海洋工程管道支架布置與選型

羅江濤

【摘 要】海洋工程當中的整體設施均為離岸作業系統，其中安全、環保等方面和陸地工程相其比較，有著一定的特殊性。管道系統是工程中最常規、最有效的流體輸送方式，但是僅僅因為某一個管道元部件的失效，都可能會引起無法想象的安全問題，由此可見，管道設計水平的發展尤其重要。管道支架布置是海洋工程作業中的重要環節，但同時又是比較薄弱的環節，好的支架布置，需要工程師具備豐富的工程經驗，與此同時需要在管道材料、管道柔性、管道力學等方面有一定的經驗。

【關鍵詞】海洋工程；管道支架；布置；選型

前言

管道作為海洋石油平臺的“血管”，其布置的經濟性和安全性對于平臺的運行是十分重要的。管道在布置時既要滿足平臺對生產工藝流程的要求，同時還應考慮到機械設備、泵、管道附件的受力情況，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。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。

1.新型支架的應力分析與形變計算

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7.85×10-9t/mm3；彈性模量：210GPa；泊松比：0.3；屈服應力：235MPa。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（700kg）作為載荷。由計算可得：角鋼的最大von米塞斯應力的應力為100MPa，螺栓的最大von米塞斯應力為210MPa。而角鋼主體最大位移約1.2mm，垂直方向最大位移0.94mm，管支架的強度和剛度都符合要求。

2.管道支架選型

2.1滑動支架

滑動支架是限制管道約束點向下移動的支架。滑動的支架也是承重的支架，在進行設置是應參照計算或是推薦的支架跨距；如帶有如保溫層、保冷層或是人員防護的管道的絕緣層，滑動支架可以選用管鞋；在海上因為鹽霧等自然環境的影響會導致腐蝕現象，管道在鋼結構直接支撐時，除了可以使用管鞋還可以在管道的下部焊接護板，這樣可以對管線和防腐層進行保護（特別是對管道壁后較薄的不銹鋼、雙相不銹鋼等）。

2.2固定支架

固定支架可以對管道中6個自由度的支架起到限制的作用。長直管道比如說：管排上的管道，一般情況下要設置并且也只可以設置布置一個固定的支架；像控制閥、調節閥等容易產生震動的閥門的一端可以設置一個比較固定的支架；在膨脹彎的兩側可以分別設置一個固定的支架，但是要注意兩個之間的距離。

2.3止推支架

止推支架可以對管道約束點的軸向移動支架起到限制作用。如果在由類似于水擊、盲板力等沖擊載荷的情況下，應設置適合的止推支架，這樣可以預防沖擊載荷給管道造成的影響；安全閥的出口管道，應該設置止推支架；在容易產生震動的管道中，應該再管道改變走向的位置設置止推支架，這樣方便提升管道系統的自然頻率，并降低震動；非金屬管道，如玻璃鋼管道等，可以適當的多設置一些止推支架，這樣可以抵抗水壓試驗所引起的軸向荷載。

2.4導向支架

導向支架可以對約束點橫向移動的支架起到限制作用。為了降低一些自然現象的偶然荷載的影響，在運輸期間應保持管道的穩定，這種方法比較適合水平管道但是也可以在豎直管道中使用；容易產生易振動的管道可以多設置一些導向支架；加入控制閥的一端有一個固定支架，那么另外一段就可以有一個導向支架；導向支架還包括U-Bolt，但其承受荷載力較小，所以一般使用在不帶絕熱層的非工藝系統管道中，且管線的尺寸應小于NPS4，盡量的防止其大于NPS12；如果有絕熱層，其尺寸應不大于NPS2，并且應將操作的溫度控制在60攝氏度以下，也可以適當的選用U-Bolt。

2.5加強筋支架

采用焊接加強筋的方式，限制管道自由度，或者防止振動的支架為加強筋支架。對于海洋工程設施，尤其是浮式設施（如FPSO等），會受到偶然載荷、船體結構變形（如橫搖、縱搖、中垂、中拱）等的影響，從而對一些薄弱點（如連接壓力表管道與主管的連接點）造成不利影響甚至破壞，此時，可采用加強筋支架，海洋工程中最常見的是加強筋支架。對于可能產生振動的管道系統（如連接安全閥的管道），也可采用加強筋支架。

2.6防振支架

防振支架一般用于易產生振動的管道系統，如與往復式壓縮機/泵等易產生振動、脈動的設備連接的管道；存在水錘、段塞流的管道，排海管道等易振動的管道。

3.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%。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，在某海洋石油公司某地的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。

4.新型管道支吊架在海洋平臺的應用

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某海洋石油公司某地的海洋平臺中。與傳統的碳鋼支架相比，新型的支架具有焊接作業少、施工程序簡單、靈活度高等方面的優點。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得到了大幅度的提升。

5.結語

綜上所述，海洋工程中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，形成組合型的支架。由于多孔角型鋼、多孔平板型鋼等新型的材料具有質量輕、焊接作業少、施工程序簡單等方面的特點，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：

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