海上固定平臺橇裝式壓力容器設計要點

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海上固定平臺橇裝式壓力容器設計要點

劉家員，吳旭維，劉羽，胡明勝
(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

從壓力容器所處的海洋環境、海上設施的設計理念、橇裝設計標準和規范、設計資質和取證要求等方面出發，介紹了海上固定平臺橇裝式壓力容器相對于陸地壓力容器的不同特點和橇裝設計的一些注意事項。重點闡述了海上壓力容器設計過程中3S風速和基本風壓之間的換算方法、壓力容器局部載荷計算的適用標準以及不同設計體系下壓力容器安全閥泄放量計算原則，并對整個設計過程中遇到的其他一系列問題提出了解決辦法，對今后海上橇裝式容器設計具有指導性的作用。

壓力容器； 海上固定平臺； 橇裝式系統； 設計

海上平臺壓力容器所處海洋環境惡劣，不僅經受風浪的襲擊、地震的危害、海水及海洋性大氣的鹽霧腐蝕，而且各工藝、公用、控制系統等布置在同一狹小空間內，大多處于易燃、易爆的危險環境中，對電氣產品有防爆要求。同時，重要設施應滿足可靠性、冗余性、可回收性的3R要求，因此海上平臺容器比陸地容器具有更高的安全裕量和設計壽命。根據原國家經貿委2000年發布的《海上固定平臺安全規則》[1]，要求海上固定平臺容器設計和制造單位取得行政許可，容器還需取得國家質檢總局核準的檢驗檢測機構頒發的《監督檢驗證書》和安監總局核準的檢驗檢測機構頒發的《海上固定設施產品檢驗證書》[2]。2014年，《特種設備安全法》開始施行，首次明確了適用于海上壓力容器，并由安監總局下屬的海油安辦(監管一司)進行管轄和實施。

海上平臺的壓力容器本體及其附屬設施，包括管線、閥門、儀表、電纜等布置在一個公共底座上，形成一個獨立的、具有特定功能的模塊，稱之為橇裝式壓力容器系統，其設計主體為容器設計。文中介紹了海上固定平臺橇裝式壓力容器相對于陸地壓力容器的不同特點和橇裝設計中的注意事項，其余通用部分的設計與GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[3]等標準一致。

1 海上平臺壓力容器設計

1.1 設計資質

海上固定平臺壓力容器一般按GB 150—2011或ASME Ⅷ-1—2017《壓力容器建造規則》[4]進行規則設計，也可按JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設計標準》[5]或ASME Ⅷ-2—2017《壓力容器建造另一規則》[6]進行分析設計。但無論采用哪種設計方法，只要用于中國國內包括所屬領海內的壓力容器，都必須取得國內壓力容器設計資質或質檢總局認可的其他標準設計資質。

1.2 設計壓力和溫度確定[7]

海上壓力容器的設計裕量比陸地壓力容器的大，對于裝有超壓泄放裝置的正壓容器，當操作壓力不大于3.5 MPa時，設計壓力取操作壓力加0.35 MPa；當操作壓力大于3.5 MPa時，設計壓力取操作壓力/0.9。對于裝有真空泄放裝置的負壓容器，當絕對操作壓力小于0.035 MPa(A)時，設計壓力取-0.1 MPa(G)；當絕對操作壓力大于等于0.035 MPa(A)且小于0.1 MPa(A)時，設計壓力按以下公式計算：

p1=min[1.25(0.1-pa),0.1]

(1)

p2=0.1-min(pa-0.01,0.05)

(2)

p=-max(p1,p2)

(3)

式中，p1為按GB 150—2011取值的設計壓力，p2為按Q/HS 3042—2014《海上生產設施設計壓力和設計溫度確定的推薦作法》[7]取值的設計壓力，p為設計壓力，MPa(G)；pa為絕對操作壓力，MPa(A)。

