FPSO上部模塊管道支架設(shè)計(jì)研究

紀(jì)志遠(yuǎn)，李蕾

FPSO上部模塊管道支架設(shè)計(jì)研究

紀(jì)志遠(yuǎn)，李蕾

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院，天津 300451）

FPSO憑借其抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)/卸油能力大及可以轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)。但其服役環(huán)境惡劣和船體的不固定性決定了上部模塊管道支架的設(shè)計(jì)具有一定的特殊性，為了研究FPSO上部模塊管道支架布置方式、選型原則，結(jié)合管道應(yīng)力分析相關(guān)理論，參考海洋石油平臺(tái)相關(guān)管道支架的布置方法，分析了FPSO上部模塊管道支架的設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)了管道支架對(duì)于FPSO生產(chǎn)安全的重要性，對(duì)于FPSO上部模塊管道支架設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。

FPSO；管道支架；支架跨距；支架形式

隨著世界油氣需求的不斷增加和邊際油田開采的需要，世界石油公司將大量資金投向海洋石油開發(fā)，深海石油開發(fā)已經(jīng)成為海洋石油發(fā)展的趨勢(shì)[1]。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）由于獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而備受石油公司青睞。FPSO是集油氣處理、儲(chǔ)油與卸油、發(fā)電、控制、生活功能為一體的海上油氣處理裝置，具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)/卸油能力大及可以轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)[2]。然而，F(xiàn)PSO由于受到海浪和海風(fēng)同時(shí)作用影響，其上部結(jié)構(gòu)固定于船體甲板之上，將獲得加速度，同時(shí)產(chǎn)生變形位移，這使得模塊之間的管線以及設(shè)備的管嘴處產(chǎn)生變形，且FPSO應(yīng)對(duì)拖航工況予以考慮，在臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)必須解脫撤離，管道支架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮拖航工況[3]。本文將對(duì)FPSO上部模塊管道支架的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

1 FPSO上部模塊管道支架介紹

管道支架具有載重功能，可以承載如自重、介質(zhì)重、保溫重、其他覆蓋物重等，同時(shí)可以限制管道位移方向和管道熱脹冷縮，有效抵抗偶然載荷如風(fēng)、地震、安全閥泄放反力、水擊力等，保護(hù)管道連接的敏感設(shè)備，如泵、壓縮機(jī)等的管口安全。

2 FPSO管道支架布置與選型原則

2.1 管道支架布置原則

表1為FPSO支架分類，可以看出，F(xiàn)PSO管道支架在上部組塊上的應(yīng)用較為廣泛。FPSO上部模塊管道支架設(shè)計(jì)與海洋石油平臺(tái)組塊支架設(shè)計(jì)有相同之處，但由于FPSO船體會(huì)受到風(fēng)載、波浪影響，船體結(jié)構(gòu)變形也會(huì)影響上部組塊管道支架，因此管道支架設(shè)計(jì)須考慮模塊與模塊之間連接情況，結(jié)合管道走向，同時(shí)考慮管道材料、溫度、絕緣層、管道所連接設(shè)備、附近管道元件情況，管道間距，附近鋼結(jié)構(gòu)布置，附近裝置的操作、維修等多種因素，F(xiàn)PSO上部模塊管道支架布置的一般原則如下：

1）管道支架應(yīng)滿足管道在靜載情況下基本的跨距要求。支架宜生根在鋼結(jié)構(gòu)上，并盡量靠近主結(jié)構(gòu)，如主梁、主立柱等，同時(shí)要保證支架和結(jié)構(gòu)梁的強(qiáng)度，如有必要應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度核算[4]。管道支架宜設(shè)置在直管段上，保證管支架不對(duì)管道焊縫產(chǎn)生影響。一根長(zhǎng)直管道上只能使用一個(gè)固定支架或止推型支架。每隔一個(gè)支架，使用一個(gè)導(dǎo)向支架，靠近彎頭的第一個(gè)支架為承重支架。管道改變方向時(shí)（橫向或縱向），彎頭或三通附近宜設(shè)置支架，同時(shí)考慮管道柔性要求。

2）管道支架的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮操作和維修空間，例如不能妨礙管道、設(shè)備、閥門、濾器、儀表等。在往復(fù)式壓縮機(jī)、泵的進(jìn)出口管道支架跨距宜適當(dāng)減小，以提高管道自然頻率，減小振動(dòng)。應(yīng)避免在管道上焊接設(shè)置支架以支撐其他管道，禁止在高溫、低溫、振動(dòng)、蒸汽管道和非金屬管道上支撐其他管道（接壓力表的支管除外）。

