

2d——保温层的内直径，355.6mm；

3D——内管的外径508mm；

3d——内管的内径，476.25mm； D——立管外围的直径，508mm。

计算放热系数1时，紊流状态下的1比层流时的1大得多，通常都大于1002W(mk)，二者相差数十倍。因此，紊流时的1总传热系数的影响很小，忽略不计。但层流时的1则必须计入。取1=402W(mk)。 计算管外壁至周围介质（海水和空气）的放热系数2时，由于介质的放热系数很大，经常大于2322W(mk)，忽略热阻中的这一项。 热阻： 312

111122332

DDD111111

Rlnlnln0.631mKW 󰀀Dd2d2d2dD



2.2.2 出口油温2t的计算 出口温度： KDL-L-LGcRGc2010010010tt(tt)et(tt)et(tt)e （2.3）

式中：0t——周围介质的温度，—20oC； 1t——管道入口油温，为80oC

2t——管路末端油温；

c——比热，取0.5okcal(kgC)； L——管道的长度为2400m； G——流油的质量流量，751q=1.0104.1710kgdkgh；