葛玖浩 李 偉 陳國明 李秀美 張慎顏 阮彩添 袁新安

（中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580）

基于極限承載能力分析的超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法*

葛玖浩 李 偉 陳國明 李秀美 張慎顏 阮彩添 袁新安

（中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580）

基于結(jié)構(gòu)極限承載能力分析法，以3 000 m超深水重力式水下分離器為研究對(duì)象，根據(jù)ASMEVIII-I基本公式計(jì)算結(jié)構(gòu)初始壁厚，借助有限元軟件建立了超深水水下分離器整體模型，開展了基于5%最大主應(yīng)變準(zhǔn)則的極限承載能力校核和雙非線性穩(wěn)定性極限承載能力校核，并在此基礎(chǔ)上提出遞歸循環(huán)算法優(yōu)化壁厚，最終構(gòu)建了超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法。根據(jù)最優(yōu)壁厚制造了超深水水下分離器試驗(yàn)樣機(jī)，開展了高壓艙壓潰試驗(yàn)，結(jié)果表明：本文所建立的超深水水下分離器整體模型具有較高精度，塑性極限分析和穩(wěn)定性分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差分別為13.11%、8.80%；本文所構(gòu)建的超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法充分利用了材料的極限承載能力，在保證結(jié)構(gòu)高耐壓和高可靠性的基礎(chǔ)上，相比彈性應(yīng)力分類法提高承載能力44.4%，并有效減小設(shè)計(jì)壁厚達(dá)20%。

超深水水下分離器；承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)；塑性極限分析；穩(wěn)定性分析；高壓艙壓潰試驗(yàn)

水下分離器是深海油氣開發(fā)的重要裝備，其在深水環(huán)境完成油氣液三相分離并將回流注入地層補(bǔ)充地層壓力，具有降低井口背壓、提高采收率、減少段塞流、降低邊際油氣田開發(fā)成本等特點(diǎn)［1-4］。目前國外Tordis、Marlim、Pazflor、Perdido、BC-10等5個(gè)油田已將水下分離器投入使用，最大工作水深已達(dá)到2 590 m［2-7］。挪威、美國、巴西等國家已經(jīng)掌握了水下分離器等水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，F(xiàn)MC、Cameron、Aker Solutions和GE等公司壟斷國際水下設(shè)備生產(chǎn)銷售市場，而我國的海洋油氣開發(fā)主要集中在300 m內(nèi)的近海環(huán)境，主要以固定式采油平臺(tái)、干式采油樹作為主要的開發(fā)手段，對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施還未形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，深海油氣田開發(fā)技術(shù)遠(yuǎn)落后于國際大石油公司［8-11］。

目前關(guān)于水下分離器設(shè)計(jì)方面的專門標(biāo)準(zhǔn)只有挪威石油公司制定的DNV-RP-F301水下分離器設(shè)計(jì)推薦做法，涵蓋了水下分離器設(shè)計(jì)、制造及測試的一般要求［12-13］。我國水下分離器研究起步比較晚，還未形成有效的設(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)和推薦做法。筆者所在課題組在研究中采用應(yīng)力分類法開展了水下分離器強(qiáng)度分析［14］；姜玖輝等［15］分析了局部凹陷對(duì)分離器筒體極限承載能力的影響；李志剛等［16］采用壓力容器分析設(shè)計(jì)直接法開展水下分離器強(qiáng)度校核；秦蕊等［12］對(duì)比了ASMEVIII、GB150等壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為水下分離器的設(shè)計(jì)須以DNV-RPF301為指導(dǎo)原則，以ASMEVIII-I為強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。由于超深水水下分離器承受巨大外壓，強(qiáng)度破壞和屈曲失穩(wěn)是其主要的破壞形式［17］，因此，不同于潛艇等承壓殼體和外壓容器，超深水水下分離器長期工作于深海環(huán)境，受到靜水外壓保護(hù)且無波動(dòng)。常規(guī)設(shè)計(jì)方法片面認(rèn)為，無論是整體應(yīng)力還是局部應(yīng)力達(dá)到屈服極限，整個(gè)容器便失去了正常的工作能力，但實(shí)際上當(dāng)局部應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，容器其他大部分區(qū)域應(yīng)力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一數(shù)值，這樣會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)壁厚過大，使得設(shè)計(jì)材料的塑性能力沒有得到經(jīng)濟(jì)合理的利用［18］。

