深水半潛平臺船體艙底水系統(tǒng)管道設(shè)計研究

田惠萍，紀(jì)志遠(yuǎn)，陳穎

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院，天津 300451)

引言

經(jīng)過數(shù)十年的勘探開發(fā)，陸地、淺海區(qū)域油氣田數(shù)量和規(guī)模在逐漸減少，深海區(qū)域油氣資源已成為世界勘探開發(fā)的重點(diǎn)。隨著海洋勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的大型、超大型油氣被勘探發(fā)現(xiàn)，特別是近幾年來，全球約70%的重大油氣資源發(fā)現(xiàn)來自于水深超過1000米的海域[1-2]。此時，深水半潛式平臺應(yīng)運(yùn)而生，為深水油氣田開發(fā)創(chuàng)造了新的可能。我國目前針對深水半潛平臺自主設(shè)計研究仍處于起步階段，特別是深水半潛平臺船體部分的管道應(yīng)力分析技術(shù)，因此本文將對深水半潛平臺船體管道應(yīng)力分析進(jìn)行研究說明，編制管道應(yīng)力分析工況，并結(jié)合某深水半潛平臺船體艙底水系統(tǒng)為例，進(jìn)行半潛平臺船體管道應(yīng)力分析相關(guān)研究。

1 深水半潛平臺介紹

深水半潛平臺是深海油氣開發(fā)的重要裝備之一，主要由兩大部分組成：上部平臺與船體，其中船體部分可分為中間立柱和下部浮體，如圖1所示。深水半潛平臺集油氣處理、儲卸油、生活、供電等多功能與一身的海上油氣開發(fā)處理裝置，與其他浮式生產(chǎn)設(shè)施相比，如FPSO（浮式生產(chǎn)儲卸油裝置），半潛式平臺能抵抗更強(qiáng)的風(fēng)浪，穩(wěn)定性更好，工作水深更大[3-4]。

2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對比

深水半潛平臺船體管道采用ASME B31.1（動力管道）作為主設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別于固定式海洋石油平臺上部組塊采用的ASME B31.3（工藝管道）標(biāo)準(zhǔn)，深水半潛平臺船體管道采用ASME B31.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更加苛刻，管道應(yīng)力計算難度加大[5-7]。

3 船體管道應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析主要是為了防止管道內(nèi)應(yīng)力過大造成管道自身的破壞。深水半潛平臺船體管道在應(yīng)力計算過程中，除了對重力、溫度、壓力等進(jìn)行評估外，還將考慮船體運(yùn)動加速、風(fēng)荷載、波浪荷載、爆炸荷載、段塞流、壓力波動、PSV泄放力、運(yùn)輸?shù)纫蛩氐挠绊憽?/p>

3.1 應(yīng)力分析管線范圍

深水半潛平臺船體部分應(yīng)力分析范圍相對于傳統(tǒng)固定式平臺上部組塊更大，需要進(jìn)行詳細(xì)管道應(yīng)力分析的管道可以參考如下分類：

1）3寸及以上連接旋轉(zhuǎn)設(shè)備的管道；

2）飛濺區(qū)的管道（海管立管管道）；

3）4寸及以上設(shè)計溫度大于204℃及以上的管道；

4）大于等于16寸以上的管道；

5）不符合ASME B31.1第119.7.1節(jié)（A.3）的管道；

6）受到壓力波動的管道，例如受到兩相流、水錘作用的管道；

7）所有相關(guān)的玻璃鋼管道。

3.2 非應(yīng)力分析范圍管線

對于應(yīng)力分析管線，可以通過應(yīng)力分析軟件計算，對于非應(yīng)力分析管線，可以參考圖2(L形管道走向跨距圖)，圖3(U形管道走向跨距圖)圖4(Z形管道走向跨距圖)及公式（1）至（3）來確定管道支吊架跨距長度。

圖2 L形管道走向跨距圖

圖3 U形管道走向跨距圖

圖4 Z形管道走向跨距圖

hL2=0.000054D0LΔT（1）

hU2=0.000035D0LΔT（2）

hZ2=0.000054D0LΔT（3）

其中：

h=所求支架跨距長度（m）

D0=管道直徑（mm）

L=第一個支架跨距長度（m）

ΔT=為設(shè)計溫度與環(huán)境溫度的差值

3.3 應(yīng)力分析工況

深水半潛平臺船體管道應(yīng)力分析主要考慮操作工況、極端工況、以及拖航運(yùn)輸工況。其中操作工況考慮一年遇船體運(yùn)動加速度，一年遇風(fēng)荷載，一年遇船體位移量；極端工況考慮百年一遇船體運(yùn)動加速度、百年遇風(fēng)荷載，百年遇船體位移量；拖航運(yùn)輸工況考慮十年遇船體運(yùn)動加速度，十年遇風(fēng)荷載，十年遇船體位移量管道應(yīng)力工況見表2至表4。