對于容器最高設計溫度，取操作溫度加30 ℃，但不得低于50 ℃。對于容器最低設計溫度，通常取最低操作溫度減5 ℃、泄壓產生的最低溫度減5 ℃和歷年月平均氣溫的最低值此三者的最小值。

1.3 材料選擇

選擇海上壓力容器、管線等材料時主要考慮內部介質腐蝕和外部環境腐蝕。內部腐蝕性介質一般包括含鹽、水、硫化氫、二氧化碳的原油或天然氣，海水及壓縮空氣等，外部環境主要是潮濕的含鹽大氣。因此，當硫化氫的含量超過一定值時，根據NACE MR0175—2015《石油和天然氣工業 油氣開采中用于含H2S環境的材料》[8]選擇合適的抗硫化物應力開裂(SSC)或氫致開裂(HIC)材料，并在施工中采用標準推薦的焊后熱處理等措施。當介質為海水時，通常選用抗點蝕當量更高的雙相鋼、鈦或銅鎳合金材料。當介質為其他腐蝕介質且主要為均勻腐蝕，點蝕和晶間腐蝕不明顯時，優先采用316L類不銹鋼或不銹鋼復合碳鋼板。若在不銹鋼復合鋼板制造過程中需要通過熱處理來恢復其力學性能，應綜合考慮腐蝕風險和強度風險，通常選擇保證基材性能進行熱處理，并在升溫和降溫過程中快速避開奧氏體敏化溫度區間，以保證復合材料的性能。除內部介質外，還應考慮海上鹽霧環境，禁止使用304和鋁制等材料，奧氏體不銹鋼的外部保溫材料應根據相關標準進行相應的應力腐蝕試驗、pH值測量和鹽含量測量等，以免奧氏體不銹鋼外表面產生嚴重的層下腐蝕。

1.4 基本風壓換算[9-11]

GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[12]未統計國內海域風壓值，而設計海上平臺時采用重現期為100 a、時距為3 s的風速，因此當采用GB 150—2011進行高聳壓力容器設計時，不能直接套用該風速，而應換算成我國標準重現期為50 a、時距為10 min的平均風速，否則壓力容器設計將十分保守。目前，國內外應用最廣泛的時距風速換算可參考ASCE/SEI 7-10《建筑物和其他結構最小設計荷載》[9]中圖C26.5-1，從圖中查出v600和v3，其比值約為0.7，考慮到地理位置的差異和一定的安全系數，可適當提高此值到0.75。對于普通設計者，由于缺少相關統計數據而無法進行重現期換算時，根據GB 50009—2012中我國近海岸140多個地區50 a與100 a重現期的風壓比值多在0.85～0.9，并參考其他相關文獻，推薦換算系數η取上述風壓比值的上限0.9進行簡易換算，從而得到風速轉換公式(4)，然后根據式(5)計算出風壓值，最終的基本風壓取距海上平臺最近海岸地區的風壓值和式(5)計算的風壓值兩者的大值。

v600=0.75ηv3

(4)

q600=6.25×10-4v6002

(5)

q0=max(q600,q′)

(6)

式中，v600為重現期50 a、10 min的平均風速，v3為重現期50 a、3 s的風速，m/s；q600為重現期50 a、10 min的平均風壓，q′為海上平臺距離大陸最近海岸的基本風壓，q0為基本風壓，kPa；η為不同重現期風速與50 a重現期風速的換算系數。

1.5 局部載荷計算[13，14]

外部管線受到溫度等因素影響，將會通過接管接口處(通常為法蘭面)作用6個方向的力和力矩，并在容器壁和接管根部區域產生額外的局部應力，見圖1。如果容器設計不周或接管外載過大，在內壓的共同作用下會產生過高的局部應力，造成容器破壞。因此從海上容器高可靠性要求出發，所有技術規格書都要求對該局部應力進行分析和控制。

