海底管道水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

海底管道是海上油氣開發(fā)的大動脈[1]，而海底管道的水下連接是其中重要的環(huán)節(jié)。在淺水區(qū)域，海底管道多采用螺栓法蘭連接形式。但在淺水區(qū)域，海底設(shè)施極易受到漁業(yè)、船舶運(yùn)輸以及固定平臺等設(shè)施的影響，時常面臨漁網(wǎng)拖掛、落物砸損等方面的威脅。輸送油氣的水下管道法蘭如受到這類外力作用，其密封可能會遭到破壞，導(dǎo)致水下油氣輸送管道泄漏[2]，不僅影響油氣田的正常生產(chǎn)，還有可能造成嚴(yán)重的環(huán)境事故。因此，在易受漁業(yè)、船舶運(yùn)輸影響的淺水區(qū)域，應(yīng)當(dāng)對海底管道法蘭連接處設(shè)置保護(hù)結(jié)構(gòu)。

海底管道的連接法蘭在投用后需要定期檢查維護(hù)，并根據(jù)檢查結(jié)果和生產(chǎn)需要更換密封圈、螺栓、螺母甚至水下回接管道。這些操作決定了水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)必須緊湊、輕便且易于拆卸。同時，從防漁網(wǎng)拖掛和落物保護(hù)的角度出發(fā)，保護(hù)結(jié)構(gòu)本身還必須滿足強(qiáng)度要求[3]。目前國內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)中對水下法蘭的保護(hù)考慮較少，采用的也是較為簡易的臨時護(hù)罩，存在設(shè)計(jì)不合理、保護(hù)效果不理想的問題。文中介紹了全新設(shè)計(jì)的水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)[4]，并采用有限元方法對其不同工況下的受力進(jìn)行了分析。

1 水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

全新設(shè)計(jì)的法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)主體是由Q235鋼板焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)，其本體主要由保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架(圖1)和固定底板(圖2)兩部分組成。將保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架通過吊裝罩在海底管道法蘭上，再通過2塊固定底板與保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架兩端的螺栓孔進(jìn)行固定連接。

圖1 保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架結(jié)構(gòu)

圖2 固定底板結(jié)構(gòu)

在連接保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架和固定底板時，先采用水下吹泥的作業(yè)方式[5]，對海底管道底部固定底板預(yù)計(jì)插入處進(jìn)行吹泥作業(yè)。吹泥作業(yè)之后將固定底板插入海底管道底部，用螺栓將其與保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架連接。

利用三維建模仿真軟件Solidworks[6]，對法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行1∶1仿真建模，建模后將法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)與海底管道進(jìn)行裝配，模擬其在海底安裝后的效果。通過仿真建模，可以檢查、發(fā)現(xiàn)法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)本身存在的問題以及與海底管道裝配后出現(xiàn)的干涉等問題[7]。另外，在仿真建模過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以在Solidworks中對法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)的各個部分按照實(shí)際情況進(jìn)行材料指定，如鋼材、橡膠等，可以使其具有相應(yīng)材料的物理性能(如密度、強(qiáng)度等)，從而更加準(zhǔn)確地對保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝、測試等方面的模擬。準(zhǔn)確的模擬結(jié)果對法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)的海上安裝方案、安裝時間、安裝成本有重要影響。利用Solidworks軟件對法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)與海底管道裝配后的情形進(jìn)行仿真模擬并抽圖。

法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)安裝在海底管道法蘭上的整體效果見圖3。

1.海底管道 2.周向弧板 3.軸向直板 4.鞍座弧板 5.橡膠墊層 6.固定底板 7.管道法蘭圖3 水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)安裝示圖

數(shù)組軸向直板呈30°夾角固定在兩端的鞍座弧板上，3組周向弧板將所有軸向直板連接固定在一起，使整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提升。在最上端的軸向直板上加工有吊裝孔，以便于保護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝操作。在鞍座弧板和海底管道之間，以及固定底板表面設(shè)置了氯丁橡膠墊層，以增加法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)與海底管道之間的摩擦力，限制法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)沿海底管道發(fā)生圓周向旋轉(zhuǎn)。

