海洋石油平臺(tái)管道布置設(shè)計(jì)與研究

摘 要：我國(guó)石油行業(yè)處于高速發(fā)展期，海洋石油逐漸成為主要開(kāi)采源，而海洋石油平臺(tái)成為關(guān)鍵設(shè)備，備受石油行業(yè)關(guān)注。目前我國(guó)的海洋平臺(tái)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但在實(shí)際運(yùn)用中依然存在不足，如平臺(tái)管道布置和優(yōu)化設(shè)計(jì)。鑒于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂的特點(diǎn)，因此必須在設(shè)計(jì)和優(yōu)化環(huán)節(jié)下功夫，對(duì)降低制造成本，提高平臺(tái)穩(wěn)定性和利用率有較大益處。為此，本文從海洋平臺(tái)管道布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面分析探討，并且提出針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，希望能為有關(guān)設(shè)計(jì)單位的后續(xù)研究提供幫助。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái);管道布置;設(shè)計(jì)研究;布置優(yōu)化

0 引言

海洋石油開(kāi)采是我國(guó)未來(lái)發(fā)展經(jīng)濟(jì)、解決能源緊缺問(wèn)題的重要手段，我國(guó)在渤海、南海都發(fā)現(xiàn)了豐富的石油資源，為我國(guó)下一步經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了能源基礎(chǔ)。但同時(shí)也應(yīng)重視海洋環(huán)境保護(hù)，避免開(kāi)采中對(duì)海洋環(huán)境造成較大破壞和污染，因此海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要工作，其中管道系統(tǒng)的各項(xiàng)性能直接關(guān)系到石油開(kāi)采安全和污染情況，在管道布局設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求具備較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，且擁有一定的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，才能勝任這項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

1 海洋平臺(tái)及平臺(tái)管道概述

1.1 海洋平臺(tái)介紹

海洋平臺(tái)是海洋石油、天然氣等多種資源開(kāi)采的基礎(chǔ)設(shè)施，是海上作業(yè)基地，具備多用途。通常平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)分為固定式和浮式、自升式平臺(tái)等等，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)來(lái)降低制造成本。其中優(yōu)化設(shè)計(jì)是重要的設(shè)計(jì)思想，對(duì)于改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本較為顯著。例如，根據(jù)同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擬定平臺(tái)的各項(xiàng)尺寸，隨后通過(guò)大量的計(jì)算、驗(yàn)證、修改后才能定性，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)要求較高，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)和人才。

1.2 海洋平臺(tái)管道系統(tǒng)的分類(lèi)

目前較為海洋平臺(tái)有兩種：導(dǎo)管架平臺(tái)和自升式平臺(tái)。導(dǎo)管架平臺(tái)是應(yīng)用最為廣泛的固定平臺(tái)，通過(guò)打樁以樁腿為基礎(chǔ)固定在海床上，可經(jīng)受大風(fēng)大浪和洋流等較大外力作用。自升式平臺(tái)屬于移動(dòng)式，由主體、樁腿、升降系統(tǒng)構(gòu)成，同樣以樁腿支撐主體，可通過(guò)升降系統(tǒng)到達(dá)預(yù)定高度作業(yè)，其特點(diǎn)是定位能力強(qiáng)、作業(yè)穩(wěn)定性好，可在惡劣環(huán)境下工作。

1.3 平臺(tái)管道布置概述

海洋平臺(tái)管道是平臺(tái)的重要基礎(chǔ)部件，是連接各個(gè)設(shè)備和運(yùn)輸開(kāi)采的石油資源的主要設(shè)備，其密封性直接關(guān)系到石油泄漏和環(huán)境污染，因此石油管道可靠性、穩(wěn)定性和安全性是設(shè)計(jì)布置中非常重要的一項(xiàng)任務(wù)。

平臺(tái)管道布置設(shè)計(jì)工作貫穿海洋平臺(tái)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，包括平臺(tái)初期生產(chǎn)、平臺(tái)建造過(guò)程、海上連接、平臺(tái)使用操作過(guò)程等。管道的布置設(shè)計(jì)工作內(nèi)容較多，主要有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)收集、配管研究、管道布置、支架設(shè)計(jì)、設(shè)備協(xié)調(diào)、材料統(tǒng)計(jì)等。設(shè)計(jì)中往往運(yùn)用到多學(xué)科知識(shí)理論，包括材料學(xué)、管道力學(xué)、電氣自動(dòng)化、機(jī)械理論、油氣處理、環(huán)保衛(wèi)生等等。設(shè)計(jì)人員首先要具備較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和綜合能力，其次要熟悉相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，掌握工藝流程、海上平臺(tái)的安裝、運(yùn)行、操作等基本技能。

1.4 海上平臺(tái)管道布置設(shè)計(jì)的重要性

海上作業(yè)具有周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，油層開(kāi)發(fā)力度不斷加大，石油平臺(tái)的使用壽命以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性都是面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此應(yīng)根據(jù)石油平臺(tái)自身的規(guī)模和應(yīng)對(duì)的環(huán)境條件來(lái)進(jìn)行合理的布置設(shè)計(jì)，保證其穩(wěn)定性，才能提高和穩(wěn)定石油產(chǎn)量。同時(shí)合理的布置設(shè)計(jì)也能減少平臺(tái)的建造和維護(hù)費(fèi)用，提高石油開(kāi)采的效率。