針對(duì)以上問題，本文基于極限承載能力分析方法，參考ASME、EN13445等外壓容器、承壓設(shè)備分析設(shè)計(jì)方法，開展具有針對(duì)性的超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚分析設(shè)計(jì)方法研究，考慮能充分利用材料性能的5%最大主應(yīng)變極限分析方法及屈曲失穩(wěn)問題，以3 000 m超深水重力式水下分離器為研究對(duì)象，借助有限元軟件構(gòu)建水下分離器承壓殼體壁厚確定方法，在此基礎(chǔ)上提出壁厚優(yōu)化方法，最終根據(jù)設(shè)計(jì)壁厚采用國產(chǎn)13Mn Ni MoR、20Mn Mo Nb鋼材制造1∶3試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行高壓艙模型壓潰驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為我國深水、超深水水下分離器的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，同時(shí)也為我國壓力容器分析設(shè)計(jì)方法的實(shí)踐應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 方法的建立

重力式超深水水下分離器主要由筒體、接管、支座組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過改變筒體內(nèi)徑、長度和接管數(shù)等參數(shù)可以獲得不同處理能力。

圖1 重力式超深水水下分離器基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of gravity ultra-deepwater subsea separator

針對(duì)超深水水下分離器承受壓力巨大、維修難度大、可靠性要求高等特點(diǎn)，根據(jù)ASMEVIII-I非受火壓力容器外壓容器壁厚公式獲得初始壁厚［17-18］，使用有限元軟件建立超深水水下分離器整體模型，采用極限承載能力分析和雙非線性屈曲分析獲得水下分離器承壓結(jié)構(gòu)塑形極限載荷及穩(wěn)定性極限載荷，參照工況對(duì)比結(jié)果安全性，對(duì)承壓結(jié)構(gòu)壁厚進(jìn)行遞歸優(yōu)化，循環(huán)計(jì)算與分析直至計(jì)算壁厚滿足安全要求為止。超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法如圖2所示。

1.1 水下分離器承壓結(jié)構(gòu)整體模型的建立

以3 000 m超深水水下分離器為研究對(duì)象，通過ASMEVIII-I非受火壓力容器外壓容器壁厚公式獲得初始壁厚［19］，其結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)見表1。充分考慮水下分離器支撐方式以及各局部位置應(yīng)力場相互作用對(duì)整體承壓能力的影響，使用有限元軟件ANSYS建立水下分離器整體模型，分析水下分離器承壓結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

圖2 超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法Fig.2 Wall thickness design method of ultra-deepwater subsea separator

表1 3 000 m超深水水下分離器結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)Table 1 Structure and material parameters of 3 000 m ultra-deepwater subsea separator

所建模型使用高階的SOLID95單元，采用六面體單元對(duì)分離器模型進(jìn)行掃掠劃分，劃分后的整體有限元模型及局部詳細(xì)網(wǎng)格如圖3所示。一邊支座底部施加全約束位移邊界條件，另一邊支座底部為自由端，由于水下分離器處于3 000 m深水中，危險(xiǎn)工況為凈外壓作用，即筒體外壁施加壓力邊界條件。

1.2 基于5%最大主應(yīng)變準(zhǔn)則的極限承載能力分析

圖3 超深水水下分離器有限元整體模型及局部詳細(xì)網(wǎng)格Fig.3 Global FEM model and local grid in detail of ultra-deepwater subsea separator

