【某油气集输方案的水下生产系统设计案例7700字（论文）】

32某油气集输方案的水下生产系统设计案例目录某油气集输方案的水下生产系统设计案例 1油气集输总体方案拟定 1系统主要组成 1井口节流模拟 1海底管道系统设计 2海底管道埋深 2海底管道结构设计 3管道位置稳定性分析 11PIPEPHASE模拟 14管道保温及防护设计 15管道防腐设计 16海底管道敷设 17海水供应系统 18防海生物装置的选择 19油气集输总体方案拟定可初步拟定设计方案如下：气田产物混输上岸处理+污水处理厂处理+海底电缆发电气田产物包括天然气、水和凝析油在海洋平台上进行计量，随后通过海底管道混输送至陆地终端，由陆上终端站场对天然气、凝析油、水进行处理。气田区块由海底电缆供电。系统主要组成本设计里水下生产系统主要由海底管道系统和辅助生产系统组成。井口节流模拟气体井口的物流压力过高，大于管道的模拟起点压力，现对其压力进行降压，本设计采用二级节流的方式，如图4.1所示。根据HYSYS模拟图，可得二级节流后的井流物将不会生成水合物。如图4.2所示图4.1二级节流模拟图4.2相图海底管道系统设计海底管道埋深本工程距岸终端120Km，已知条件未给出海底管道上岸所经过的区域是否为渔猎区、船舶航行区。国外规范对于不同海域海底管道埋深的要求也不相同（如DNV规范、ABS规范、ISO规范等）。表4.1穿越不同工程等级管段最小埋深水域情况不同工程等级下管道最小埋深（m）大型中型小型冲刷或疏浚水域，应在设计洪水冲刷线下或疏浚线下，二者取其深≥1.5≥1.2≥1.0无冲刷或疏浚水域，英迈在水床底面以下≥1.5≥1.3≥1.0河床为基岩并在设计洪水下不被冲刷时，管段应嵌入基岩深度≥0.8≥0.6≥0.5由于国内这方面的规范和标准都尚不明确，在实际工程中，建设单位常常会保守处理，但这样会导致成本增大，考虑到大多数船舶的船锚类型和航行区域，1.5m~2m是一个相对保守和安全的海底管道埋深数值（此埋深数值基本可以抵御脱锚对管道带来的伤害，但是对于船舶抛锚活动来说即使埋深3~5m或更大也难以完全避免抛锚触底撞击管道的影响，但是过分强调抛锚影响不够经济合理）。综合考虑，此处管道埋设深度取值为2.0m。海底管道结构设计管材选取海底管道的管材选择，必须满足设计和海上铺管的施工要求，在能满足施工条件和安装要求的前提下，要选用性价比最高的管材。根据成管工艺要求，用于海底管道的管材主要有：无缝钢管；高频电阻直缝焊管；直缝埋弧焊管；螺旋缝埋弧焊管提高钢管强度，可以减少管壁厚度，节约大量钢材，降低建设成本。海底管道用钢的屈服强度和抗拉强度一般为245~555MPa。但钢材等级越高，造价也会提高。因此，海底管道的钢材选取需综合考虑。本次设计中海底输气管道钢材选用X52无缝钢管，最小屈服强度为360MPa，最小极限抗拉强度为460MPa，导热系数为46W/（m·℃），密度为7850kg/m3。标准流量转换为工况流量Q=Q式中：Q——气体在工况下的流量，m3/s;Qg——气体在标况下的流量，m3P——气体的流动压力，MPa；T——实际温度，K；Z——压缩因子，取0.8。表4.4工况况下的流量井序号标况下流量（m3/d）工况下流量（m3/s）1-83121000.04593218000.050103127000.049111841000.026122918000.042133153000.045141545000.022153268000.047163021000.043管径初选海底输气管道管径的选取通常根据气田产量，以建成的具有相似产能的海底输气管道管径欸参考进行选取。同时根据输气量，选定经济流速，对管径进行计算，计算公式如下：d=4Q式中：d—管道内径，m；Q—输送介质流量，m3/s；V—经济流速，m/s管道克服内应力所需要的最小壁厚为tm=式中：tmt—管道满足压力要求所需的最小计算壁厚，mm；C—考虑机械、腐蚀、冲蚀等因素引起的管道壁厚裕量，mm。满足内压要求的管道计算最小壁厚可按下式计算：t=PD式中：t—管道满足压力所需的最小计算壁厚，mm；P—管道设计压力,MPa；D—管道外径，mm；S—材料的最小屈服强度，MPa；F—设计系数，取决于所适用的规范和管道所在的区域，对于海底管道，一般分两个区域，区域1：适用于管道距离平台大于0.5Km，F=0.72，区域2，适用于管道距离平台小于0.5Km，F=0.50；E—焊机点系统（对无缝钢管E=1）；海底管道设计压力的应按工作压力的1.5倍确定。