课程设计实例-海底管道立管.

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。

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

71.010kg d ⨯； 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 =1.010kg d ⨯, 70q =0.610kg ⨯, 油气比3G=40m t

2 ρ0=968.2kg/m

3 μ0=742.38cp 3 ρg =0.9690㎏/m 3

4 ρw =1025kg/ m 3 μw =1.7cp(水在20℃)

5 液体输送温度按80℃，液体输送压按14.7MPa 。

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

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 =1.010kg d ⨯,70q =0.610kg d ⨯,ρ0=968.2kg/m 3，ρw =1025kg/m

3 则w q =4000kg ，可计算出液体（油与水）的密度：

w

w 00q q q ρρρ=

+ =10000

40001.025+60000.9682

=990.13kg m （2.1）

相对于水的相对密度，即比重S = w ρρ =0.9660

由于气体的密度g ρ=0.96903kg m ，取空气密度为a ρ=1.03kg m ，可得气体对空气的相对密度g S =0.9690。

1. 管道的平均输油温度

采用液体输送温度80o C 作为平均温度

T =1.8⨯80+491.67=635.67(o R )

2. 平均压力

液体输送压力按1502

kg cm ，即P =150（2

kg cm ）=14.7MPa 3. 液体流量

g Q =1.200q G=1.20⨯6000⨯40=288000(3m )=10.17(⨯6103ft d )

Q =1.20q ρ =1.20⨯10000/0.9901=12120.0(3m d )=76235.6bbl d 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=3180g Q g S +14.6Q S

=3180⨯10.170⨯0.9690+14.6⨯76235.6⨯0.9660 =1.1065⨯610（lb h ）

5. 在流动压力及温度下的油气混和物密度

气液比R=g Q =1.0170⨯710/76235.6=133.40（3ft ） 则m ρ=

g 12409S P+2.7S P 198.7P+RT

=51.74（3lb ft ）?

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（3m ）

80o C 时密度ρ =990.1（3kg m ） 动力粘度0μ=742.38cp 运动粘度υ=μρ=742.38/.9901=749.803mm

根据运动粘度与经济流速的关系知当υ=749.803mm s 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