應(yīng)用彈性失效準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的大部分外壓容器已經(jīng)證明是安全可靠的，但以彈性力學(xué)和材料力學(xué)為理論基礎(chǔ)無法對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算。同時(shí)對(duì)于應(yīng)力分布不均勻，由于材料具有較好的塑性結(jié)構(gòu)，當(dāng)危險(xiǎn)部位發(fā)生塑性變形時(shí)，其余部分仍處于彈性狀態(tài)，并不會(huì)導(dǎo)致整體屈服，因此結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)承載，此時(shí)彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則顯得過于保守［20］。而塑性準(zhǔn)則認(rèn)為當(dāng)承壓結(jié)構(gòu)在外壓作用下達(dá)到屈服強(qiáng)度后，當(dāng)外壓繼續(xù)增大，整個(gè)壁厚均發(fā)生屈服即導(dǎo)致總體塑性變形發(fā)生時(shí)，才會(huì)發(fā)生垮塌或破裂［21-22］，因此采用塑性準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)可以充分利用材料塑性，進(jìn)一步發(fā)揮材料的潛能，有效地減薄壁厚。

依據(jù)塑性準(zhǔn)則進(jìn)行塑性極限載荷的計(jì)算一般需要通過實(shí)驗(yàn)或有限元計(jì)算出載荷-應(yīng)變曲線，再按照不同的準(zhǔn)則得到塑性極限載荷。目前比較常用的準(zhǔn)則有0.2%殘余應(yīng)變準(zhǔn)則、雙切線準(zhǔn)則、兩倍彈性斜率準(zhǔn)則等［23-24］。由于依據(jù)載荷-應(yīng)變曲線獲得的極限載荷不可避免地包含技術(shù)人員的判斷，導(dǎo)致相同結(jié)構(gòu)得到不同極限載荷［24］，因此需要重新選擇能夠表征結(jié)構(gòu)發(fā)生總體塑性變形的特征量。文獻(xiàn)［22，25］指出最大主應(yīng)變能夠表征承壓設(shè)備發(fā)生總體塑性變形的特征值，即使由不同的設(shè)計(jì)人員、不同的計(jì)算軟件都可以得到唯一的設(shè)計(jì)結(jié)果。

結(jié)構(gòu)受載荷作用時(shí)，任一點(diǎn)應(yīng)變可由6個(gè)分量εx、εy、εz、γxy、γyz、γzx表示。主應(yīng)變解的特征行列式為［22］

展開得到

蘇文獻(xiàn)等［22，26］提出了反映結(jié)構(gòu)本質(zhì)特征的5%最大主應(yīng)變準(zhǔn)則，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)5%最大主應(yīng)變對(duì)應(yīng)的載荷為塑性極限載荷，能夠在確保安全的前提下充分利用材料的塑性，同時(shí)主應(yīng)變可以使用商用有限元直接輸出。鑒于5%最大主應(yīng)變準(zhǔn)則有唯一性和可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用5%最大主應(yīng)變準(zhǔn)則進(jìn)行塑性極限載荷的判定。

根據(jù)3 000 m超深水水下分離器初始參數(shù)。使用有限元軟件ANSYS并采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行塑性極限分析，將外壓pout從0連續(xù)加載至100 MPa。圖4為超深水水下分離器結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)變絕對(duì)值與載荷度（pout/100 MPa）之間的關(guān)系，得到的5%最大主應(yīng)變對(duì)應(yīng)的塑性極限載荷為psmax=78.6 MPa。

圖4 超深水水下分離器結(jié)構(gòu)主應(yīng)變絕對(duì)值的最大值與載荷度之間的關(guān)系Fig.4 Relation between maximum absolute value of principal strain and load of ultra-deepwater subsea separator