2 海洋平臺(tái)管道布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)資料準(zhǔn)備

平臺(tái)管道設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，要確保使用中的穩(wěn)定和安全性，就需要嚴(yán)格規(guī)范設(shè)計(jì)流程，收集大量的平臺(tái)資源數(shù)據(jù)確保設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，因此必要的設(shè)計(jì)條件和準(zhǔn)備工作是設(shè)計(jì)前非常重要的一項(xiàng)工作，主要包括工藝原理圖和管道數(shù)據(jù)表、有關(guān)結(jié)構(gòu)資料、儀表資料、預(yù)定布置的設(shè)備、容器相關(guān)詳細(xì)資料、電氣設(shè)備和儀表托架布置圖和安裝圖、風(fēng)機(jī)空調(diào)安裝圖、管道設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)等。

另外還需要考慮兩方面的設(shè)計(jì)，一個(gè)是管道支架設(shè)計(jì)，一個(gè)是管道應(yīng)力分析。管道支架是支撐管道重量，控制管道靜止和運(yùn)行狀態(tài)下的主要支撐設(shè)施，通常要考慮管子、管件和環(huán)境因素，尤其是動(dòng)態(tài)效應(yīng)的影響，如大風(fēng)大浪、地震、機(jī)械振動(dòng)等作用力。管道應(yīng)力分析是實(shí)現(xiàn)管道設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的重要手段，確定管道所需要的各項(xiàng)基本參數(shù)，保證管道自身結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，同時(shí)在滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的前提下節(jié)省開(kāi)支。

2.2 管道布置設(shè)計(jì)的基本原則

在滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)條件和資料的前提下，下一步就是開(kāi)展管道布置設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和原則，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，保證設(shè)計(jì)的合理性，主要包括以下幾個(gè)基本原則：

①合理性、合規(guī)性：管道布置設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)的法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及工藝要求、環(huán)保要求;②安全性和穩(wěn)定性：海洋平臺(tái)長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下作業(yè)，具備較高風(fēng)險(xiǎn)，因此保證平臺(tái)的安全性是非常重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。管道布局設(shè)計(jì)同樣應(yīng)從安全角度出發(fā)，在充分考慮人體工程學(xué)的前提下保證安全性能和穩(wěn)定性，如人員操作位置、通行位置凈高不能低于2.2m，高溫管道應(yīng)遠(yuǎn)離操作人員，如有必要可進(jìn)行隔熱處理;③不妨礙操作和維修：管道布置應(yīng)考慮到日常操作，應(yīng)不妨礙設(shè)備、儀表的操作和維護(hù)維修，在布置設(shè)計(jì)前應(yīng)充分考慮各種設(shè)備的特點(diǎn)和使用情況，便于有足夠的空間;④可維護(hù)性：部分管道需要進(jìn)行維護(hù)和管理操作，因此管道布置設(shè)計(jì)應(yīng)具備一定的維護(hù)性，尤其是有閥門(mén)控制的地方，應(yīng)方便操作人員接近和處理，如公用站、軟管站位置應(yīng)靠近平臺(tái)邊緣;儀表管道的閥門(mén)布置在儀表附近，便于操作;⑤經(jīng)濟(jì)性：在管道布置設(shè)計(jì)合理的前提下應(yīng)注意成本控制，海洋平臺(tái)本身成本高昂，但不應(yīng)無(wú)限擴(kuò)大其成本，在滿(mǎn)足安全和功能需求的前提下可適當(dāng)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少成本，如管道柔性和設(shè)備管嘴的作用力不超過(guò)規(guī)定值的情況下，長(zhǎng)度可適當(dāng)降低，減少焊縫等。

2.3 管道布局

管道前期工作主要是管網(wǎng)的預(yù)布置、單體預(yù)布置、管道撓性分析判斷等工作，即通常所說(shuō)的配管研究。

①管網(wǎng)預(yù)布置：設(shè)計(jì)主管網(wǎng)的走向布局，標(biāo)高和主工藝系統(tǒng)的走向，要綜合考慮到外界因素和內(nèi)部因素可能的影響，外界因素主要是環(huán)境變化，內(nèi)部因素主要設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的工藝變化、圖紙變化、設(shè)備變化等等。在預(yù)布置中出現(xiàn)的工藝流程、設(shè)備布置不合理的情況應(yīng)及時(shí)反饋并且解決;②單體預(yù)布置：在管道布局實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì)遇到配管設(shè)計(jì)資料不滿(mǎn)足要求的布置設(shè)計(jì)，此時(shí)可單獨(dú)就那些預(yù)布置，即單體預(yù)布置。常見(jiàn)的如控制閥門(mén)組、海管立管布置、工藝泵進(jìn)出口管線等等，同樣應(yīng)及時(shí)反饋并且解決;③管道撓性分析判斷：管道設(shè)計(jì)前期的布局是否合理還要注重管道撓性的分析，常見(jiàn)的如需要進(jìn)行應(yīng)力分析，出現(xiàn)超溫、敏感設(shè)備連接管道以及根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)需要撓性分析的管道;④管道排列優(yōu)化設(shè)計(jì)：管道設(shè)計(jì)中應(yīng)注意單體排列，需要根據(jù)壓力大小和管道的特性來(lái)進(jìn)行分析。整體管道布置應(yīng)整齊有序，橫平豎直，成組成排，有利于相互支撐，不排除使用斜線連接。

3 結(jié)束語(yǔ)

海洋石油平臺(tái)作為一種非常復(fù)雜的海上作業(yè)平臺(tái)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，尤其是管道布置和設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮多方面因素，包括外部因素和內(nèi)部因素變化，這些因素可能會(huì)影響到管道的運(yùn)行情況，因此合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)能一定程度上降低意外因素導(dǎo)致的各種事故。在管道設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循安全、功能、經(jīng)濟(jì)等原則，從而實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

肖祎萌（1985- ），女，天津薊縣人，本科，工程師，研究方向：石油行業(yè)工藝機(jī)械管道設(shè)計(jì)。