本法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、安裝拆卸方便。以外徑457 mm(18英寸)海底管道的法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)為例[8]，保護(hù)結(jié)構(gòu)的外形尺寸(長×寬×高)為2 350 mm×1 256 mm×940 mm，在空氣中的質(zhì)量為450 kg，在水中的質(zhì)量為390 kg。保護(hù)結(jié)構(gòu)水下安裝過程中需要潛水員進(jìn)行輔助操作，緊湊的結(jié)構(gòu)和輕便的質(zhì)量對潛水員的水下操作十分有利，對海上安裝的施工條件要求也很低。

為了保證保護(hù)結(jié)構(gòu)緊湊、輕便并具有保護(hù)能力，保護(hù)結(jié)構(gòu)軸向直板和周向弧板的布置就非常關(guān)鍵。布置軸向直板時，要考慮固定底板和保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架在采用螺栓法蘭連接時的操作空間問題。該處的螺栓連接由潛水員在水下操作，合理的操作空間影響著安裝成敗[9-12]。

2 水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析

采用ABAQUS軟件對海底管道水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[13-14]。將分析計(jì)算結(jié)果與API-RP-2A-WSD—2000《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法——工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》[15]、DNV-RP-C204《Design Against Accidental Loads》[16]規(guī)范的要求進(jìn)行對比分析，檢驗(yàn)其是否滿足規(guī)范中的相關(guān)要求。

水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析工況主要包括操作工況、漁網(wǎng)拖掛工況和吊裝工況，分析工況及載荷組合見表1[17]。

表1 水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)分析工況及載荷組合

有限元分析采用全3D計(jì)算模型，將水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)的板用面單元S4R取代，網(wǎng)格密度取20 mm。保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架有限元分析模型網(wǎng)格見圖4。固定底板對受力影響不大，為了便于分析計(jì)算，不再考慮固定底板[18]。水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)兩端與海底管道相接觸，在分析模型中選取接觸部分全約束。

圖4 保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架有限元分析模型

有限元分析計(jì)算得到的不同工況下保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架的應(yīng)力/應(yīng)變分布云圖見圖5。

圖5 不同工況下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架應(yīng)力/應(yīng)變分布云圖

根據(jù)API-RP-2A-WSD—2000要求，在操作工況和吊裝工況下，水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力不應(yīng)超過0.66倍屈服應(yīng)力，即0.66×235=155 MPa。根據(jù)DNV-RP-C204要求，事故工況下的許用應(yīng)變εcr=0.2，此為工程應(yīng)變。考慮到ABAQUS軟件輸出的結(jié)果為結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變值εture，同時工程應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變兩者的關(guān)系為εture=ln(1+εcr)，故漁網(wǎng)拖掛工況下保護(hù)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值不超過0.182。

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，操作工況下水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架的最大應(yīng)力為3.09 MPa(圖5a)，吊裝工況下水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架的最大應(yīng)力值為55.34 MPa(圖5b)，漁網(wǎng)拖掛工況下水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)主框架的最大應(yīng)變值為0.119 6(圖5c)，均滿足校核規(guī)范的要求。

3 水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)首例應(yīng)用

在泰國PTTEP公司的Zawtika 1B項(xiàng)目中，文中設(shè)計(jì)的海底管道水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)得到了首次成功應(yīng)用，管道的最大應(yīng)用尺寸達(dá)到了外徑457 mm(18英寸)。

該法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)外形緊湊、質(zhì)量輕，在潛水員和吊機(jī)的配合下，安裝非常簡便、快捷。實(shí)際應(yīng)用情況證明，該結(jié)構(gòu)不僅滿足法蘭保護(hù)功能，而且能有效縮減安裝和維護(hù)成本[19]。

4 結(jié)語

海底油氣管道水下法蘭的保護(hù)對保障海上油氣田正常生產(chǎn)和防止海洋環(huán)境事故發(fā)生有著重要作用。文中設(shè)計(jì)的水下法蘭保護(hù)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、保護(hù)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。對保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，應(yīng)力、應(yīng)變均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。該保護(hù)結(jié)構(gòu)在國外項(xiàng)目中的成功應(yīng)用證明了其設(shè)計(jì)的合理性和有效性，對類似海底管道水下法蘭的保護(hù)具有參考價值。

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