1.3 穩(wěn)定性極限承載能力分析

超高壓作用下結(jié)構(gòu)初始缺陷、結(jié)構(gòu)大變形等將產(chǎn)生失穩(wěn)問題，使得結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度下發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此有必要對(duì)超深水水下分離器進(jìn)行穩(wěn)定性分析。對(duì)于復(fù)雜承壓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，一般采用一致缺陷模態(tài)法，即將特征屈曲得到的第一階屈曲模態(tài)變形量按一定比例系數(shù)施加在模型上，用以模擬初始幾何偏差。目前比例系數(shù)的選取方法主要有按照0.1倍一階屈曲模態(tài)、按波形凸起或凹陷10 mm等。初始缺陷對(duì)不同長徑比的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有不同的影響，采用固定的比例系數(shù)顯然無法準(zhǔn)確地表征不同尺寸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［27］。本文采用比例系數(shù)Δ=e/Dmax，其中e為最大許用局部缺陷，可依據(jù)水下分類器筒體尺寸按照EN13445-4［28-30］計(jì)算得到，Dmax為特征值屈曲第一階模態(tài)最大節(jié)點(diǎn)位移。

根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的3 000 m超深水水下分離器尺寸，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)獲得最大許用局部缺陷為1.6 mm。使用ANSYS對(duì)水下分離器進(jìn)行特征值屈曲分析，獲得第一階模態(tài)、節(jié)點(diǎn)最大位移Dmax以及第一階特征屈曲載荷pe=268.34 MPa。采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系，將第一階特征屈曲載荷pe作為基礎(chǔ)外壓逐漸施加至外壁，同時(shí)將第一階屈曲模態(tài)乘以比例系數(shù)Δ施加到有限元模型上，開展雙非線性屈曲分析。分析中使用ANSYS自帶弧長法得到失穩(wěn)極限載荷度a。圖5為超深水水下分離器最大位移節(jié)點(diǎn)載荷度（pout/148.95 MPa）與位移關(guān)系圖，得到失穩(wěn)極限載荷pqmax=pe×a=72.99 MPa。

圖5 超深水水下分離器最大位移節(jié)點(diǎn)載荷度隨位移變化圖Fig.5 Cylinder typical position displacement and load diagram of ultra-deepwater subsea separator

1.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由第一次計(jì)算結(jié)果可知，使用ASME公式得到的基本壁厚安全余量過大，導(dǎo)致壁厚過于保守，增加了加工制造的難度和下放的危險(xiǎn)性。因此以初始壁厚的10%為變量，通過遞歸循環(huán)算法計(jì)算超深水水下分離器極限承載能力，根據(jù)工況和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行校核直至滿足設(shè)計(jì)要求，壁厚遞歸過程如表2所示，循環(huán)3次后得到最終壁厚32 mm。

表2 超深水水下分離器壁厚動(dòng)態(tài)修正表Table 2 Thickness dynamic correction of ultra-deepwater subsea separator

1.5 壁厚結(jié)果分析

采用塑性極限分析法對(duì)最終壁厚進(jìn)行分析，得到超深水水下分離器塑性極限載荷為psmax=57.14 MPa。在設(shè)計(jì)載荷30 MPa作用下，分離器筒體最大應(yīng)變?yōu)?.106%。圖6為在設(shè)計(jì)載荷作用下總體模型應(yīng)變分布，由結(jié)果可知整體最大應(yīng)變出現(xiàn)在筒體內(nèi)壁N4接管處。沿筒體壁厚方向提取等效應(yīng)力分布，如圖7所示，沿壁厚方向應(yīng)力逐漸降低。

圖6 超深水水下分離器精細(xì)化模型設(shè)計(jì)載荷下應(yīng)變分布圖Fig.6 Strain distribution diagram of ultra-deepwater subsea separator under design load

圖7 超深水水下分離器沿壁厚方向等效應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution along the thickness direction of ultra-deepwater subsea separator

開展超深水水下分離器穩(wěn)定性極限承載能力分析。雙非線性屈曲分析得到第一階特征值屈曲值pe=148.95 MPa，如圖8所示為超深水水下分離器屈曲失穩(wěn)變形圖。水下分離器失穩(wěn)極限載荷為pqmax=pe×a=48.7 MPa。選取一般壓力容器安全系數(shù)1.5，得到許用塑性極限載荷為psp=38.1 MPa，許用穩(wěn)定性極限載荷pqp=32.5 MPa。選擇pmax=32.5 MPa作為所設(shè)計(jì)超深水水下分離器殼體壁厚許用極限載荷。

