大位移棧橋管道的設計方案研究

方　新，陳　雪，王　乾，王　冰，朱　武海洋石油工程股份有限公司，天津300451

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大位移棧橋管道的設計方案研究

方新，陳雪，王乾，王冰，朱武
海洋石油工程股份有限公司，天津300451

摘要：結合南海某項目棧橋管道的設計過程，探討大位移棧橋管道的設計方法。該棧橋管道分別連接A、B兩個平臺，棧橋長約40 m，平臺間的最大相對位移達到了1.445 m。管道設計中，對鋼管連接方式和軟管連接方式分別進行了詳細的管道應力計算。在鋼管連接方式中，嘗試采用多種方法來提高管道抗位移變形的能力，但是結果仍無法滿足連接要求；在軟管連接方式中，充分利用該軟管的變形能力吸收棧橋引起的附加大位移和管道熱膨脹位移，經過詳細計算后確認該方式可行，最終采用了軟管連接的設計方案。

關鍵詞：海洋平臺；棧橋管道；大位移；應力分析；軟管

在海洋石油生產設施中，隨著油田生產規模的擴大，逐步形成了多種開發模式，常見的有全海式開發模式和半海半陸式開發模式。南海某項目采用井口中心平臺（或井口平臺+中心平臺）+ FSO（浮式儲油外輸系統）的模式，這是常見的全海式開發模式之一，該項目在原有的A平臺附近新建一座B平臺，兩平臺通過棧橋連接，經兩平臺初步處理后的產品通過海底管道外輸到該區域另外一個平臺上進行進一步處理，處理后通過海底管道輸送至盛開號浮式儲油裝置。

棧橋是連接兩個平臺的通道，同時也用于各種管道的支撐結構，例如原油管道、飲用水管道、公用水管道、電纜導管、通訊線路以及氣管道等［1- 2］。該項目中，棧橋兼具通道和管道支撐雙重作用。

棧橋管道坐落于棧橋結構上，連接兩個平臺的生產處理系統，直接受到棧橋和平臺運動的影響，兩個平臺之間的相對位移會作用在棧橋管道上。

1　棧橋的結構形式和棧橋管道的運動特征

1.1棧橋的結構形式及其與平臺的連接方式

棧橋本身一般是鋼管組成的橫截面為矩形的桁架結構，具有很高的強度和剛度。棧橋與平臺的連接方式根據具體項目而有所不同。一般情況下，棧橋與其中一個平臺鉸接連接，與另外一個平臺搭接連接。鉸接端一般是棧橋的端部套管套在平臺邊緣的一個圓柱上，套管和圓柱之間保留一定間隙，使得棧橋可繞著圓柱旋轉；搭接端一般都設置有左右導向和上下限位擋塊，防止棧橋在水平方向和垂直方向過度運動，而能在棧橋軸向方向自由運動。

1.2平臺、棧橋和棧橋管道的運動特征

平臺在風、浪、流等環境因素，土壤地質因素，以及船舶靠泊和地震等偶然因素作用下會發生運動。本項目中由于兩個平臺質量、重心和外形尺寸等都不一樣，所以平臺的運動方向、運動速度和運動幅度也不一樣。一般情況下，兩個平臺沿棧橋軸向發生相向或者相離運動時，棧橋管道則會沿著棧橋軸向被壓縮或拉伸；兩個平臺在側向出現同向或者反向運動時，棧橋則會跟隨平臺同向運動或者沿鉸接軸轉動，棧橋管道會沿著棧橋軸向被拉伸或者壓縮，同時側向會發生轉動或者扭曲。

2　棧橋管道的連接方式

關于棧橋管道的設計和布置方式主要有兩種：一是采用鋼管連接；二是采用柔性軟管連接。這兩種方式都有應用實例，也各有優缺點。一般情況下，使用鋼管連接的棧橋管道，為吸收棧橋附加位移產生的附加應力和管道的熱應力，需在管道上設置膨脹彎。常見的膨脹彎設計方式有：中間U型膨脹彎、Z型膨脹彎和兩端U型膨脹彎等。采用軟管連接的布置方式在南海自強號至潿洲11- 4DA平臺中應用過，管卡采用限位而不卡死的方式，主要靠兩端軟管吸收管道熱應力和位移［3］。

針對本項目中棧橋管道的極端位移達到1.445 m的情況，本文分別通過兩種方式進行了設計和布置，并通過管道應力計算和其他手段，分析對比了計算結果，確定了合適的設計方法。

3　大位移棧橋管道采用鋼管連接的可行性

3.1棧橋管道承受的載荷

跨棧橋的管道與其他平臺管道相比，應力分析中不僅要考慮壓力、重力、溫度和各種偶然載荷（地震載荷、風載荷、安全閥泄放反力和水錘力等）等因素，還需重點考慮因平臺間相對運動而產生的附加位移［4- 5］。

