海洋平臺非長直走向管線的屈曲分析

遲省利

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

海洋平臺工藝管線系統是海洋平臺的重要組成部分,對石油和天然氣的開發、加工、存儲及運輸發揮著重要的作用[1]。配管專業的設計工作貫穿于海洋平臺設計工作的全過程,是平臺上部模塊及其設備撬塊設計的主要內容之一。與一般的工廠配管專業設計相比,海洋平臺的工藝管線布置設計具有空間緊湊,對安全性,可靠性要求極高的特點,因此其設計難度極大,需綜合考慮各方面特殊性因素。管線的合理布置與管支架的有效設計對保障平臺全系統的有效運行有著非常重要的影響[2]。

1 管線布置的基本原則

在海洋平臺的設計工作中,管線的走向和布置原則需結合生產需求,綜合考慮管線系統的安全性、可操作性、可維修性和經濟性等多方面因素[3]。

(1)在安全性方面,結合安全生產是第一要務的工作實際,在管線布置設計的過程中將管線在安裝過程中和投產后的安全性放在首位。需考慮管線在安裝階段的便捷性,不為管線在安裝階段留下施工安全隱患[4]。在投產階段,對于高壓高熱管線,應確保操作人員與管線保持一定的安全距離,并考慮設計添加絕緣絕熱材料和設置安全隔離空間。如集中放置的二氧化碳干粉罐和發射撬控制閥及連接的管線應設置單獨的二氧化碳間。

(2)在可操作性方面,管線的布置要保證撬塊、設備管線可接近,保證位于設備和管線系統內的閥門開關的可操作性。保證設備在操作人員容易接觸的范圍內,操作人員有足夠的行走空間和操作空間來使用設備。管線系統內的各類操作附件應處于易操作的環境中[5]。同時管線布置設計應考慮在危害事故發生時的極端狀態下,不出現難以操作和控制的情況。

(3)在可維修性方面,管線及其附件在生產過程中不可避免的產生損壞、老化等質量問題[6]。管線的布置應保留足夠的維修空間,保留可及時關斷的設備和可替代的選項。當質量問題發生時,能夠高效、快速地維修或更換有問題的管線及附件。

(4)在經濟性方面,在保證管線系統安全有效運行的基礎上,對材料預算及施工成本盡可能地節約和控制[7]。位于管線系統起始端和終端間的管線應合理利用周圍結構,生根于適當的結構梁或平臺甲板,在適當的位置進行管線穿艙和分支等設計,避免不必要的彎曲和迂回走向。同時設計合理的管支架跨度,選用合適的管支架類型,避免采用結構過于復雜、預制及安裝難度過大的管支架。

2 非長直走向管線的布置

在海洋平臺上,管線的非長直走向結構有其存在的合理性和必要性,其結構的產生有空間限制、工藝要求等多方面因素[8]。

(1)根據工藝要求和功能不同,平臺上的油、氣、水生產處理和儲存設備位于不同的模塊或者房間內,需要通過彎曲迂回的管線將介質送達指定的位置。如生產工藝流程模塊內的工藝管線需經過穿艙或穿平臺甲板后連接存儲模塊上的設備[9];廢水管線系統穿越各層甲板將生活樓上各個房間內的生活廢水排放到適當的位置。

(2)平臺空間有限而管線系統眾多,諸多管線在平臺甲板和設備間穿行布置時,由于甲板的高度差和各機械設備位置的不同必然導致管線的走向為非長直彎曲結構。

(3)為避免水擊現象導致的聲響和震動,在水平長直管的一定位置設置水平回形彎結構,用來減少水擊危害[10]。對于容易發生水擊現象的管道系統,需要布置向上的回形彎,并在高點設置排空閥排空多余氣體,或者布置向下的回形彎,并在低點設置泄放閥泄放多余的液體[11]。

(4)穿行于平臺上的管線,管線彎曲迂回的結構與結構梁和甲板的位置息息相關。為保障管線有穩定的支撐點,需將支架設計生根于能夠有效支撐管線的結構梁或甲板上。因此生根結構的位置變化也是管線結構彎曲迂回的主要原因之一。

(5)海洋平臺是一個多專業共同設計和建造的綜合性工程。除了管線,還有結構、機械、電氣,舾裝保溫等諸多專業[12-14]。管線的彎曲走向避免了與其他專業的設備和設施發生碰撞,同時為其他專業的建造和操作留出了空間。海洋平臺非長直走向管線的布置設計建模展示如圖1所示。