圖8 超深水水下分離器失穩(wěn)變形圖Fig.8 Buckling deformation of ultra-deepwater subsea separator

對(duì)比彈性應(yīng)力分類法、塑性極限法、穩(wěn)定性極限法得到的超深水水下分離器許用載荷如表3所示。由表3可知使用塑性極限法求得的載荷高于彈性應(yīng)力分類法求得的許用載荷，由此可見應(yīng)用塑性校核方法可充分利用材料的塑性。

表3 彈性應(yīng)力分類法與塑性和穩(wěn)定性極限分析法獲得的超深水水下分離器許用載荷對(duì)比Table 3 Allowable pressure comparison obtained by stress classification and gross plastic of ultra-deepwater subsea separator

許用穩(wěn)定性極限載荷小于許用塑性極限載荷，表明結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)大幅度降低結(jié)構(gòu)的理論承載能力，因此在設(shè)計(jì)校核中開展考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析與校核十分必要。最終許用極限載荷高于彈性應(yīng)力分類法許用載荷，所構(gòu)建超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法可以在具有較大安全余量的前提下有效減薄壁厚。

2 壓潰樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)上述分析結(jié)果設(shè)計(jì)的最終壁厚，應(yīng)用國產(chǎn)13Mn NiMoR、20Mn MoNb鋼材加工制造3 000 m超深水水下分離器壓潰樣機(jī)，并進(jìn)行高壓艙模型壓潰試驗(yàn)，驗(yàn)證所構(gòu)建超深水水下分離器分析承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法。圖9為所制造的壓潰模型樣機(jī)，將壓潰模型樣機(jī)放入充滿水的壓力桶內(nèi)，將壓力加至分離器破壞，驗(yàn)證極限分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，加載過程如圖10所示，試驗(yàn)過程中采用雙向直角應(yīng)變片測量封頭、筒體等典型位置應(yīng)變，應(yīng)變片編號(hào)以筒體軸向?yàn)閱翁?hào)，周向?yàn)殡p號(hào)，具體貼片布置如圖11所示。

圖9 超深水水下分離器壓潰模型樣機(jī)圖Fig.9 Experiment model of ultra-deepwater subsea separator

圖10 超深水水下分離器壓潰模型壓潰試驗(yàn)加載過程Fig.10 Experiment loading procedure of ultra-deepwater subsea separator

圖11 貼片布置圖Fig.11 Scheme of strain gages

圖12 超深水水下分離器比例模型壓潰試驗(yàn)危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變隨壓力變化圖Fig.12 Relation between strain and stress in dangerous point of ultra-deepwater subsea separator

隨著壓力不斷提高，當(dāng)壓力加至設(shè)計(jì)壓力30 MPa時(shí)，提取仿真分析中最大應(yīng)變位置（貼片E27-E28處）軸向與周向應(yīng)變，計(jì)算得到總應(yīng)變?yōu)?.122%，與塑性極限分析數(shù)據(jù)所得應(yīng)變數(shù)據(jù)誤差為13.11%，表明所用模型具有較高準(zhǔn)確性，所設(shè)計(jì)超深水水下分離器能夠通過塑性極限校核，且具有較大安全余量；繼續(xù)加壓至53.4 MPa時(shí)，壓力桶內(nèi)發(fā)出響聲，壓潰模型樣機(jī)筒體應(yīng)變迅速增加，表明筒體破壞。如圖13a所示，水下分離器壓潰模型試驗(yàn)壓潰變形筒體無裂縫和斷裂，呈現(xiàn)長圓筒壓癟失穩(wěn)失效形式，與圖13b失穩(wěn)變形基本一致，因此最終壓潰模型發(fā)生失穩(wěn)。本次試驗(yàn)臨界屈曲極限為53.4 MPa，大于仿真屈曲極限48.7 MPa，二者之間的誤差為8.80%，表明本文所提出的失穩(wěn)極限載荷分析方法能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算出超深水水下分離器臨界失穩(wěn)載荷，所設(shè)計(jì)的水下分離器承壓結(jié)構(gòu)能夠通過穩(wěn)定性校核且具有較大安全余量。由此可見，與傳統(tǒng)彈性方法相比，本文提出的超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法能夠充分利用材料的塑性，有效提高理論承載能力并減薄壁厚達(dá)20%。