3）管道支架布置時(shí)跨距應(yīng)盡量統(tǒng)一，且美觀。管排上管道支架跨距應(yīng)綜合考慮大尺寸管道和小尺寸管道的跨距要求，避免支架跨距過大或者過小。同時(shí)應(yīng)注意管線標(biāo)高，應(yīng)當(dāng)考慮坡度對(duì)支架跨距的影響。管道末端必須設(shè)有支架，避免伸出長(zhǎng)度過長(zhǎng)引起管道下垂。

表1 管支架分類

2.2 管道支架選型通用原則

通過上一節(jié)了解了FPSO上部模塊支架布置原則，接下來通過金屬管道與非金屬管道兩方面來了解支架選型原則與方式。

2.2.1 金屬管道支架選型原則

FPSO上部模塊包含金屬管道與非金屬管道，其中金屬管道應(yīng)根據(jù)其尺寸、材質(zhì)設(shè)置其合適的導(dǎo)向及限位支架，以滿足抵抗偶然載荷的要求[5]。

例如， 對(duì)于不帶絕熱層的管道不宜用于管線尺寸大于NPS 4，盡量避免用于管線尺寸大于NPS 12，其中公用系統(tǒng)管道、合金管道經(jīng)評(píng)估后可適當(dāng)放寬限制；對(duì)于帶有絕熱層的小于NPS 2，且操作溫度小于60 ℃的管道可選用U-Bolt；對(duì)于內(nèi)涂塑、鍍鋅等有內(nèi)涂層的管道，可根據(jù)項(xiàng)目情況評(píng)估后使用U-Bolt。

圖1 水平管道彎管支架跨距

對(duì)于特殊位置支架選型也有要求，如靠近敏感設(shè)備如泵、壓縮機(jī)、透平入口管道的支架應(yīng)采用可拆卸和可調(diào)支架。往復(fù)式壓縮機(jī)、泵進(jìn)出口管線宜采用防振動(dòng)型支架。安全閥出口管道的支架需承擔(dān)安全閥泄放時(shí)的反作用力對(duì)管道的沖擊，支架生根的結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度，宜采用承重、導(dǎo)向與止推相組合型式的支架。盡量減少?gòu)椈芍Ъ芎妥枘崞鞯氖褂谩?/p>

金屬管道支架應(yīng)盡量避免操作過程中的支架脫空，如無法避免，脫空間距宜控制在3 mm以內(nèi)。

2.2.2 非金屬管道支架選型原則

與金屬管道不同，非金屬管道質(zhì)量輕、剛度小，相對(duì)較容易變形，其支架選型原則如下：應(yīng)增加非金屬管道與支架接觸面積，同時(shí)可根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)擋塊，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向、止推、限位、固定等功能。非金屬管道不應(yīng)直接支撐在鋼結(jié)構(gòu)上。推薦與非金屬管道連接的集中載荷如金屬閥門等元件，必須有單獨(dú)的支撐。非金屬管道的支架應(yīng)采用抗老化性能較好的非金屬（如橡膠）與管道隔離，以避免劃傷管道外表面。非金屬管道的支架也可根據(jù)項(xiàng)目需要，采用制造商推薦的型式。

3 管道支架跨距

允許跨距是指兩管支架之間的最大允許間距?？缇嗵∫馕吨芗軘?shù)量要增加，也就要增加費(fèi)用和投資；但如果跨距過大，又可能影響管道自身的安全。由于滿足管道允許跨距要求是管道支架設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，因此確定管道允許跨距與通常所說的管道應(yīng)力分析，具有一定的獨(dú)立性。在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，無論是否進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，均須滿足管道允許跨距的要求。

3.1 管道支架跨距計(jì)算方法

水平金屬管道推薦最大支架跨距的計(jì)算基于壁厚STD的碳鋼管道，計(jì)算公式如下：

一管道材料的彈性模量；

一管道截面慣性矩；

Δ一管道的變形（按照10mm考慮）；

3.2 水平管道拐彎支架跨距影響

對(duì)于金屬管道在改變方向處的最大支架跨距，應(yīng)在水平管道最大支架跨距的基礎(chǔ)上考慮一定的系數(shù)。

4 FPSO管道支架設(shè)計(jì)要求

針對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，船體中垂中拱可能對(duì)管道支架帶來的影響，將金屬管道與非金屬管道的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行說明。

4.1 金屬管道

對(duì)于不銹鋼管道及鍍鋅管道，應(yīng)盡量多地使用PC支架進(jìn)行四個(gè)方向限位。對(duì)于銅鎳管道、碳鋼涂塑管道（排海管線除外），12寸及以下使用PC支架進(jìn)行導(dǎo)向或止推固定，12寸以上可以使用玻璃鋼管道PF系列支架。