圖1 海洋平臺非長直走向管線的布置

3 非長直走向管線結構的簡化模型

非長直走向管線在海洋平臺上的結構有多種多樣的形式,將常見的在管支架跨度內的水平轉向結構、分支結構、回型彎結構和豎直轉向結構簡化為4類簡化結構模型如圖2所示。

圖2 四類常見的非長直走向管線結構

(1)水平轉向結構。為常見的管線在水平方向90°轉向結構,設置管支架分布在直角彎等距的兩側。

(2)分支管結構。在水平主管上生出豎直向上的分支管結構,常見于主管線上生出的放空閥和其他分支管結構。

(3)回形彎結構。為水平管線的回形彎結構,常見于為降低水擊作用效果而布置的回形彎管線。起支撐作用的管支架分布在回型彎轉角處,位置相對對稱。

(4)豎直轉向結構。為單一支架支撐的水平走向管線向下轉為豎直方向,管線下部末端為排空結構,常見于開排系統管線的末端。

4 非長直走向管線的撓度分析

4.1 設置管線材料屬性

在國內承攬的某海洋平臺項目中,管線材料的制造標準采用美標ASME 36.10。對管內輸送介質為氣體的上述4類非長直走向管線結構在受自身和介質重力作用下的剪力和彎矩展開分析。為方便分析比較,設置4類空間走向管線材料的截面及材質選用一致。材料截面均采用公稱直徑為10 in,壁厚等級為STD的鋼管,詳見文獻[15],如表1所示。

表1 管線材料的截面參數

為保證結構分析的普遍性,設置管線的材質類型為常見的普通碳鋼,選用國標Q235B材質,應用到上述尺寸管線上,該材質的力學性能如表2所示,參看文獻[16]。

表2 管線材質的力學性能

4.2 建立靜定梁數學模型

對上述4類常見非長直走向管線結構建立在支架跨度內的靜定梁模型。為方便分析比較,設置在支架跨度內的管線長度均為6 m。

(1)對于a類走向結構,由于管線在水平方向上的垂直對稱性,將其簡化為一端固支,管線中間彎折處為自由端,受均勻重力載荷的懸臂梁模型[17]。由于對稱性,該懸臂梁的長度為3 m。

(2)對于b類走向結構,簡化為管線受均勻重力載荷,中間位置處受以分支管重力F為豎直向下壓力,一端固支,一端滑動鉸支的水平簡支梁模型[18]。

(3)對于c類走向結構,簡化為受豎直向下均勻重力載荷,一端固支,一端滑動鉸支的水平簡支梁模型。

(4)對于d類走向結構,將水平管部分簡化為一端固支,另一端終點處受以豎直管重力G為豎直向下壓力的水平懸臂梁模型。

其中,由于設置管線在中點處發生彎折,d類結構與a類結構的水平懸臂梁長度相同,為3 m;b類和c類簡支梁的長度為6 m,4類數學模型如圖3所示。

圖3 四類非長直走向管線的靜定梁數學模型

4.3 撓度計算

應用材料力學分析方法對上述各類數學模型的最大撓度計算如下[19]。

(1)對于a類走向懸臂梁數學模型,撓度方程:

(1)

則該懸臂的最大撓度為:

(2)

式(1)中:w為梁隨位移x變化的撓度;q為梁上的均勻重力載荷;L為梁的總長度;E為管線材質的彈性模量;I為材料橫截面對彎曲中性軸的慣性矩;材質的彈性模量與材料彎曲中性軸慣性矩的乘積EI為材料的抗彎剛度;負號表示形變方向為豎直向下。

將L=3 m和表1、表2中的材料屬性值代入上式,得到a類走向懸臂梁的最大撓度約為:

w1max=0.4 mm

由材料力學可知,此時最大撓度位于懸臂梁自由端端點,即該管線結構的水平彎折處。

(2)對于b類走向簡支梁數學模型,由于以分支管的重力F作為壓力位于簡支梁中間位置,故撓度方程為:

(3)

則該簡支梁的最大撓度為:

(4)

設置分支管重為0.5 kN,將L=6 m和表1、表2中的材料屬性值代入上式,得到b類走向簡支梁的最大撓度約為:w2max=0.9 mm。

由于簡支梁一端滑動的特點,此時最大撓度應為靠近簡支梁的中心點偏向滑動鉸支一側。

(3)對于c類走向簡支梁數學模型,撓度方程:

(5)

該簡支梁的最大撓度為:

(6)

將L=6 m和表1、表2中的材料屬性值代入上式,得到c類管線走向簡支梁的最大撓度值:w3max=0.7 mm。

由于簡支梁一端滑動的特點,c類走向管線最大撓度也為靠近簡支梁的中心點偏向滑動鉸支側。

(4)對于d類走向懸臂梁數學模型,撓度方程為:

(7)

該懸臂梁的最大撓度為:

(8)

設置d類走向管線的彎折處位于管線中點處,即L=3 m,G≈1.8 kN,則d類管線走向簡支梁的最大撓度約為:

w4max=1.6 mm

由材料力學可知,此時最大撓度位于懸臂梁自由端端點,即該管線結構水平轉豎直方向的彎折轉角處。

5 建立有限元分析

5.1 在支架跨度內形變的有限元分析

應用ansys workbench中的design modeler軟件建立上述4類空間走向管線的水平管結構模型。采用靜力學分析模塊對各個模型建立約束限制和受力條件,對水平管部分進行有限元分析,得到在各類走向結構在重力方向上的形變數值模擬如下。因形變量較小,為便于觀察,均設置形變為200倍顯示。管線隨藍、青、綠、黃、紅顏色變化形變量逐漸加大,如圖4所示。

圖4 管線在支架跨度內的形變模擬

5.2 繪制形變對比曲線

對非長直走向管線的撓度計算和分析,就是分析管線隨位移變化的形變規律[20]。繪制上述四類空間走線管線在支架跨度內的形變曲線如圖5所示。

圖5 四類空間走向管線的形變量對比

5.3 繪制剪力對比曲線

剪力圖能夠衡量結構上剪力隨橫截面位置變化的函數關系,是梁結構在彎曲狀態下的內力圖。繪制剪力圖是準確確定等截面彎曲梁的形變和危險截面的重要手段,是工程材料力學的重要內容[21-22]。繪制上述四類空間走線管線在支架跨度內的剪力隨位移變化的曲線即剪力對比如圖6所示。

圖6 四類空間走向管線的剪力對比

5.4 繪制彎矩對比曲線

彎矩圖能夠衡量桿件上彎矩隨橫截面位置變化的函數關系,繪制彎矩圖能夠準確確定桿件在發生彎曲變形時橫截面上的彎矩分布,是桿件設計的依據之一[23-24]。繪制文中四類空間走線管線在支架跨度內的彎矩曲線對比如圖7所示。

圖7 四類空間走向管線的彎矩對比

6 結語

以工程實際為背景,介紹了管線布置的基本原則,對海洋平臺上非長直管線結構的產生進行了論述。通過建立數學計算模型和運用有限元分析方法對非長直走向管線在支架跨度內的形變、剪力和彎矩分布規律了進行分析和展示。

(1)通過論述管線的合理布置原則和非長直管線的布置要求,使管線布置達到美觀、簡捷、安全的效果,同時滿足項目需要和工藝要求,使管線具有可操作性,可維護性,兼顧節約項目成本。

(2)通過建立數學模型求解管線最大撓度,與通過有限元分析軟件模擬得到最大撓度基本一致。應用有限元分析軟件繪制形變曲線、剪力分布曲線和彎矩分布曲線,更清晰直觀的展示了各類空間走向管線在管支架跨度內的形變、應力、彎矩分布。

(3)經過計算和模擬得到的形變和應力結果可應用于實際的工程設計中。當通過計算得到的材料最大形變量接近塑性形變,或應力接近彈性極限荷載時,應采取相應的應對措施,否則會導致管線發生塑性永久變形而無法恢復。可采用替換為高強度等級的材質,適當的選用壁厚更大的管線,或設計增加管線加強板,以及降低支架跨度等方法,使管線形變量在彈性變形范圍內,進而防止管線發生塑性變形。

(4)海洋平臺上的管線由于環境和工藝種類繁多等因素,管線由多種多樣的材質構成,平臺整體形變等原因會導致管線的整體變形。為便于分析討論,設立了理想邊界和受力條件,忽略了熱力位移、動力影響、風和波浪載荷等多種因素,僅在限定邊界條件和固定應力的局部范圍內對管線結構的形變進行了分析和模擬,可為實際工程設計提供相應參考,但也具有一定的局限性。