需要說明的是，由于有限元分析中采用的屈服強(qiáng)度等材料參數(shù)主要參考GB150標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)際使用的鋼材熱處理和表面處理后得到的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)之間存在差異，因此導(dǎo)致塑性極限分析和穩(wěn)定性分析試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異，同時(shí)穩(wěn)定性分析時(shí)考慮了初始幾何形狀偏移按照第一階模態(tài)分布，“具有最不利影響”的影響因素，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏保守［29］。

圖13 超深水水下分離器比例模型壓潰試驗(yàn)與仿真失穩(wěn)變形對(duì)比圖Fig.13 Comparison between experiment and simulation deformation of ultra-deepwater subsea separator

3 結(jié)論

1）以3 000 m超深水重力式水下分離器為研究對(duì)象，建立了超深水水下分離器整體模型，開展了超深水水下分離器塑性極限承載能力分析、穩(wěn)定性極限承載能力分析，獲得了超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)極限承載載荷，并提出遞歸循環(huán)算法優(yōu)化壁厚，從而構(gòu)建了基于極限承載能力分析的超深水水下分離器壁厚設(shè)計(jì)方法，為我國超深水水下分離器設(shè)計(jì)制造提供了技術(shù)支持。

2）對(duì)壓潰模型樣機(jī)進(jìn)行高壓艙壓潰試驗(yàn)表明，本文所構(gòu)建的超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，準(zhǔn)確性較高，能夠滿足超深水水下分離器高耐壓、高可靠性設(shè)計(jì)要求，可以有效減薄壁厚達(dá)20%。

［1］ 武超，王定亞，任克忍，等.海洋油氣水下處理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油機(jī)械，2012，40（8）：80-84.WU Chao，WANG Dingya，REN Keren，et al.Technical situation and development trend of subsea processing system of offshore oil and gas［J］.China Petroleum Machinery，2012，40（8）：80-84.

［2］ 陳家慶.海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)（一）［J］.石油機(jī)械，2007，35（5）：54-58.

［3］ CARPENTER C.Qualification of a subsea separator with online desanding capability［J］.Journal of Petroleum Technology，2015，66（8）：96-99.

［4］ 林國鋒，王東寶.水下分離器的設(shè)計(jì)選型［J］.海洋石油，2016，36（2）：93-98.LIN Guofeng，WANG Dongbao.Design and selection of subsea separator［J］.Offshore Oil，2016，36（2）：93-98.

［5］ 熊磊，朱宏武，張金亞，等.海底分離技術(shù)的最新進(jìn)展［J］.石油機(jī)械，2010，38（10）：75-78.

［6］ RIVIERE L，PAZFLOR.Pazflor applies world’s first largescale subsea separation system［J］.Offshore，2009（5）：89-90.

［7］ STRMQUIST R，GUSTAFSON S.SUBSIS—the world’s first subsea separation and injection system［J］.World Pumps，1999（390）：33-36.

［8］ MORITISG.Subsea gas-liquid separation helps boost production rates［J］.Oil＆Gas Journal，2009，107（40）：39-43.

［9］ 梅洛洛，洪祥議，王盛山，等.深水多相分離技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2015，4（5）：11-17.MEI Luoluo，HONG Xiangyi，WANG Shengshan，et al.Advance in deepwater multiphase separation technology［J］.Oil Field Equipment，2015，4（5）：11-17.