圖1 容器接管外載

目前國內主要采用HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強度計算規定》[15]中基于國內外應用最廣泛的美國焊接委員會WRC 107公報和WRC297公報得出的公式進行局部應力計算。一般情況下，吊耳、支座等實心結構件對容器壁作用產生的局部應力計算采用WRC107，本體接管對容器壁作用產生的局部應力計算采用WRC297，但該方法通常只適用于小開孔率，且適用范圍很窄，主要是因為接管與容器的壁厚比限制范圍以及接管在容器壁上的位置范圍均較窄。2013年容標委發布的指導性技術文件CSCBPV-TD001《內壓與支管外載作用下圓柱殼開孔應力分析方法》進一步拓寬了原以WRC297進行圓柱殼接管局部應力求解的適用范圍，提高了計算精度。以上方法都有一定的適用范圍，當超出適用范圍時，可采用有限元分析方法進行局部應力計算，但此方法費時、費力，對設計者的水平要求較高。歐盟標準BS EN 13445—2014《非燃燒壓力容器》[16]在局部應力求解方面提供了一種新的方法，并且具有更寬的適用范圍，但其用于對殼體的評定偏于安全，對接管的評定偏于冒進，且目前尚未被海洋平臺容器技術規格書所采納，設計者在使用此方法時需要多加考慮。

1.6 支座設計

一般情況下，海上固定平臺容器中立式容器和塔式容器都采用裙座支撐，臥式容器采用鞍座支撐，極少數小型設備，比如立式濾器等采用腿式支撐。高聳的結構受外載時通常可簡化為平面梁結構作平面振動，一般包括剪切振動、彎曲振動和扭轉振動。對于矮粗結構的立式容器而言，主要以剪切振動為主；對于細高的塔式容器而言，主要以彎曲振動為主。兩者都可以參考NB/T 47041—2014《塔式容器》[17]及其附錄E進行裙座設計和校核，然而在計算時一般需同時考慮容器主管線接管載荷對容器的疊加。對南海海域固定平臺上的壓力容器，由于洋流和風載較大，推薦考慮平臺水平和垂直加速度與地震載荷的疊加。與陸地容器另一不同點在于，立式容器或塔式容器裙座與海上固定平臺連接方式一般為焊接而非螺栓連接，因此需校核裙座筒節與基礎環、基礎環與平臺甲板之間連接焊縫的強度。對于臥式容器鞍座，也需要考慮以上風載、地震載荷、接管外載荷、平臺水平和垂直加速度對鞍座的影響，可以按照NB/T 47042—2014《臥式容器》[18]進行鞍座設計。與立式容器不同，對臥式容器，由于軸向安裝和使用時受溫差和接管外載等影響，需要考慮其軸向伸縮，鞍座與基礎之間仍然與陸地容器一致，采用螺栓連接。

1.7 安全閥泄放量計算

目前，國內外海洋平臺工藝系統采用美標設計，而國內海上平臺的容器絕大部分采用國標設計。這種“系統美標、容器國標”的現狀，容易造成國內外標準混用，甚至錯用等情況。對于國標設計的壓力容器安全閥泄放量，GB 150.1—2011附錄B提供了確切的計算方法，而容器外部的管線等采用ASME B31.3—2016《工藝管道》[19]設計，其安全閥泄放量采用API 520—2014《煉油廠壓力釋放裝置的尺寸、選擇與安裝》[20]等方法計算，因此當容器和外部管線等設施作為一個整體組成一個系統時，安全閥泄放量的計算方法往往容易選錯。

GB 150—2011和API 520—2014在安全閥的泄放量計算公式及適用條件上有所不同，比如某相同的設備在火災工況下的泄放量，按GB 150—2011計算出來的泄放量要比按API 520—2014計算出來的大，如果用美標計算出的泄放量選擇安全閥來保護國標設計容器，就會出現安全隱患[21]。因此，當容器采用GB 150—2011設計時，單獨保護容器的安全閥泄放量也按GB 150—2011計算，保護系統安全閥泄放量計算公式為：

