深水半潛平臺船體管道應力分析

紀志遠，雷俊杰，劉吉飛，程久歡，郝孟江

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

隨著全球石油、天然氣資源需求的不斷增長，如何有效開發深海油氣田資源已成為全球油氣領域的主要發展方向。深水半潛平臺作為大型深水浮式結構物，是集油氣處理、儲卸油、供電、人員生活等多功能于一體的深海油氣綜合開發處理中心，其作業水深可達2 000 m[1-8]。目前，國內針對深水半潛平臺的設計還處于起步階段，特別是在深水半潛平臺船體管道應力分析方面仍面臨著巨大挑戰，主要包括：如何選取合適標準進行管道應力分析設計；如何評估船體立柱內超高穿艙立管、四邊形非金屬壓載系統、船舷外鋼制懸鏈立管（Steel Catenary Riser，簡稱SCR）等一系列復雜、非常規管道的應力分析、設計、校核、評估；如何確定在惡劣環境與復雜船體變形條件下的船體管道載荷與工況編制方法；如何設計適用于深水半潛平臺船體結構特點的新型管支架等難題。

本文基于CAESAR II軟件，以ASME B31.1為計算評判標準進行了研究分析。

1 深水半潛平臺與船體管道

深水半潛平臺是深海油氣開發的重要裝備之一，與FPSO（浮式生產儲卸油裝置）相比，可抵抗更強的風浪，穩定性更好，作業水深更大[9-15]。某深水半潛平臺項目是我國首座自主研發、設計、建造的深水浮式半潛儲油平臺，其作業水深達1 500m，主要由上部組塊與船體兩大部分組成，其中船體部分可再分為中間立柱和下部浮體，如圖1所示。

圖1 深水半潛平臺

船體管道位于船體的中間立柱與下部浮體內，包括艙底水系統、壓載系統、掃艙系統、海水系統、淡水系統、燃油系統、貨油系統、消防系統等。船體管道隨船體運動，計算分析復雜。

2 設計標準

深水半潛平臺船體管道采用ASME B31.1《動力管道》作為主設計標準，有別于海洋石油平臺上部組塊采用ASME B31.3《工藝管道》，其壁厚計算、應力評定等設計標準更加苛刻[16-20]，管道應力計算更加嚴格，上述兩項標準差異對比見表1。

表1 標準差異性對比

3 荷載類型及工況組合

為滿足船體30年不回塢的設計要求，結合深水半潛平臺的實際作業工況，研究確定了船體管道應力分析工況、在位工況、極端工況、干拖工況、濕拖工況、合攏工況。通過全方位、系統模擬管道運行狀態，確保管道系統安全。

以在位工況為例，船體管道應力分析需要考慮以下載荷：管道重量荷載W，充水管道重量WW，設計壓力荷載P1，水壓試驗荷載HP，設計溫度T1，操作溫度T2，最低設計溫度T3，風荷載WIN1與WIN2，船體運動加速度荷載U1、U2、U3。其中SUS為持續應力工況，OPE為操作工況，OCC為偶然應力工況，EXP為熱膨脹工況。操作工況組合見表2。

表2 在位工況組合

4 船體特殊管道設計分析方案

4.1 超高穿艙立管分析設計

在深水半潛平臺船體立柱內設置有超高穿艙立管，用于將上部模塊生產處理后的介質經中間立柱輸送至下部浮體，不同于船型FPSO，立柱內的立管高度達60 m（相當于20層樓高），且伴隨船體不斷運動，船體立柱艙內的空間狹窄受限，因此常規的柔性設計已無法滿足管道自身運動及熱脹冷縮要求。

在設計中首次采用非柔性補償方案，考慮管道支架、管道穿艙處實際剛度值，并全部加載于模型中，既核實了管道穿艙件與管道間連接強度問題，又實現了管道整體柔性校核，通過合理設置管道限位支架位置，控制了管道熱脹冷縮方向，得到了適用于船體立柱內狹窄空間的超高穿艙立管設計方案，如圖2所示。

圖2 船體立柱內超高穿艙立管設計方案

4.2 舷外懸鏈立管分析設計

鋼制懸鏈立管（SCR）連接半潛船體與水下立管，用于輸送天然氣，其位置特殊，位于半潛船體外側，依靠管支架限位、固定，在其運行過程中會隨船體晃動產生較大變形量，其端部會承受較大外部荷載，計算極為復雜。

因此在舷外SCR分析設計與計算中首次將管道支架設計與管道應力分析相結合，通過設置新型特殊支架，用于吸收結構變形，同時在計算中考慮了其所受超大外部荷載（見圖3），保證了剛性懸鏈立管與半潛船體的連接安全。

圖3 舷外SCR設計方案

4.3 四邊形非金屬壓載系統分析設計

壓載系統具有穩定船體平衡，控制吃水、排水，減少船體變形及減輕船體振動的作用。深水半潛平臺特有的四邊形非金屬壓載系統位于船體底部，在設計中考慮250 mm超大位移變形（千年極端工況），然而艙內空間狹窄，管道柔性設計空間亦受到限制。

對四邊形壓載系統進行整體系統分析，通過對比管道應力水平、管道整體重量、管道穿艙處荷載力、管道固有頻率四方面對比驗證（其中管道應力水平對比如圖4所示），比選出玻璃鋼材質最適宜深水半潛平臺用壓載系統，同時選擇確定布置方案，保證壓載系統的整體安全，最終設計方案如圖5所示。

圖4 管道應力水平對比

圖5 壓載系統布置示意

5 船體管道支架設計

根據半潛船體運動特點，已經設計形成了一系列具有自主知識產權的、適用于深水半潛平臺船體管道系統的典型管道支架，現場應用情況良好，保證了管道系統的安全運行，見圖6。

圖6 典型管道支架

6 結束語

通過對深水半潛平臺船體管道運動特性的深入研究，確定了適用于惡劣環境與復雜船體變形條件下的船體管道載荷，編制了船體應力分析工況，同時使用ASME B31.1《動力管道》對船體超高穿艙立管、四邊形非金屬壓載系統、船舷外SCR進行分析研究，研究設計了適用于深水半潛平臺船體結構特點的新型管道支架，并應用于我國首座自主設計、建造的深水半潛平臺中。通過自主研究，掌握深水浮式半潛平臺船體管道應力分析技術，有效降低了設計成本，為我國深水半潛平臺自主設計奠定了重要基礎。