［10］ 高原，魏會(huì)東，姜瑛，等.深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國海上油氣，2014，26（4）：84-90.GAO Yuan，WEI Huidong，JIANG Ying，et al.Current technology and development trend of process facilities in deep water subsea production system［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（4）：84-90.

［11］ 江懷友，李治平，馮彬，等.世界石油工業(yè)海底油氣水分離技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.特種氣油藏，2011，18（3）：7-11，135.JIANG Huaiyou，LI Zhiping，F(xiàn)ENG Bin，et al.Present situation and prospect of submarine oil-gas-water separation technology in world offshore oil industry［J］.Special Oil and Gas Reservoirs，2011，18（3）：7-11，135.

［12］ 秦蕊，李清平，林林，等.水下分離器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究［J］.中國海洋平臺(tái)，2015，30（3）：11-15，19.QIN Rui，LI Qingping，LIN Lin，et al.Study on the design standards of subsea separator［J］.China Offshore Platform，2015，30（3）：11-15，19.

［13］ DNN.DNV-RP-F301 Subsea separator structural design［S］.DNV，2007.

［14］ 葛玖浩，李偉，陳國明，等.2 000 m超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.石油機(jī)械，2015，43（2）：60-64，69.GE Jiuhao，LI Wei，CHEN Guoming，et al.Strength analysis on bearing structure of subsea separator for 2 000 m ultra deepwater［J］.China Petroleum Machinery，2015，43（2）：60-64，69.

［15］ 姜玖輝，嚴(yán)超宇，仇晨，等.局部凹陷對(duì)水下分離器極限承載力的影響［J］.石油機(jī)械，2013，41（6）：39-42，48.JIANG Jiuhui，YAN Chaoyu，QIU Chen，et al.Effects of local depression on the ultimate bearing capacity of underwater separator［J］.China Petroleum Machinery，2013，41（6）：39-42，48.

［16］ 李志剛，劉培林，高杰，等.基于分析設(shè)計(jì)直接法的水下分離器結(jié)構(gòu)總體塑性變形校核［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，37（3）：137-140.LI Zhigang，LIU PeiLin，GAO Jie，et al.Gross plastic deformation design check for subsea separator based on direct route method for design by analysis［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2013，37（3）：137-140.

［17］ 王林.深海耐壓結(jié)構(gòu)型式及穩(wěn)定性研究［D］.北京：中國艦船研究院，2011.WANG Lin.Studies on deep-sea pressure structural type and stability［D］.Beijing：China Ship Scientific Research Center，2011.

［18］ 江楠.壓力容器分析設(shè)計(jì)方法［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［19］ American Society of Mechanical Eegineer.Boiler and pressure vessel code［S］.ASME，2010.

［20］ ZEMAN J L，RAUSCHER F，SCHINDLER S.Pressure vessel design：the direct route［M］.Elsevier，2010.

［21］ 高炳軍，周軍，董俊華.S30408碟形封頭應(yīng)變強(qiáng)化特性及極限載荷分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（4）：89-95.GAO Bingjun，ZHOU Jun，DONG Junhua.Strain-hardening characteristic and limit load analysis of S30408 torispherical head［J］.Journal of Mechanical Engineering，2013，49（4）：89-95.

［22］ 蘇文獻(xiàn)，葉立，鄭津洋，等.防止承壓設(shè)備總體塑性變形的5%最大主應(yīng)變準(zhǔn)則［J］.壓力容器，2005，22（12）：17-21.SU Wenxian，YE Li，ZHENG Jinyang，et al.A 5%maximum principal strain criterion to prevent gross plastic deformation［J］.Pressure Vessel Technology，2005，22（12）：17-21.

［23］ MACKENZIE D，LI H.A plastic load criterion for inelastic design by analysis［J］.Journal of Pressure Vessel Technology.2005，128（1）：413-419.

