水下結(jié)構(gòu)物滑動(dòng)設(shè)計(jì)和材料要求

邢廣闊，王長(zhǎng)濤，陳祥余，王鳳云，高岳松

（海洋石油工程股份有限公司，天津 濱海新區(qū)3004510）

引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是海洋油氣資源開發(fā)的重要組成部分，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的油氣開采過(guò)程中存在油氣溫度變化帶來(lái)管線膨脹時(shí)，為保證管線的不發(fā)生側(cè)向的屈曲，連接油氣管線的水下結(jié)構(gòu)物需要設(shè)計(jì)為可滑動(dòng)式結(jié)構(gòu)，來(lái)吸收管線的膨脹位移。一般滑動(dòng)設(shè)計(jì)分為兩種形式，結(jié)構(gòu)物整體相對(duì)海床滑動(dòng)和結(jié)構(gòu)物相對(duì)自身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滑動(dòng)。本文通過(guò)水下結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際海洋石油開發(fā)中水下結(jié)構(gòu)物滑動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出水下結(jié)構(gòu)物滑動(dòng)設(shè)計(jì)和材料的技術(shù)要求，為水下結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)設(shè)計(jì)提供研究參考。

1 水下結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)設(shè)計(jì)

一般滑動(dòng)設(shè)計(jì)分為兩種形式，結(jié)構(gòu)物整體相對(duì)海床滑動(dòng)和結(jié)構(gòu)物相對(duì)自身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滑動(dòng)。兩種結(jié)構(gòu)形式的選型要考慮管線的膨脹頻率高低、膨脹位移和膨脹載荷的大小，結(jié)構(gòu)物自身結(jié)構(gòu)尺寸重量和基礎(chǔ)形式特點(diǎn)，以及海床土壤條件等。

1.1 結(jié)構(gòu)物相對(duì)海床滑動(dòng)形式

水下結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式可分為，防沉板式、吸力錨式和打入樁式[1]，對(duì)不同的水下結(jié)構(gòu)物形式和不同的海床土壤地址條件，所適用的基礎(chǔ)形式也不同。當(dāng)水下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為防沉板基礎(chǔ)形式時(shí)，當(dāng)管線膨脹位移小、膨脹頻率低的情況下，可以考慮水下結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)形式設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)物整體相對(duì)于海床滑動(dòng)。此時(shí)結(jié)構(gòu)主體和基礎(chǔ)防沉板為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)（如圖1），防沉板形式應(yīng)為無(wú)裙板形式，防沉板端部可考慮利于滑動(dòng)的向上彎翹設(shè)計(jì)，且要考慮結(jié)構(gòu)物防沉板與海床土壤之間的摩擦力小于管線膨脹力。

圖1 相對(duì)海床滑動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)式水下結(jié)構(gòu)物

1.2 結(jié)構(gòu)物相對(duì)自身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滑動(dòng)形式

相對(duì)于結(jié)構(gòu)物整體相對(duì)于海床滑動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)物相對(duì)自身基礎(chǔ)滑動(dòng)的形式應(yīng)用更加普遍，因?yàn)榇朔N形式的適用條件比較廣泛，滑動(dòng)摩擦系數(shù)比較小，滑動(dòng)效果更好。在此種類型水下結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)中有可分為分體式滑動(dòng)設(shè)計(jì)和一體式滑動(dòng)設(shè)計(jì)。

分體式滑動(dòng)設(shè)計(jì)是指基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)先安裝至海床上，再將上部結(jié)構(gòu)放置到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，上部結(jié)構(gòu)可以相對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行滑動(dòng)，如圖2所示分體式水下結(jié)構(gòu)物。分體滑動(dòng)形式的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的滑動(dòng)距離，可以吸收較大的海管膨脹位移。

圖2 分體式滑動(dòng)水下結(jié)構(gòu)物

一體式滑動(dòng)設(shè)計(jì)是指上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體安裝到海床，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間設(shè)有滑道，可以相對(duì)滑動(dòng)，此種方式更多適用滑動(dòng)量比較小的結(jié)構(gòu)。一體滑動(dòng)結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)和底部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間有著嵌套等連接機(jī)構(gòu)（如圖3），能夠一次完成安裝作業(yè)，節(jié)省了一次單獨(dú)安裝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安裝工作量，經(jīng)濟(jì)性高。