计算过程如下：本次设计中海底管道是油气混输，根据经济流速计算出最大腐蚀速率为3.5m/s。故经济流速取3.5m/s。管道内径：d=最小管道壁厚：t=10.5×128预选各管段参数见表4.2表4.5管段预选参数管段D（mm）t（mm）1-813649143410142411105412132413136414974151394161344根据规范预选海底管道各管段的管径型号见表4.6表4.6预选管径型号管道编号外径（mm）壁厚（mm）管道编号外径（mm）壁厚（mm）115049150421504101504315041115044150412150451504131504615041410047150415150481504161504管道强度核算环向应力计算内部和外部压力差产生的环向应力不得超过下式规定的允许值：σyp式中：σypη——利用系数，取值见表4.7；σFkt——温度降低系数，温度低于120℃时，k表4.7利用系数区域荷载条件a荷载条件b荷载条件c1区0.720.960.92区和立管0.50.670.9荷载条件：a工作荷载条件；b设计环境荷载和同时作用的工作荷载条件；c水压试验或停输再启动荷载。区位划分：1区指距某一平台或建筑物一定距离相邻之外的那部分海床，一般该距离取500m；2区指某一平台或建筑物周围相邻的那部分海床，该区范围通常为500m。计算过程如下：σ环向应力按下式计算和校核：σy式中：σypipeD——钢管外径，mm；t——钢管最小允许壁厚，mm。外部压力pe为水压和土壤压力，p计算过程如下：σσ环向压力核算结果如表4.8所示：表4.8环向压力核算结果管道编号内压，MPa外径，mm壁厚，mm环向应力，MPa允许环向应力，MPa核算结果1-810.51362.6196.15345.6合格910.51432.6206.25345.6合格1010.51422.6204.81345.6合格1110.51062.6152.88345.6合格1210.51322.6190.38345.6合格1310.51362.6196.15345.6合格1410.5972.6139.9345.6合格1510.51392.6200.48345.6合格1610.51342.6193.27345.6合格轴向应力计算管道轴向应力σs，包括由温差作用生成的温度应力σT、内压作用生成的轴向应力σP温度应力对于完全被约束的管道，温度应力的计算方法如下：σT式中：α——管材线膨胀系数，1.2×10E——钢材的弹性模量；∆t——温度差，∆t=TT2T1管道安装温度取海水最低温度0℃；管道运行温度为45℃；钢材的弹性模量为206GPa。计算可得温度应力：σT内压作用生成的轴向应力内压作用生成的轴向应力σPσP式中：v——泊松比，为0.3；di负号表示受压；其他符号定义同前。计算过程如下：σP1σ内压作用生成的轴向应力计算结果如表4.9表4.9轴向应力σP管道编号环向应力，MPa内压，MPa管径（mm）σP1-8196.1510.512870.3859206.2510.513574.4210204.8110.513473.84511152.8810.59752.07地震应力海底埋地管道在地震力的影响下，由于随地表面而产生波动会引起管道轴向产生拉压应力σAσAσLσBλ1λ2式中：σLUℎ——表面水平变为幅值，Uℎ=0.203T——表层土自振周期，T=CHH——表层土壤深度，标准贯入击数50时的深度；C——土壤系数，砂土取5.2，黏土取4.0，本设计中取4.0；vs——表层土剪力波传播速度，vN——管道位置处表层土标准贯入击数，取10；Sv——标准相应速度，当T≥0.5时Sv=80cm/sKoℎ——设计基层土顶处水平地震系数，KKℎv3——土壤分类系数，一般取vE——钢材的弹性模量；L——基层土顶面地震波波长，L=2L1L2vos——基层土顶面处剪切波波速，vN0D——钢管外径；Ap——钢管截面积，AIp——钢管截面惯性矩，Ip=K1、K2——K1=Kγsg——重力加速度，9.8m/s2。