(7)

2 橇裝設計

2.1 設計資質

橇裝設計的主體為容器，通常按GB 150—2011設計，而少量的橇內壓力管道按ASME B31.3—2016設計。特種設備安全監察局于2012-05明確了橇裝式壓力容器的設計單位只需取得壓力容器設計資質，而不強制要求取得壓力管道設計資質。

2.2 設計重點

典型的橇裝式壓力容器見圖2。

圖2 典型橇裝式壓力容器

在橇裝式壓力容器中，橇內附屬設施以更好地完善系統功能、保障系統安全為首要目的。相對陸地橇裝式系統，海洋平臺上的橇裝式系統設計需嚴格控制其幾何尺寸和重量，并提供精確的重心用于平臺重控分析，在特殊情況下甚至以犧牲操作的便利性來限制尺寸，否則會造成平臺成本大幅增加。在有限的海洋平臺橇裝式系統空間內應合理布置操作維修空間，避免與逃生通道或其他結構等發生干涉。設計時，各種儀表、閥門、管線布置緊湊，常需在容器上焊接支架等對外部管線或儀表進行支撐，布置支撐時需考慮不對容器產生過大的外載。當容器設計過程中接管外載過大時，可以考慮在外部管線增加支撐施加約束，從而減少對容器強度的影響。

3 結語

①海上容器設計壓力的取值與GB 150—2011有很大不同，尤其是真空容器設計壓力的取值，需兼顧GB 150—2011和Q/HS 3042—2014。②選用海上容器材料時不僅要考慮內部介質的腐蝕，還要考慮外部海洋環境腐蝕，尤其避免使用不具有抗晶間腐蝕和點蝕能力的304不銹鋼和鋁制等材料。③海上平臺容器給定的風載荷通常為重現期100 a、時距為3 s的風速，在缺乏其他數據時，可采用本文給定的公式轉換成基本風壓進行計算，否則設計過于保守。④優先選擇HG/T 20582—2011和CSCBPV-TD001的方法對接管外載引起的容器局部應力進行計算，當超過適用范圍時可采取必要的分析設計手段。⑤一般需考慮接管外載對海上容器支座的影響，對于南海海域的平臺，推薦考慮平臺水平和垂直加速度對支座的影響。⑥計算安全閥泄放量時一定要注意安全閥保護的對象及對象的執行標準，尤其對安全閥單獨保護容器的情況，不能采用美標安全閥泄放量保護國標容器，否則會產生容器超壓泄放危險。⑦橇裝設計過程中，應嚴格控制整橇尺寸和重量，合理布置操作維修空間，否則會造成平臺結構強度或剛度不足，增加平臺建造投入。

[1] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.海上固定平臺安全規則[S].2000.

(State Economic & Trade Commission of the People’s Republic of China. Safety Rules for Offshore Fixed Platform[S].2000.)

[2] 王文若，傅曉華，陳珣.海上固定平臺壓力容器的制造檢驗[J].船海工程，2014，43(3)：195-197.

(WANG Wen-ruo，FU Xiao-hua，CHEN Xun. Manufacturing Inspection of Pressure Vessels on Offshore Fixed Platforms[J]. Ship & Ocean Engineering，2014，43(3)：195-197.)

[3] GB 150.1～150.4—2011，壓力容器[S].

(GB 150.1～150.4—2011，Pressure Vessels[S].)

[4] ASME Ⅷ-1—2017，壓力容器建造規則[S].

(ASME Ⅷ-1—2017，Rules for Construction of Pressure Vessels[S].)

[5] JB 4732—1995(2005年確認)，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].

(JB 4732—1995(R2005)，Steel Pressure Vessels——Design by Analysis[S].)

[6] ASME Ⅷ-2—2017，壓力容器建造另一規則[S].