圖3 一體式滑動(dòng)設(shè)計(jì)水下結(jié)構(gòu)物

2 滑動(dòng)設(shè)計(jì)材料要求

在結(jié)構(gòu)物相對(duì)自身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滑動(dòng)形式的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)之間相對(duì)滑動(dòng)的接觸材料是滑動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分。一般滑動(dòng)材料的選擇分為鋼材或高分子材料。在滑動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，兩種類型的選取要綜合考慮各自的材料特點(diǎn)、使用環(huán)境、材料成本等。

2.1 鋼材

鋼材作為滑動(dòng)接觸材料的設(shè)計(jì)方式（如圖4）材料成本低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高和制造價(jià)格簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，適用于滑動(dòng)頻率低，滑動(dòng)位移小的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖4 鋼材滑動(dòng)材料設(shè)計(jì)方式

采用鋼材作為滑動(dòng)材料除以上優(yōu)點(diǎn)外還需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）鋼材之間摩擦帶來(lái)防腐涂層破壞，要考慮海水環(huán)境下的防腐問題，考慮陽(yáng)極的腐蝕余量。

（2）膨脹頻率高的情況下鋼材之間的磨損問題，考慮鋼材的設(shè)計(jì)余量。

（3）膨脹頻率低的情況下，海生物的生長(zhǎng)帶來(lái)的滑道卡死的風(fēng)險(xiǎn)，要定期清理觀察。

（4）鋼材相對(duì)滑動(dòng)的摩擦系數(shù)一般取0.3，要充分考慮摩擦阻力小于膨脹載荷。

2.2 高分子材料

采用高分子材料作為滑動(dòng)接觸材料，也是海洋石油工程中水下結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)設(shè)計(jì)的常用設(shè)計(jì)。常用的材料有PTFE（聚四氟乙烯）復(fù)合材料和UHMWPE（超高分子聚乙烯板）等。

采用高分子材料作為滑動(dòng)接觸材料時(shí)一般考慮兩種方式，即基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)高分子材料板，上部結(jié)構(gòu)為鋼板與之接觸的單層高分子材料滑動(dòng)方式，或者基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)都鋪設(shè)高分子材料的雙層高分子材料滑動(dòng)方式。兩種方式，后者滑動(dòng)系數(shù)更低，但制造施工工作量也隨之增加。

高分子滑動(dòng)材料的固定方式一般采用兩種方式：采用螺栓等機(jī)械連接，將材料固定在結(jié)構(gòu)表面；采用機(jī)加工嵌入方式固定到鋼板表面。前者操作簡(jiǎn)單，建造成本低，后者固定更緊實(shí)穩(wěn)定。

PTFE復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如石油化工、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防航天、汽車及船舶制造等行業(yè)[2]。UHMWP具有摩擦系數(shù)小、磨耗低、耐沖擊性、耐應(yīng)力開裂、抗結(jié)垢性、抗凍性和衛(wèi)生無(wú)毒等優(yōu)良性能，在許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[3]。高分子材料具有良好的滑動(dòng)性能，同時(shí)不易附著海生物等。使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）明確材料的力學(xué)性能，尤其是抗壓性能，以保證承受水下結(jié)構(gòu)的重量以及操作載荷。

（2）明確材料的沖擊性能，能夠承受水下結(jié)構(gòu)物安裝時(shí)可能的沖擊載荷。

（3）明確材料相對(duì)鋼材和相對(duì)自身的摩擦系數(shù)。

（4）考慮特定海洋環(huán)境下的材料磨損率，老化催化等性能。

（5）根據(jù)特定項(xiàng)目，要提前考慮材料的材料成本、安裝連接方式等。

3 結(jié)論

本文通過(guò)水下結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)設(shè)計(jì)和材料進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論:

（1）結(jié)構(gòu)物整體相對(duì)于海床滑動(dòng)的形式受基礎(chǔ)形式和土壤條件等限制條件比較多，結(jié)構(gòu)物相對(duì)自身基礎(chǔ)滑動(dòng)的形式應(yīng)用更加普遍。

（2）采用高分子材料作為滑動(dòng)接觸材料，相對(duì)鋼材滑動(dòng)性能優(yōu)越，在海洋石油工程中水下結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)設(shè)計(jì)的越來(lái)越多的被采用。