碳鋼管線，NPS12及以下使用PC系列支架，NPS12以上使用PS系列支架。對(duì)于6寸以上管道使用U-Bolt固定的，也建議應(yīng)用PC系列組合支架，以提高止推承載能力。支架盡量多使用四向限位約束管道即rest + guide + hold down形式，但應(yīng)注意靠近設(shè)備管口和π形彎處承重支架使用rest。壓縮機(jī)橇塊外連接的幾個(gè)主工藝系統(tǒng)管道的前幾個(gè)支架的形式采用防振支架。

火炬臂上管道，NPS6以下管道使用PC，中間使用PS止推和PC導(dǎo)向組合支架?；鹁姹酃艿乐虚g應(yīng)設(shè)置一個(gè)止推或固定支架，止推或固定支架位置可以根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果確定。

穿層立管上必須有一個(gè)承重支架（或止推或固定），不允許使用PC支架替代止推或固定支架。

4.2 非金屬管道

非金屬管道約束應(yīng)多于同尺寸金屬管道。如PE、CPVC管、SRPE管（鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管），一律使用U-Band支架，但應(yīng)注意其不能直接與結(jié)構(gòu)鋼接觸，需要加墊PTFE板。

GRE玻璃鋼管道宜使用PF管卡系列支架。如圖2所示，對(duì)于NPS≤3寸或生活樓的玻璃鋼管道，也可以使用U-Band，盡量不使用U-Bolt支架。不允許加彎頭/三通支架，但可以考慮法蘭支架。應(yīng)注意需要核實(shí)抱卡兩側(cè)saddle空間問題。GRE玻璃鋼管道承重支架需要與導(dǎo)向支架配合使用；針對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)宜加四向限位支架。帶防火夾克的玻璃鋼管道使用PF系列承重型支架的抱卡內(nèi)徑大于不帶防火夾克的玻璃鋼管道，帶防火夾克的玻璃鋼管道使用止推型支架和固定型支架時(shí)，需要去除防火夾克，粘接saddle后再裹防火夾克，因此抱卡內(nèi)徑與不帶防火夾克的管道所用抱卡內(nèi)徑一致。非金屬管道需要注意標(biāo)高一致問題，尤其是位于管排/管廊上的管線。

圖2 PF系列支架典型圖

5 結(jié) 論

本文從FPSO管道支架布置與選型原則，管道支架跨距以及針對(duì)FPSO管道支架設(shè)計(jì)的詳細(xì)要求三方面，對(duì)FPSO上部模塊管道支架的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹和分析，考慮了船體運(yùn)動(dòng)可能對(duì)上部模塊帶來的影響及管道的柔性，只有對(duì)其進(jìn)行全面的管道應(yīng)力分析，才能保證FPSO在其服役全過程中的安全。

[1] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì)．海洋石油工程設(shè)計(jì)指南（第1冊(cè)）[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2007．

[2] 紀(jì)志遠(yuǎn)，程久歡，琚選擇，等. CALM單點(diǎn)管道應(yīng)力分析基于CAESARII軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．石油和化工設(shè)備，2018，21（2）：31-35.

[3] 王戰(zhàn)勇，范威，張巍偉，等．FPSO上部模塊管道應(yīng)力工況研究[J]．壓力管道技術(shù)研究進(jìn)展精選集，2010，9（1）：89-92.

[4] 紀(jì)志遠(yuǎn). 東方13-2平臺(tái)管道設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析研究——以PF系統(tǒng)為例[C]．第九屆海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略論壇論文集，2018.

[5] 唐永進(jìn)．壓力管道應(yīng)力分析[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2010．

Study on Piping Supportof FPSO Topside Module

,

（Engineering Company of Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China）

FPSO is widely used in the development of offshore oil industry,especially for the deep sea and marginal oil fields far away from the coast due to its strong anti wind and wave ability, wide application range of water depth, large oil storage / unloading capacity, and so on. In order to study the layout and selection principle of FPSO topside module pipe support, combined with the relevant theory of piping stress analysis and referring to the layout method of relevant support of offshore oil platform, the design method of piping support of FPSO topside module was analyzed. The importance of piping support safety was discussed, which could provide reference for the design of FPSO topside pipe support.

FPSO; Piping Support ;Piping Support Span; Support type

2020-08-21

紀(jì)志遠(yuǎn)（1989-），男，天津人，工程師，碩士，畢業(yè)于南開大學(xué)項(xiàng)目管理專業(yè)，研究方向：海洋石油平臺(tái)管道應(yīng)力分析。

U674.38

A

1004-0935（2021）03-0355-04