3.2基礎數據

本項目以D 305 mm的原油管道設計過程為基礎，分別研究兩種設計方法的異同。該管道工藝參數如表1所示。

表1　D 305 mm原油棧橋管道基本工藝參數

環境條件：最低環境溫度為15℃，最高環境溫度為36℃。

偶然載荷：100年一遇條件下三個方向的地震加速度分別為0.17 g、0.113 g和0.17g（g表示重力加速度），1 h平均風速為42.3 m/s。

兩棧橋附加位移見表2。

表2　棧橋兩端極端位移

進一步的計算表明：當兩個平臺在棧橋軸向方向產生極端最大位移的時候，兩個平臺在側向和豎直方向的相對位移較小，可忽略不計；當兩個平臺產生側向極端最大位移的時候，兩個平臺在棧橋軸向和豎直方向變形較小，可忽略不計。

3.3管道應力計算

管道的應力計算主要應用CAESAR II軟件，依據ASME B31.3的要求［6］，計算并評定管道的持續應力、偶然應力和二次應力是否滿足要求，以及管道模態固有頻率是否滿足項目規格書要求。

持續載荷作用下一次應力校核條件：管道中由于壓力、重力和其他持續載荷所產生的縱向應力之和SL不應超過材料在預計最高溫度下的許用應力［σ］h。

偶然載荷作用下一次應力校核條件：管道在工作狀態下，受到壓力、重力、其他持續載荷和偶然載荷所產生的縱向應力之和不得超過操作狀態許用應力的1.33倍。風載荷和地震載荷的作用不需同時考慮。

二次應力的校核方法如下：在管道系統內任一處由于位移而產生的計算應力范圍SE不超過許用位移應力范圍Sa。

3.3.1布置方式一及其計算結果

布置方式一擬采用在棧橋滑動端設置兩組由S型膨脹彎和一個豎直立管組成的綜合型膨脹彎，而在棧橋管道上則采用長直管道連接的方式。這種設計方式不僅能充分利用現有的空間，而且使得管道既能吸收棧橋軸向的附加大位移，也能吸收側向和豎直方向的位移，如圖1所示。管道應力和模態固有頻率的計算結果如表3所示。

布置方式一由于棧橋和平臺空間的限制，膨脹彎的大小和連接兩個膨脹彎的立管高度基本達到了最大值，但計算結果無法滿足規范和本項目設計要求。

圖1　布置方式一的棧橋管道走向示意

表3　布置方式一的應力比和模態固有頻率

3.3.2其他布置方式及計算結果

在布置方式一的基礎上，嘗試通過改變膨脹彎型式來抵消空間限制的影響，包括采用U型、Z型、S型、雙U型以及混合應用各種膨脹彎，同時包括改變膨脹彎的大小、數量、位置和立管的高度等，又分別嘗試了9種不同的布置方式（方式二～方式十），計算結果如表4所示。

表4　不同布置方式的應力比和固有頻率匯總

計算結果顯示，盡管這9種方式都盡可能充分利用現有空間，并最大限度地使膨脹彎發揮作用，但是仍無法滿足設計規格書的要求。

3.3.3改變管道壁厚

根據ASME B31.3附錄D［6］，增大管道壁厚，有利于減小彎頭三通處的應力集中，減小彎頭處的應力增大系數，從而降低管道應力水平，同時可以提高管道剛度、管道固有頻率以及管道抗振動能力，降低管道振動風險。

按照布置方式七選用STD、SCH80S、SCH100 和SCH160四個等級的管道，壁厚分別為9.52、12.70、21.43和33.32 mm，計算管道應力比和固有頻率，計算結果如表5所示。

表5　不同管道壁厚的應力比和固有頻率

從表5中可以看出，隨著管道壁厚的增加，風載荷和地震載荷引起的偶然應力以及位移引起的二次應力顯著降低，管道系統固有頻率隨之升高，由此可見，增大管道壁厚是解決大位移棧橋管道二次應力和偶然應力較為可行的方法。但該項目設計規格書規定該部分管道的最低模態固有頻率不低于2.55 Hz，該方式的最低模態固有頻率卻只有0.92 Hz，不能滿足設計規格書要求。

從以上計算結果來看，針對本項目存在的較大棧橋位移，如果采用鋼管的連接方法，無論怎樣改變管道的走向、壁厚等，都無法滿足規范和設計規格書的要求，可見鋼管連接方法難以適用于大位移棧橋管道的連接。

4　大位移棧橋管道采用軟管連接的可行性

采用軟管設計方案時，并非在整個40 m長的棧橋管道上都采用軟管，而是僅在棧橋的滑動端設計一段軟管，依靠這部分軟管的變形吸收平臺施加在管道上的大位移。大部分管道仍采用鋼管連接，鋼管部分僅需要普通膨脹彎吸收該部分管道的熱位移。