［24］ LI H，MACKENZIE D.Characterising gross plastic deformation in design by analysis［J］.International Journal of Pressure Vessels＆Piping，2005，82（10）：777-786.

［25］ NIGEL T.Design by analysis manual［C］.European Pressure Equipment Research Council.

［26］ 蘇文獻(xiàn).承壓設(shè)備強(qiáng)度數(shù)值模擬若干問題及其工程應(yīng)用研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2003.SU Wenxian.Research on some problem about numerical simulation of pressure equipment and its engineering application［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2003.

［27］ 魏協(xié)宇，陳冰冰，鄭浣琪，等.壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中外壓圓筒初始幾何偏差規(guī)定的討論［J］.壓力容器，2015，32（3）：20-28.WEI Xieyu，CHEN Bingbing，ZHENG Huanqi，et al.Discussion of regulations of initial geometric deviations on cylindrical shells under external pressure in pressure vessel design standard［J］.Pressure Vessel Technology，2015，32（3）：20-28.

［28］ CEN.Unfired pressure vessels，part 3：Design［S］.Brussels：European Committee For Standardization，2009.

［29］ CEN.Unfired pressure vessels，Part 2：Material［S］.Brussels：European Committee For Standardization，2009.

［30］ 梁力錦，陳冰冰，高增梁.外壓圓筒臨界壓力的雙非線性ANSYS有限元模擬與討論［J］.壓力容器，2013，30（1）：24-30.LIANG Lijin，CHEN Bingbing，GAO Zengliang.An discussion on the critical pressure of external pressure cylinder simulated by ANSYS’s GMNIA［J］.Pressure Vessel Technology，2013，30（1）：24-30.

Determination of wall thickness for ultra-deepwater subsea separators based on ultimate bearing capacity analysis

GE Jiuhao LI Wei CHEN Guoming LI Xiumei ZHANG Shenyan RUAN Caitian YUAN Xin’an
（Center for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266580，China）

Based on the analysis method for the ultimate bearing capacity of structures，a 3 000 m subsea gravity separator was taken as the research target in this paper.According to the formulas in ASMEVIII-I code，the initial wall thickness was computed and the whole model was established using finite element software.The double nonlinear instability analysis and plastic ultimate analysis were carried out based on the 5%maximum strain principle.Furthermore，the recursion arithmetic was proposed to optimize the wall thickness.Finally，the determination method for the wall thickness of ultra-deepwater subsea separators was established.A prototype was manufactured according to the optimized wall thickness and pressure tank crushing tests were conducted.The experimental result indicates that the model built in this paper is accurate，the errors of plastic analysis and instability analysis compared to the experimental results are 13.11%and 8.80%respectively.The determination method for the wall thickness of ultra-deepwater subsea separators proposed in this paper makes full use of material plasticity.In addition to guaranteeing the reliability，the determination method increases bearing capacity by 44.4%，and decreases wall thickness by 20%in comparison with stress classification methods.

ultra-deepwater subsea separator；thickness determination for pressure bearing structures；plastic ultimate analysis；stability analysis；pressure tank crushing test

葛玖浩，李偉，陳國明，等.基于極限承載能力分析的超深水水下分離器承壓結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)方法［J］.中國海上油氣，2017，29（6）：150-157.

GE Jiuhao，LI Wei，CHEN Guoming，et al.Determination of wall thickness for ultra-deepwater subsea separators based on ultimate bearing capacity analysis［J］.China Offshore Oil and Gas，2017，29（6）：150-157.

TH49

A

1673-1506（2017）06-0150-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.06.020

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“水下分離器關(guān)鍵技術(shù)研究（編號(hào)：2013AA09A213）”部分研究成果。

葛玖浩，男，中國石油大學(xué)（華東）在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備及安全檢測技術(shù)。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號(hào)中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院（郵編：266580）。E-mail：gejiuhao＠163.com。

李偉，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備及安全檢測技術(shù)。E-mail：liwei＠upc.edu.cn。

2017-03-21

（編輯：葉秋敏）