一種新型管道支架在海洋平臺的應用

王戈戰+李鵬濤+董承昊

摘 要：管道作為海洋石油平臺的“血管”，管道應力是衡量管道能否安全運行的重要標準。合理設置管道支架對管道應力的大小有著直接影響。以往海洋平臺的管道支吊架通常選用角鋼、H型鋼和無縫鋼管等材料，材料之間采用焊接的形式連接在一起，這種施工工藝會在管道支吊架安裝的過程中增加大量的焊接工作。在中海油某海洋平臺設計和施工過程中，選用了多孔角型鋼、多孔平板型鋼等新型材料用于管道支吊架來替代常規項目中的角鋼、扁鋼材料。通過對新型管道支架荷載應力分析、建立三維模型等研究，成功地在該平臺上進行應用。

關鍵詞：海洋平臺 管道支架 新型支架

中圖分類號：TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0060-02

管道作為海洋石油平臺的“血管”，其設計的經濟性和安全性對于平臺的運行是十分重要的。管道在設計時既要滿足平臺生產工藝流程的要求，同時還應考慮機械設備、泵、管道附件的受力情況[1]，確保管路能夠長周期的安全運轉。通常衡量管道能否安全運行的重要標準是管道一次應力和二次應力的大小。

當管道的一次應力過大時，會將管道破壞。管道的一次應力是由管道內的流體壓力和外部載荷產生的，其大小與作用在管道上的外部載荷及管道自身或管道附件的截面有關[2]。當某個海洋石油平臺的生產規模確定后，該平臺的管道管徑大小也就隨之確定了，不能夠任意改變。而通過設置管道支吊架可以調整管道內應力與承受外部載荷的大小。管道的支吊架不僅支撐管道自身的重量、管道內流體的重量、管道外部電伴熱電源線以及保溫材料的重量，同時可以將管道內流體傳遞來的壓力、管道外部載荷及溫度變形引起的彈性力傳遞到結構梁柱上。因此，管道支架的設置直接決定著管道一次應力的大小。

管道二次應力的大小同樣是衡量管道能否安全運行的重要標準。管道變形受阻時會在管道內產生二次應力，在管道上合理設置支吊架，不但能夠使管道適應變形的需要，而且還可以根據平臺運行的要求，限制管道某個方向的位移，以控制管道的二次應力。同時管道的支吊架對改善管線的振動，防止管道和支架因振動引起疲勞損壞起著重要的作用。

目前，在海洋平臺上的管道支吊架的種類，就其結構而言形式是種類繁多的，但僅僅考慮其功能和用途時，可以分為以下幾類，見表1。

1 管道支吊架材料的選擇

管道支吊架的材料選用時應本著經濟性、合理性、通用性的原則，設計和制作時應選擇通用規格化的型材和標準化材料，使其既滿足管道的運行要求，又能與所支撐的管道材料相匹配。依據以往海洋平臺設計及施工經驗，在平臺上管道支吊架的鋼材用量約為管道所用總鋼材的10%～15%[3]。因此合理選用管道支架的材料不僅可以達到節省材料的目的，而且會給材料采辦、管道支吊架預制和安裝節省更多的人力。以往海洋平臺的管道支吊架通常選用角鋼、H型鋼和無縫鋼管等材料，材料之間采用焊接的形式連接在一起，這種施工工藝會在管道支吊架安裝的過程中增加大量的焊接工作。

為了更節省人力消耗和焊接工作，在中海油墾利某海洋平臺項目中擬選用多孔角型鋼、多孔平板型鋼等新型材料用于管道支吊架來替代常規項目中的角鋼、扁鋼等材料，如圖1，圖2所示。

2 新型支架的應力分析與形變計算

如圖3所示，對于新型支架建立模型并用ANSYS軟件對其進行應力分析與形變量的計算。其中新型材料密度為7.85×10-9 t/mm3；彈性模量：210 GPa；泊松比：0.3；屈服應力：235 MPa。對于邊界條件，支架材料各結合點處采用螺栓進行固定。在管支架橫梁上施加載重量（700 kg）作為載荷。

由計算可得：角鋼的最大von米塞斯應力的應力為100 MPa，螺栓的最大von米塞斯應力為210 MPa。而角鋼主體最大位移約1.2 mm，垂直方向最大位移0.94 mm，管支架的強度和剛度都符合要求。

3 新型管道支吊架在海洋平臺的應用

如圖4所示，通過荷載應力分析、建立三維模型等研究，確認其強度滿足使用要求，最終將新型組合支架應用于中海油墾利某海洋平臺中。與傳統碳鋼支架相比，新型支架具有焊接作業少、施工程序簡單、靈活度高等優點。支架各型材之間使用螺栓進行緊固連接，免去了大量的焊接作業，施工效率較以往項目大幅度提高。

4 結語

新型管道支架不僅可以用來支撐管道，也可以用來支撐電纜橋架。如果電氣專業電纜托架支架、儀表專業儀表電纜托架支架同樣選擇使用新型支架材料時，管道支架可以與它們相互生根和支撐，形成組合型支架。

由于多孔角型鋼、多孔平板型鋼等新型材料具有質量輕、焊接作業少、施工程序簡單等特點，在船舶工程領域、建筑工程領域等多個工程領域有著極其廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 周長江.石油化工管道支吊架的設置及選用[J].廣東化工，2013（8）：154-155.

[2] 吳曄.如何正確分析化工管道設計中的管道應力[J].中國化工貿易，2015：（35）.

[3] 陳靜.海上油氣田上部設施管道支吊架的工程設計[A].中國造船工程學會近海工程學術委員會海洋工程學術會議[C].2007.