(ASME Ⅷ-2—2017，Rules for Construction of Pressure Vessels，Division 2，Alternative Rules [S].)

[7] Q/HS 3042—2014，海上生產設施設計壓力和設計溫度確定的推薦作法[S].

(Q/HS 3042—2014，Recommended Practice for Determination of Design Pressure and Design Temperature of Offshore Production Facilities[S].)

[8] NACE MR0175—2015，石油和天然氣工業 油氣開采中用于含H2S環境的材料[S].

(NACE MR0175—2015，Petroleum and Natural Gas Industries—Materials for Use in H2S-containing Environments in Oil and Gas Production[S].)

[9] ASCE/SEI 7-10，建筑物和其他結構最小設計荷載[S].

(ASCE/SEI 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S].)

[10] 徐軍.不同標準下的風載荷取值研究[J].港工技術，2014，51(5)：36-38.

(XU Jun. Study of Wind Load Value Selection under Different Criteria[J]. Port Engineering Technology，2014，51(5)：36-38.)

[11] 劉剛.中國與美國規范風荷載計算分析比較[J].鋼結構，2010，25(12)：47-52，79.

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[12] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

(GB 50009—2012，Load Code for the Design of Building Structures[S].)

[13] HG/T 20582—2011，鋼制化工容器強度計算規定[S].

(HG/T 20582—2011，Specification of Strength Calculation for Steel Chemical Vessels[S].)

[14] 高翔.外載荷作用下局部應力的有限元分析[J].石油化工設備技術，2010，31(2)：23-30.

(GAO Xiang. Finite Element Analysis of Local Stresses Due to External Load[J]. Petro-chemical Equipment Technology，2010，31(2)：23-30.)

[15] HG/T 20582—2011，鋼制化工容器強度計算規定[S].

(HG/T 20582—2011，Specification of Strength Calculation for Steel Chemical Vessels[S].)

[16] BS EN 13445—2014，非燃燒壓力容器[S].

(BS EN 13445—2014，Unfired Pressure Vessels[S].)

[17] NB/T 47041—2014，塔式容器[S].

(NB/T 47041—2014，Vertical Vessels Supported by Skirt[S].)

[18] NB/T 47042—2014，臥式容器[S].

(NB/T 47042—2014，Horizontal Vessels on Saddle Support[S].)

[19] ASME B31.3—2016，工藝管道[S].

(ASME B31.3—2016，Process Piping[S].)

[20] API 520—2014，煉油廠壓力釋放裝置的尺寸、選擇與安裝[S].

(API 520—2014，Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices[S].)

[21] 白秋云.國標與API標準中安全泄放量計算的比較[J].山東化工，2013，42(3)：80-82.

(BAI Qiu-yun. Comparison of Chinese Standard and API in Safety Relief Amount Calculation[J]. Shandong Chemical Industry，2013，42(3)：80-82.)

KeyDesignPointsofSkidMountedPressureVesselonOffshoreFixedPlatform

LIUJia-yuan，WUXu-wei，LIUYu，HUMing-sheng
(Offshore Oil Engineering Co. Ltd.， Tianjin 300452， China)

The different characteristics and attention matters between the offshore skid mounted pressure vessel and the onshore pressure vessel in inspects of offshore environment，design idea，standards，codes，qualifications and certifications are introduced. The conversion method between 3S wind speed and basic wind pressure during the design process of offshore pressure vessel，the applicable standards of local load calculation of pressure vessel，and the principle of calculating the relief capacity of pressure vessel under different design system are focused on，and some methods are given to solve the other problems in design process，then took guiding effects on future pressure vessel skid design.

pressure vessel； offshore fixed platform； skid mounted system； design

1000-7466(2017)06-0034-05

2017-06-02

劉家員(1976-)，男，天津人，工程師，學士，長期從事海上壓力容器設計和制造工作。

TH49； TQ050

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.007

(張編)

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