海洋石油平台栈桥的管线布置

  海洋石油平台栈桥的管线布置  刘俭【Summary】海上栈桥施工难度较大，成本较高，而且后期修改困难，因而必须根据实际生产情况提出合理的管线布置方法，保证栈桥安全，为海洋石油平台的安全生产提供保障。本文主要针对海洋石油平台栈桥管线的布置方法做出探析。【Key】海洋石油平台；栈桥；管线布置海上石油平台栈桥是连接海上油气田两个或多个平台间油气管线、电控线缆以及人员通行的重要通道，一般采用空间框架钢结构。其安全与否直接影响到整个海洋石油平台生产的安全。近年来，随着我国社会经济的发展，对能源的需求也越来越多，海洋石油不断被开采，由最初浅海开采逐渐进入深海开采，而在石油开采过程中，经常出现两个或多个石油平台通过栈桥连接在一起进行石油开采和生产的现象，如何确保通过栈桥的管线在石油开采和生产中不受应力破坏是我们面临的重要课题。鉴于栈桥海上施工难度大，成本高，这就要求优化管线布置，尽量减少海上安装工作量，降低施工成本，保证平台后期生产。一、影响栈桥管线受力的因素温度对栈桥管线应力的影响不容忽视，若热膨胀产生的初应力较大，管线在运行初期可能会发生塑性变形，或是在高温持续作用下，管道上容易出现应力松弛或发生蠕变等现象，这对石油平台的安全生产非常不利。对栈桥管线进行应力分析时不仅要考虑压力、重力、风载、温度、水锤力、安全阀泄放反力等，重点考虑由机械外荷载引起的正应力和剪切应力，还要考虑平台间相对运动导致管线管道产生的位移荷载。平台间相对运动导致管道产生的位移荷载主要是在风、波浪、船舶靠泊等荷载作用下产生的，随着栈桥的位移，栈桥上支撑会一起运动，进而带动管道移动，而栈桥在平台两端处安装固定方式不同，所导致的管道产生的运动趋势也会不同，一般来说，滑动连接下管线管道主要是沿轴向滑动，铰接状态下管道主要为轴向运动和横向运动。二、栈桥管线布置方法为了吸收栈桥管线由于载荷、平台位移、热应力等产生的应力，关于海洋石油平台栈桥管线布置方法有多种，每种方法都有自身优缺点，在实际操作过程中需根据具体情况选择最为合适的管线布置方法：①中间U型膨胀弯管线布置法应用比较广泛，适用于为方形设计的栈桥，管线布置在栈桥顶部，管线上方、下方可布置电缆和人形通道，电缆也可布置在管线两翼。布置的时候两端为直管，管卡采用限位不卡死，利用中间U型膨胀弯吸收热应力和位移。此种方法不仅能较好吸收吸收管线热应力和位移，还具有占用两侧平台空间小、能提供两条人行通道的优点，但所需海上吊装空间较大，管线消耗较多，两端管线维修比较困难。②两端U型膨胀弯管线布置法早期就有应用，比如南海莺歌海海域崖城气田开采中，就通过栈桥将ADP生产平台和AWA井口平台相连接。该法适用于为方形设计的栈桥，栈桥上、下两层均设有人行通道，在上层甲板下方布设电缆，U型膨胀弯管线布设在栈桥两边平台内。此方法所需海上吊装空间小，维修方便，能提供两条人行道，但该法利用两端U型膨胀弯吸收的热应力和位移比较有限，而且栈桥中间为直管，需要两边平台提供较大的空间。③Z字型膨胀弯管线布置法也适用于为方形设计的栈桥，采用Z字型将管线在栈桥中间进行布置，在栈桥上下两层设人行通道，人行通道两侧布置电缆。利用中间Z字型膨胀弯吸收管线热应力和位移。虽此法管线材料消耗较多，但所需海上吊装空间小，安装、维修方便，能提供两条人行道。④栈桥两端采用软管连接的管线布置方法适用于为三角形设计的栈桥，这种形式的栈桥有一层主体结构，一条人行通道设在栈桥中间，电缆布置在通道两侧。一般而言，若管线位移较大，增设膨胀弯后仍然无法将热应力和位移完全吸收，或是受到空间限制无法布设膨胀弯，可考虑选用软管连接。此方法所需海上吊装空间小，安装、维修方便，但受环境因素、人为因素、中介物质等影响，对软管的腐蚀影响较大，容易发生泄露，直接影响油气管线，应对该问题予以重视。三、栈桥管线布置优化设计某油田包括PSP平臺、WHPA平台和WHPB平台，通过栈桥连接的是PSP平台与WHPA平台，因在PSP平台一端为滑动连接，WHPA平台为铰接，进行应力分析的时候，着重考虑管线轴向、横向位移。消防管线是栈桥管线中尺寸最大的管线，通过高度为15m和26m的栈桥，管线布置对柔性有着比较苛刻的要求，本文主要针对消防管线布置的优化设计进行分析。对管线柔性进行计算时，收集基础数据，包括壁厚、操作温度、最低环境温度、最高设计温度、设计压力、水压试验压力等，同时考虑三个方向的地震加速度和风速偶然荷载。栈桥在PSP平台与WHPA平台两端的安装固定方式分别为滑动连接和铰接，随着栈桥的位移，栈桥上支撑会一起运动，进而带动管线分别产生轴向滑动和横向运动。对位移进行组合，假定WHPA平台处于静止状态，PSP平台相对于WHPA平台运动，得到栈桥管线位移值，之后根据位移对管线所处状态进行判断，判断其处于拉伸状态还是压缩状态，在管线支撑上施加两者中的最大值，建立管线应力分析模型。分析其在拉伸状态下以及压缩状态下的应力分布情况，我们得到了管线在压缩状态时的应力水平较大的结论，为78.7%。为避免力通过栈桥钢结构和管线传递由PSP平台传递到WHPA平台，计算栈桥中心固定支架处的反力，当管线处于拉伸状态反力为5.24t，处于压缩状态反力为6.62t，需要由专业人员对其进行校核。为此，对管线布置进行优化设计，将管线膨胀弯布置在栈桥上或栈桥滑动端与平台连接处（图1）。针对实际情况，在PSP平台滑动连接端处布置了两个臂长为2.5m的膨胀弯，以吸收管线位移，以使管线系统的二次应力能符合相关要求。也可适当增加上述膨胀弯臂长，可以进一步减小管道应力和管道推力。比如将其分别增加到6.5m和4.5m，通过计算得到管线在压缩状态时的最大应力比为65.9%，较之前明显减小，管线处于拉伸状态的推力为3.90t，处于压缩状态下的推力为3.52t。图1在栈桥上、栈桥滑动端布置膨胀弯三、结语总之，海上平台栈桥管线布置设计是一门运用多学科的综合性技术，设计人员应掌握管线布置设计的基本技能，正确运用有关规范，根据实际情况，在综合考虑各种因素的基础上，选择合理的管线布置方法。需要注意的是，对于位移较大的管线支架，应防止管托滑落，布置管线时应考虑管道变形前后位置与其他管线是否存在冲突。Reference：[1]黄振东.海洋石油平台栈桥管线布置分析[J].装备制造技术，2013，08：81-82+89.[2]黄云.海洋石油平台工艺管线防腐技术的发展[J].化工管理，2015，14：214+216.[3]杨成，于建峰，邓凯，谢维纶，孙海东.浅谈海洋石油平台管线试压的应用[J].科技与企业，2014，10：292. -全文完-