本項目中，由于鋼管和軟管結合在一起模擬的過程較為困難，所以鋼管部分和軟管部分是分別在不同的模型中分析計算的。

4.1軟管本身的分析

經靜態、動態和疲勞計算，在本項目的設計條件下，該軟管無論是在極端軸向拉伸或者壓縮還是在側向變形過程中，都能很好地依靠自身的變形吸收表2所列的棧橋極端位移，管道受軸向拉伸和壓縮變形情況如圖2所示。圖2（a）顯示的是軟管在軸向拉伸位移的作用下，軟管被拉伸，彎曲半徑變大的情況；圖2（b）顯示的是在軸向壓縮的位移作用下，軟管被擠壓，彎曲半徑變小的情況。軟管末端的作用力見表6。

圖2　軟管在大位移作用下變形示意

表6　D 305 mm棧橋管道和軟管端部的受力匯總

4.2鋼管部分的分析

由于軟管兩端分別連接棧橋上的鋼管和B平臺上的鋼管，所以需要對兩部分鋼管都進行分析。將軟管載荷添加在鋼管與軟管連接處，分別在兩部分鋼管上靠近軟管連接的位置設置固定支架作為計算的邊界條件，應用CAESAR II軟件對鋼管進行應力分析。棧橋管道走向如圖3所示。

圖3　與軟管連接的棧橋鋼管部分布置示意

經過計算，棧橋上的鋼管管道應力和支架載荷符合設計要求。但是由于軟管端部的作用力和力矩較大，導致B平臺與軟管連接部分彎頭應力超過允許值，而且固定支架受力過大，因此設計中對該固定支架和鋼管的彎頭都做了加強，增強管道支架和鋼管局部的承載能力，使其能夠承受軟管作用在彎頭和固定支架上的作用力。固定支架加強如圖4所示。

同時，對固定支架與軟管之間的鋼管彎頭進行了結構性加強并進行了詳細的有限元分析，加強方式是在彎頭四周各增加一塊肋板。彎頭加強前后的應力云圖如圖5所示。

圖4　管道固定支架加強示意

圖5　彎頭加強前后的應力云圖/MPa

固定支架和鋼管彎頭局部加強之后承載能力大大增強，有效抵抗了軟管帶來的外載荷產生的影響。

5　結論

跨越棧橋的管道與平臺上的管道相比，應力分析中需要考慮的荷載除了壓力、重力、溫度和各種偶然載荷外，還需要重點考慮在風、波浪、船舶靠泊等載荷作用下平臺彼此之間相對運動導致管道產生的位移載荷，應力分析時需要考慮平臺之間相對運動產生的最為苛刻的位移組合情況。

該項目的設計計算表明，棧橋管道由于受到平臺附加位移的影響，需要設置膨脹彎或軟管，才可能解決棧橋管道的應力過大問題，因此棧橋管道的設計一般有金屬硬管連接和軟管連接兩種方法，但是兩種連接方式適用的位移大小不一樣。

對于大位移的棧橋管道，采用鋼管連接方式，無論怎么調整管道布置方式，都很難將管道應力和管道支架載荷降低到合理水平，且將管道最低模態固有頻率提高到規定數值以上，不能滿足設計要求；如果采取一些措施同時降低管道應力和管道支架載荷，則必然導致管道固有頻率保持在較低水平，從而產生極大的振動和疲勞破壞風險。選用軟管連接，雖然造價較高，但是可較好地解決大位移引起的應力問題，達到設計要求，保證管道的安全運行，因此軟管連接方式更適合大位移情況下使用。

參考文獻

［1］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南第一冊［M］.北京：石油工業出版社，2007：6- 12.

［2］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南第四冊［M］.北京：石油工業出版社，2007：8- 9.

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［4］唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京：中國石化出版社，2003：19- 20.

［5］張海成，劉敏，羅翃，等.海洋平臺棧橋管道應力分析的模擬方法［J］.中國造船，2011，52（S1）：200- 204.

［6］ASME B31.3- 2012，Process Piping［S］.

Research on Design Scheme of Pipeline on Large Displacement Trestle Bridge

FANG Xin，CHEN Xue，WANG Qian，WANG Bing，ZHU Wu
Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

Abstra ct：Combined with the design of pipeline bridge of a project in the South China Sea，the design method of large displacement pipeline on trestle bridge is discussed. The pipeline is connected with A and B platforms，the bridge is about 40 m long，the maximum relative displacement between the two platforms reaches 1.445 m. Detailed pipeline stress calculation in the pipeline design was conducted by two connection methods，i.e. steel pipe connection and flexible hose pipe connection. In the use of the steel pipe connection method，a variety of methods was tried to improve the ability of resisting displacement and deformation，but the results did not meet the design requirements；In the use of flexible hose pipe connection method，the hose could effectively absorb the additional large displacement of the bridge and the thermal expansion displacement of the pipeline. The method was proved to be practicable after detailed analysis，and the scheme of flexible hose pipe connection was adopted.

Keywords：offshore platform；bridge pipeline；large displacement；stress analysis；flexible hose pipe

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.002

作者簡介：

方新（1983-），男，河南南陽人，工程師，2008年畢業于天津大學，碩士，現從事海洋石油平臺的總體布置和管道設計工作，側重于管道的應力分析。Email：116611732@qq.com

收稿日期：2015- 10- 29；修回日期：2016- 02- 23