深水半潛平臺(tái)船體管道應(yīng)力分析

紀(jì)志遠(yuǎn)，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(zhǎng)，如何有效開發(fā)深海油氣田資源已成為全球油氣領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。深水半潛平臺(tái)作為大型深水浮式結(jié)構(gòu)物，是集油氣處理、儲(chǔ)卸油、供電、人員生活等多功能于一體的深海油氣綜合開發(fā)處理中心，其作業(yè)水深可達(dá)2 000 m[1-8]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)深水半潛平臺(tái)的設(shè)計(jì)還處于起步階段，特別是在深水半潛平臺(tái)船體管道應(yīng)力分析方面仍面臨著巨大挑戰(zhàn)，主要包括：如何選取合適標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管道應(yīng)力分析設(shè)計(jì)；如何評(píng)估船體立柱內(nèi)超高穿艙立管、四邊形非金屬壓載系統(tǒng)、船舷外鋼制懸鏈立管（Steel Catenary Riser，簡(jiǎn)稱SCR）等一系列復(fù)雜、非常規(guī)管道的應(yīng)力分析、設(shè)計(jì)、校核、評(píng)估；如何確定在惡劣環(huán)境與復(fù)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(shè)計(jì)適用于深水半潛平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的新型管支架等難題。

本文基于CAESAR II軟件，以ASME B31.1為計(jì)算評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究分析。

1 深水半潛平臺(tái)與船體管道

深水半潛平臺(tái)是深海油氣開發(fā)的重要裝備之一，與FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置）相比，可抵抗更強(qiáng)的風(fēng)浪，穩(wěn)定性更好，作業(yè)水深更大[9-15]。某深水半潛平臺(tái)項(xiàng)目是我國(guó)首座自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造的深水浮式半潛儲(chǔ)油平臺(tái)，其作業(yè)水深達(dá)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(tái)

船體管道位于船體的中間立柱與下部浮體內(nèi)，包括艙底水系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、掃艙系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、貨油系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。船體管道隨船體運(yùn)動(dòng)，計(jì)算分析復(fù)雜。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

深水半潛平臺(tái)船體管道采用ASME B31.1《動(dòng)力管道》作為主設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有別于海洋石油平臺(tái)上部組塊采用ASME B31.3《工藝管道》，其壁厚計(jì)算、應(yīng)力評(píng)定等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更加苛刻[16-20]，管道應(yīng)力計(jì)算更加嚴(yán)格，上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差異對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)差異性對(duì)比

3 荷載類型及工況組合

為滿足船體30年不回塢的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合深水半潛平臺(tái)的實(shí)際作業(yè)工況，研究確定了船體管道應(yīng)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(guò)全方位、系統(tǒng)模擬管道運(yùn)行狀態(tài)，確保管道系統(tǒng)安全。

以在位工況為例，船體管道應(yīng)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(shè)計(jì)壓力荷載P1，水壓試驗(yàn)荷載HP，設(shè)計(jì)溫度T1，操作溫度T2，最低設(shè)計(jì)溫度T3，風(fēng)荷載WIN1與WIN2，船體運(yùn)動(dòng)加速度荷載U1、U2、U3。其中SUS為持續(xù)應(yīng)力工況，OPE為操作工況，OCC為偶然應(yīng)力工況，EXP為熱膨脹工況。操作工況組合見(jiàn)表2。

表2 在位工況組合

4 船體特殊管道設(shè)計(jì)分析方案

4.1 超高穿艙立管分析設(shè)計(jì)

在深水半潛平臺(tái)船體立柱內(nèi)設(shè)置有超高穿艙立管，用于將上部模塊生產(chǎn)處理后的介質(zhì)經(jīng)中間立柱輸送至下部浮體，不同于船型FPSO，立柱內(nèi)的立管高度達(dá)60 m（相當(dāng)于20層樓高），且伴隨船體不斷運(yùn)動(dòng)，船體立柱艙內(nèi)的空間狹窄受限，因此常規(guī)的柔性設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足管道自身運(yùn)動(dòng)及熱脹冷縮要求。

在設(shè)計(jì)中首次采用非柔性補(bǔ)償方案，考慮管道支架、管道穿艙處實(shí)際剛度值，并全部加載于模型中，既核實(shí)了管道穿艙件與管道間連接強(qiáng)度問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了管道整體柔性校核，通過(guò)合理設(shè)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(nèi)狹窄空間的超高穿艙立管設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 船體立柱內(nèi)超高穿艙立管設(shè)計(jì)方案

4.2 舷外懸鏈立管分析設(shè)計(jì)

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(cè)，依靠管支架限位、固定，在其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)隨船體晃動(dòng)產(chǎn)生較大變形量，其端部會(huì)承受較大外部荷載，計(jì)算極為復(fù)雜。

因此在舷外SCR分析設(shè)計(jì)與計(jì)算中首次將管道支架設(shè)計(jì)與管道應(yīng)力分析相結(jié)合，通過(guò)設(shè)置新型特殊支架，用于吸收結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)在計(jì)算中考慮了其所受超大外部荷載（見(jiàn)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(shè)計(jì)方案

4.3 四邊形非金屬壓載系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

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

對(duì)四邊形壓載系統(tǒng)進(jìn)行整體系統(tǒng)分析，通過(guò)對(duì)比管道應(yīng)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(duì)比驗(yàn)證（其中管道應(yīng)力水平對(duì)比如圖4所示），比選出玻璃鋼材質(zhì)最適宜深水半潛平臺(tái)用壓載系統(tǒng)，同時(shí)選擇確定布置方案，保證壓載系統(tǒng)的整體安全，最終設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖4 管道應(yīng)力水平對(duì)比

圖5 壓載系統(tǒng)布置示意

5 船體管道支架設(shè)計(jì)

根據(jù)半潛船體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，已經(jīng)設(shè)計(jì)形成了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、適用于深水半潛平臺(tái)船體管道系統(tǒng)的典型管道支架，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好，保證了管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行，見(jiàn)圖6。

圖6 典型管道支架

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)深水半潛平臺(tái)船體管道運(yùn)動(dòng)特性的深入研究，確定了適用于惡劣環(huán)境與復(fù)雜船體變形條件下的船體管道載荷，編制了船體應(yīng)力分析工況，同時(shí)使用ASME B31.1《動(dòng)力管道》對(duì)船體超高穿艙立管、四邊形非金屬壓載系統(tǒng)、船舷外SCR進(jìn)行分析研究，研究設(shè)計(jì)了適用于深水半潛平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的新型管道支架，并應(yīng)用于我國(guó)首座自主設(shè)計(jì)、建造的深水半潛平臺(tái)中。通過(guò)自主研究，掌握深水浮式半潛平臺(tái)船體管道應(yīng)力分析技術(shù)，有效降低了設(shè)計(jì)成本，為我國(guó)深水半潛平臺(tái)自主設(shè)計(jì)奠定了重要基礎(chǔ)。