基于管樁耦合模型的獨樁平臺棧橋管道應(yīng)力分析

李孟杰，高 晉，時米波，肖小龍

（1. 中石化石油工程建設(shè)有限公司，北京 100020；2. 中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026）

在灘淺海油田開發(fā)中，獨樁支撐平臺結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、造價較低，作為單井平臺、火炬平臺、棧橋支撐平臺得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但是獨立樁平臺抗側(cè)向位移剛度相對較小，在極端海冰、波浪等海洋環(huán)境載荷作用下，平臺上部水平位移較大[3]。棧橋是連接海上相鄰平臺之間油氣水管線的支撐，平臺發(fā)生位移會帶動棧橋及其上的管道產(chǎn)生較大的相對運動，可能造成管道薄弱部位強度不足而發(fā)生損壞泄漏[4-5]。因此設(shè)計時應(yīng)詳細分析棧橋管道應(yīng)力強度、固定支架推力，使管道的柔性設(shè)計滿足附加位移、內(nèi)壓等荷載下的總體要求[6]。

本文基于美國COADE公司開發(fā)的專業(yè)壓力管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ，結(jié)合勝利海上油田某平臺改造項目，將輸油管道、棧橋與獨立樁作為一個整體系統(tǒng)進行應(yīng)力分析，得到了輸油管道的詳細應(yīng)力[6-7]，并根據(jù)分析結(jié)果提出管道布置優(yōu)化建議，為類似項目提供參考借鑒。

1 獨樁平臺棧橋管道結(jié)構(gòu)載荷特性

某海上平臺改造項目見圖1。改造方案要求拆除圖1（a）方框內(nèi)生產(chǎn)平臺，將原連接在該平臺上的輸油管道，通過獨樁支撐的棧橋（圖1（b））連接到另一座新建平臺上，管道長度約為50 m。

圖1 獨樁平臺棧橋管道系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of single-pile platform trestle piping system

海上獨立樁棧橋上的輸油管道與陸上管道相比，所受的荷載除常規(guī)的管道內(nèi)壓、重力荷載外[7]，尤其需要重點關(guān)注的是獨立樁平臺、棧橋與其他平臺間的相對運動而導(dǎo)致管道產(chǎn)生的附加位移荷載。

在極端海冰、波浪等荷載作用下，由于獨立樁的抗側(cè)移剛度相對較小，固定于獨立樁上的輸油管道立管部分將被動隨之同步發(fā)生運動，從而產(chǎn)生附加位移荷載。棧橋與平臺固定方式通常為一端焊接固定，一端滑動連接。棧橋滑動連接支座處設(shè)有擋塊以限制其橫向運動，因此敷設(shè)于棧橋上管道的主要運動趨勢是沿管道軸向滑動，棧橋上管道支撐與管道之間產(chǎn)生摩擦力荷載[4]。

2 獨樁平臺棧橋管道應(yīng)力分析及布置優(yōu)化

2.1 管道獨立模型分析方法

該項目沿獨立樁平臺棧橋敷設(shè)的輸油管道及獨立樁相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 輸油管道及獨立樁相關(guān)參數(shù)Table 1 Relative parameters of oil pipeline and single pile

輸油立管與獨立樁通過固定管卡連接（圖2），該固定管卡對立管豎向及水平方向進行平動位移約束，該支架下部海面以下還有兩個導(dǎo)向管卡對立管進行水平方向的平動位移約束。

圖2 獨立樁與立管的連接示意圖Fig. 2 Schematic diagram of connection between single pile and riser

輸油管道和獨立樁分別單獨建模計算分析時，極端海冰工況下獨立樁各管卡處的水平位移量見表2，其中第一管卡處的水平位移為483 mm，然后直接將約束立管的獨立樁上各管卡支架處的海冰位移荷載施加于立管上進行應(yīng)力分析。

表2 獨立樁各管卡處水平附加位移量Table 2 Horizontal additional displacement at each pipe clamp on single pile

在對沿獨立樁敷設(shè)的管道進行應(yīng)力計算時，附加位移工況組合應(yīng)綜合考慮上述四個方向的水平位移量，分四種工況分別對輸油管道應(yīng)力進行校核評估。

該輸油管道從海底敷設(shè)而來，沿獨立樁向上敷設(shè)至平臺，然后在平臺上通過兩個彎頭拐向棧橋，通過棧橋?qū)⒐艿酪蛄硪粋€大平臺，固定于大平臺上的收發(fā)球筒處。管道應(yīng)力常規(guī)建模分析方法將管道作為一個單獨的系統(tǒng)，使用CAESARⅡ軟件建立起應(yīng)力分析模型見圖3。將獨立樁管卡處的冰荷載位移通過關(guān)聯(lián)節(jié)點施加于管道，管道與收發(fā)球筒處做簡化固支處理，棧橋部分管道通過滑動支架安放于棧橋，當(dāng)獨立樁在冰荷載作用下帶動棧橋晃動時，將對安放于其上的管道施加一個滑動摩擦力，此效應(yīng)也在模型中通過關(guān)聯(lián)節(jié)點的方法進行模擬。