参考渤海海域软表层土性质，土壤的容重γs计算过程如下：KAα=IλλT=4.0×LLL=KUσσσ将数据代入公式计算，由地震引起管道轴向产生拉压应力σA表4.10地震应力计算结果管道编号σLσB地震应力σA1-8139.6756.7283.419147.7632.753.4110180.5054.493.4111220.8094.793.41轴向应力控制准则轴向应力σsσ计算过程如下所示：σσ轴向应力校核结果如表4.11所示:表4.11轴向应力校核结果管道编号σTσPσA轴向应力，MPa允许轴向应力，MPa核算结果1-8111.2470.3853.41185.035345.6合格9111.2474.423.41189.07345.6合格10111.2473.8453.41188.495345.6合格11111.2452.073.41166.72345.6合格等效应力校核等效应力σsσe式中：τxy其他符号意义相同。如果σe≤η计算过程如下：σ表4.12管道等效应力校核结果管道编号等效应力（MPa）允许等效应力，MPa核算结果1-8249.65345.6合格9138.64345.6合格10167.84345.6合格11238.12345.6合格由核算结果可知，本设计中管道选取的管径、壁厚和材质是合理的。管道位置稳定性分析垂向沉浮稳定性在本设计中主要考虑海底管道是否有发生上浮的可能。校核时按管道里充满空气考虑。管道浮力计算公式γse式中：γseγsG——固体土壤颗粒的相对密度；γww——土壤含水量；土壤阻力计算公式：Rv式中：RvC——重塑土的抗剪切强度；Dt管道上浮校核公式：γse式中：γp参考渤海海域埋设海管的土壤性质，本设计在海管埋设深度为管道顶部距离海底2.0m，该位置处海底粘性土壤含水率为40％，固体土壤颗粒的相对密度为2.6，海水的相对密度为1.04，重塑土的抗剪切强度取5KPa。钢管重度为76.93KN/m3，保温层重度为0.59KN/m3，防腐层重度为1.37KN/m3，防腐层重度9.60KN/m3，空气重度为0.01KN/m3.计算过程如下：γRγ海底管道上浮稳定性校核结果如表4.15所示：表4.15管道上浮稳定性校核管道重度，N/m3土壤阻力，N/m3浮力，N/m3校核结果88.496172.843636.5合格水平横移稳定性分析要使管道在水平方向保持稳定，则需满足：（W式中：WsubFLFDFmS——横移稳定安全系数，取1.1；μ——管道和海底土壤之间的摩擦系数，如果没有实测数据，对于粘性土，通常取0.3，对于砂性土，通常取0.5.作用在单位管长上的拖曳力按下式计算：FD对应于固定边界的管道所受的升力可按下式计算：FL作用在单位管长上的惯性力应按下式计算：Fm式中：ρ——海水密度；D——管道总外径；vRa——波浪引起的水质点加速度；aRCDCLCm在使用这些流体动力系数时，将取决于下列参数表征的流动和管道状态；雷诺数RKc(Keulegan-Carpenter)管道粗糙度K管道与固定边界间的距离H式中：D——管道总外径；H——管道与固定边界的距离；T——波浪周期；K——粗糙度的高度；μ——流速；umv——水的运动黏度。管道无配重时波浪周期为3.1s，最大轨道质点速度为0.65m/s，管道总外径包括钢管外径、防腐层厚度、保温层厚度以及防护层厚度、计算出Kc计算过程如下：K根据摇曳力系数和升力系数，附加系数取1.0，摇曳力系数、升力系数、附加质量系数取值结果如表4.16所示：表4.16系数取值结果表管道总外径D，mKCCC0.533.81.423.451.0海水密度为1040kg/m3，水质点对于管道的相对速度即海水流速取0.3m/s，波浪引起的水质点加速度为0.3m/s2，水质点相对管道的相对加速度0.085m/s2,代入公式计算。计算过程如下：FFFm作用在单位管长上的摇曳力、升力以及惯性力计算结果如表4.17所示：表4.17拖曳力、升力以及惯性力计算结果管道总外径D，m摇曳力FD升力FL惯性力Fm0.1541.94112.237633.78管道单位长度水下管重包括钢管、防腐层、保温层以及防护层所受重力，管道和土壤之间的摩擦系数取0.3，代入公式计算：计算过程如下：WW表4.18水平横移稳定性分析结果Wsub（WF，N/m分析结果2589.88743.29743.292稳定PIPEPHASE模拟图4.2PIPEPHASE模拟图管道保温及防护设计由于海底环境温度较低（0℃），天然气为防止水合物生成应升高温度，凝析油凝点19℃左右，为减少凝析油在输送过程中热量损失，需进行管道保温设计。常见的海底管道保温结构有两种，分别是双层保温管道和单层保温管道。双层保温管道和单层保温管道。双层保温管道能对保温层进行很好的保护、抗船舶抛锚等意外荷载的作用强，其缺点时海上铺管效率低、安装工程量大、需对外部套管进行腐蚀防护及阴极保护、工程造价高；和双层保温管对比，单层管可节省约2/3的钢材和外防腐材料、减少铺管焊接工作量，提高海管铺设速度，降低管线系统造价。国内外在浅海区普遍采用单层保温配重管结构形式。本设计中采用单层保温配重管，由内及外分别为钢管、防腐层、保温层、聚乙烯防护层和混凝土配重层。如图图4.3单层钢管保温管道横截图本次设计中保温层材料选用硬质聚氨酯泡沫，保温层厚度为30mm，导热系数为3.5W/（m∙℃），密度为60kg/m3.单层保温配重管一般选用聚乙烯作为防护材料，本设计中聚乙烯护管厚度为3.0mm，导热系数为3.5W/（m∙℃），密度为950kg/m3.+管道防腐设计管道外防腐对于单层保温海底管道，通常采用熔结环氧（FBE）外防腐涂层，一般要求厚度为0.55~0.65mm。因此，本设计采用FBE外防腐层，防腐层厚度为0.6mm，导热系数为6.25W/（m∙℃）.熔结环氧粉末性能要求如表4.13所示。表4.13熔结环氧粉末性能项目性能密度，g/cm31.3~1.5粉径分布250μm筛上粉末≤0.2％；150μm筛上粉末≤0.3％胶化时间，s180℃：≤90；230℃≤30固化时间，min180℃：≤5；230℃≤1.5挥发物质含量，％≤0.5熔结环氧粉末涂层性能要求如表4.14所示：表4.14熔结环氧粉末涂层性能项目性能24h或48h耐阴极玻璃，mm≤828d耐阴极玻璃，mm≤10耐化学腐蚀合格断面孔隙率，级1~4粘结面孔隙率，级1~4抗3°弯曲无裂纹1.5J冲击无针孔附着力，级1~3热特性符合生产厂家要求考虑冬季温度低，海面结冰的影响，立管外防腐层选用环氧玻璃鳞片涂料。弯管和接点选用热缩带。管道内防腐考虑到二氧化碳和硫化氢对管道内壁造成腐蚀，所以需对管带内防腐进行设计。管道内防腐措施一般有：碳钢+腐蚀裕量+缓蚀剂；选用耐蚀材料；脱除腐蚀介质或水；定期清管。内防腐层在海底管道上很少应用，涂层会有针孔等局部缺陷，并且受尺寸影响，接头的内防腐层很难处理，局部的裸露会造成管道的加速腐蚀。因此，管道一般不做内部涂层。因为天然气中CO2含量较高，本设计中采用耐蚀材料，以及定期清管的管道内防腐措施。海底管道敷设敷设方法海底管道及立管铺设方法有拖曳法、铺管船铺设法和围堰法，目前国内使用最广泛的铺设方法为拖曳法和铺管船铺设法。拖曳法（牵引法铺设技术）拖管法中的管道一般在陆上组装场地或在浅冰避风水域中的铺管船上组装成规定的长度，然后用起吊装置将管道吊到发送轨道上，再绑上浮筒和拖管头，用拖船将管道拖下水，按预定航线将管线九尾、下沉，最后将各段管道对接，完成管道铺设全过程。铺管船铺设法铺设海底管道的最常用的方法是铺管船法。目前有3种不同类型的铺管船，包括传统的箱型铺管船、船型铺管船以及半潜式铺管船，按定位形式又可分锚泊定位和动力定位两种形式铺船。围堰法浅海滩涂靠近海岸的地区，沿着管道路由两侧建造围堰，使得围堰区不受潮流、海浪的影响，以便管道分段拖拉就位，落潮时排掉围堰内的海水，进行关断接口，然后采用水陆两用的挖沟设备进行挖沟埋管，回填土施工完毕后将围堰拆除。围堰修建施工难度大，费用高，工程量大。根据上述比选，本次设计中使用拖曳法进行管道敷设。海水供应系统为了维持海上平台的生产，需要生产用水，由于平台远离陆地，不可能大量使用淡水，只能就地取用海水。海水主要用于工艺介质冷却、设备冷却、冲洗设备及甲板等。设备冲洗及甲板冲洗用水根据相关规定按冲洗强度0.2~0.4L/(s`m)、冲洗时间1.0~1.5min确定水量。泵型的选择海水提升泵常用泵型主要有2种，潜水泵和长轴泵，两种泵各有优缺点。对于潜水泵，由于电动机在水下，为了保证潜水泵吸水，其叶轮需要浸没在水下一定深度，若水深不合适，容易将海底的泥沙搅起，携带泥沙的水会磨损潜水泵电动机轴，影响水泵电动机的使用寿命。长轴泵则刚好相反，其电动机在平台甲板上，可以在较浅的水下工作。但长轴深井泵传动轴长，其轴长达10~30m，检修时需要将轴一节一节地提升到平台甲板上，轴的连续与固定比较麻烦，机械故障率高。潜水泵由于传动轴短，不会出现长轴深井泵存在的问题，在海上石油平台已广泛使用，对电动机功率为几十千万瓦的泵尤为合适。对于功率较大的泵，其电动机体积也大，在水下存在的技术问题较多，检修频率增加。根据此气田区块环境以及工艺需要，本设计选取长轴深井泵作为海水提升泵。海水提升泵参数的选择泵的流量和台数的选择本方案中选用5台海水提升泵，其中一台作为备用