圖3 輸油管道獨立分析計算模型Fig. 3 Independent analysis and calculation model of oil pipeline

基于輸油管道獨立建模，CAESARⅡ分析計算結(jié)果見表3。該管道在各附加位移工況下的應(yīng)力均嚴重超過標(biāo)準(zhǔn)允許值[6]，其中超標(biāo)最為嚴重的工況為軸向附加位移（正向）工況，應(yīng)力計算值為標(biāo)準(zhǔn)允許值的874%，收發(fā)球筒固定端處的推力為710 kN。從應(yīng)力分析的角度，這是由于管道在較大的附加位移荷載作用下，自身缺乏足夠的柔性吸收管道變形[8-9]。為此，提出以下四種提高管道柔性的方法：（a）在棧橋管道中部增加一個平面π型補償器；（b）在棧橋管道增加兩個平面π型補償器；（c）在棧橋管道中部增加一個立體π型補償器；（d）在棧橋管道增加兩個立體π型補償器。計算模型見圖4，分析結(jié)果見表3。

圖4 管道增設(shè)位移補償器優(yōu)化布置計算模型Fig. 4 Calculation model for optimal placement of additional displacement compensator in pipeline

表3 管道應(yīng)力及推力分析結(jié)果Table 3 Analysis results of pipe stress and thrust

由表3可知，該管道極端海冰工況下由于附加位移作用，即使調(diào)整輸油管道自身柔性來吸收管道附加位移，仍不能滿足要求。

2.2 管樁耦合模型分析方法

獨立樁結(jié)構(gòu)為外徑1 600 mm，壁厚34 mm的結(jié)構(gòu)鋼管；輸油管道為外徑457 mm，壁厚14.27 mm的鋼管，且該管道在另一側(cè)的平臺上進行了固定[10]。對于輸油管道和獨立樁構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，輸油管道自身的結(jié)構(gòu)剛度對該系統(tǒng)的影響因子不容忽略，因此采用管樁耦合整體系統(tǒng)理念，將輸油管道、獨立樁平臺及棧橋作為一個整體建立分析模型，更符合管道系統(tǒng)受力實際。

極端海冰工況下海冰對獨立樁的水平荷載約為600 kN，將輸油管道與獨立樁構(gòu)建到一個應(yīng)力分析系統(tǒng)中，管道與收發(fā)球筒處做簡化固支處理，棧橋部分管道通過滑動支架安放于棧橋。當(dāng)獨立樁在冰荷載作用下帶動棧橋晃動時，將對安放于其上的管道施加一個滑動摩擦力，此效應(yīng)也在模型中通過關(guān)聯(lián)節(jié)點的方法進行模擬（圖5）將上述海冰沖擊荷載施加到該系統(tǒng)，再次進行應(yīng)力計算。通過計算分析可知，極端海冰工況下獨立樁最大水平位移同樣發(fā)生在第一個管卡處，為258 mm，降低為單獨考慮獨立樁結(jié)構(gòu)時的53%。

圖5 管樁耦合整體分析模型Fig. 5 Overall analysis model of pipe-pile coupling

采用基于管樁耦合的管道應(yīng)力計算模型，CAESARⅡ分析計算結(jié)果見表4，分析計算可知，若不采取任何柔性補償措施，其最大應(yīng)力計算值為標(biāo)準(zhǔn)允許值的258%，收發(fā)球筒固定端處的推力為218 kN，仍需要提高管道柔性以滿足強度要求。

依據(jù)管道應(yīng)力分析結(jié)果，提出以下幾種提高管道柔性方法：（a）在棧橋管道中部增加一個平面π型補償器；（b）在棧橋管道增加兩個平面π型補償器；（c）在棧橋管道中部增加一個立體π型補償器；（d）在棧橋管道增加兩個立體π型補償器。針對以上補償措施，基于管樁耦合分析模型，分析管道的應(yīng)力及推力結(jié)果見表4。

表4 基于管樁耦合模型管道應(yīng)力及推力分析結(jié)果Table 4 Analysis results of pipe stress and thrust based on pipe-pile coupling model

對表4計算結(jié)果分析可知，雖然采用了基于管樁耦合系統(tǒng)的管道應(yīng)力分析方法，并采取了相應(yīng)的柔性補償方案，管道應(yīng)力仍然超過標(biāo)準(zhǔn)允許值約30%。分析應(yīng)力超標(biāo)節(jié)點可知，最大應(yīng)力超標(biāo)點為輸油管道立管第一個管卡處，另外一個位置是靠近大平臺的π型補償器處。因此考慮以下兩種方案進行優(yōu)化設(shè)計：（a）調(diào)整π型補償器尺寸；（b）在獨立樁管卡與管道之間增加一層橡膠板，以降低獨立樁附加位移荷載對輸油管道的沖擊荷載。計算結(jié)果見表5。

表5 進一步優(yōu)化管道應(yīng)力及推力分析結(jié)果Table 5 Stress and thrust analysis results of further optimized model

由表5可知，采用基于管樁耦合模型的管道應(yīng)力分析方法，并進行管道優(yōu)化布置，提高柔性補償能力，可有效降低管道的應(yīng)力水平，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

（1）對獨立樁棧橋平臺油氣輸送管線應(yīng)力分析，平臺附加位移荷載是需要重點關(guān)注的外載荷。

（2）獨立樁棧橋管道采用基于管樁耦合分析模型，將油氣輸送管道、獨立樁平臺及棧橋作為一個整體系統(tǒng)進行應(yīng)力分析，更符合實際。

（3）基于樁管耦合分析，結(jié)合管道優(yōu)化布置可有效降低管道應(yīng)力水平，避免類似項目常規(guī)采用非金屬柔性連接件頻繁更換引起的停產(chǎn)難題。