表2 操作工況組合

表3 極端工況組合

表4 運(yùn)輸工況組合

注：工況16與工況17的應(yīng)力系數(shù)為1.2

其中，重量荷載W，空重荷載WNC，壓力荷載P，溫度荷載T，風(fēng)荷載WIND,船體運(yùn)動荷載U，SUS為持續(xù)工況，OPE為操作工況，EXP為熱脹工況。

3.4 應(yīng)力分析工況說明

對于操作工況，評估管道日常作業(yè)狀態(tài)，較為重要，其中工況1至工況2評估在重力與壓力下操作溫度與設(shè)計溫度的應(yīng)力；工況3評估重力與壓力下的應(yīng)力；工況4用于評估水壓荷載，前四個工況用于評估管道所受一次應(yīng)力；工況5至工況9分別給出了風(fēng)荷載、船體運(yùn)動加速度，作為偶然應(yīng)力評估；工況10給出了船體運(yùn)動位移變形量，屬于二次應(yīng)力評估范圍；工況11至工況12通過疊加運(yùn)算，得到操作溫度與設(shè)計溫度的二次應(yīng)力；工況13至工況19通過疊加運(yùn)算前11個工況，得到最大操作工況、偶然工況等，其中工況3工況17、工況18用于評估管道所受應(yīng)力，工況13至工況16用于評估管道支架、管道設(shè)備管口荷載與法蘭泄露。

對于極端工況，評估百年一遇極端工況工況，工況1與工況2為評估在重力與壓力下操作溫度與設(shè)計溫度的應(yīng)力；工況3評估重力與壓力下的應(yīng)力；工況4至工況8分別給出了風(fēng)荷載、船體運(yùn)動加速度，作為偶然應(yīng)力評估；工況9給出了船體運(yùn)動位移變形量，屬于二次應(yīng)力評估范圍；工況10至工況11通過疊加運(yùn)算，得到操作溫度與設(shè)計溫度的二次應(yīng)力；工況12至工況18通過疊加運(yùn)算前11個工況，得到最大操作工況、偶然工況等。

對于運(yùn)輸工況，評估船體在拖航狀態(tài)運(yùn)輸至作業(yè)點(diǎn)時的情況，此時船體管道不受壓力作用，工況1用于評估管道空重時一次應(yīng)力；工況2至工況3用于評估風(fēng)荷載下的一次應(yīng)力，因?yàn)榇w在運(yùn)輸狀態(tài)，所以將風(fēng)載評估為持續(xù)應(yīng)力進(jìn)行評估；工況4至工況6為船體運(yùn)動加速度，作為偶然工況評估；工況7至工況12則是在工況1至工況6的基礎(chǔ)上對前6組基礎(chǔ)工況進(jìn)行疊加運(yùn)算，分別評估在持續(xù)風(fēng)載的作用下偶然船體運(yùn)動對管道的應(yīng)力影響。

船體管道應(yīng)力計算中，船體運(yùn)動加速度及風(fēng)載、位移荷載均均直接給出，未采取疊加減運(yùn)算，工況數(shù)量小、工況設(shè)置簡潔明確。

4 案例應(yīng)用

船舶因遭遇較大風(fēng)浪等意外情況導(dǎo)致艙室進(jìn)水時，艙底水系統(tǒng)可將艙內(nèi)水及時排至舷外，避免因艙內(nèi)積水引發(fā)半潛平臺穩(wěn)性變差甚至傾覆等危險情況發(fā)生，艙底水系統(tǒng)具有較重要的地位，因此以艙底水系統(tǒng)為例，進(jìn)行應(yīng)力分析校核說明，對保證半潛平臺整體安全具有較強(qiáng)的意義。

4.1 設(shè)計參數(shù)

深水半潛平臺及艙底水管道相關(guān)涉及到的設(shè)計環(huán)境參數(shù)、船體運(yùn)動加速度如表5至表6所示。

表5 環(huán)境設(shè)計參數(shù)

表6 船體運(yùn)動加速度

4.2 建立模型

根據(jù)船體三維模型及管道ISO圖建立艙底水系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 船體系統(tǒng)管道模型

4.3 應(yīng)力分析結(jié)果對比

加載應(yīng)力分析工況，輸入不同工況下的設(shè)計參數(shù)，對深水半潛平臺船體艙底水系統(tǒng)三種工況下應(yīng)力比如表7至表9所示。

表7 操作工況

表8 極端工況

表9 運(yùn)輸工況

通過對比結(jié)果，三種工況下一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力均校核均通過，最大一次應(yīng)力出現(xiàn)在210點(diǎn)，應(yīng)力比為82.7%；極端工況下二次應(yīng)力出現(xiàn)在40點(diǎn)為87.9%，區(qū)別于操作工況下的最大應(yīng)力220點(diǎn)，運(yùn)輸工況因不考慮二次應(yīng)力，所以不對其進(jìn)行評估。同時校核了法蘭泄露與管道頻率均滿足要求。

5 總結(jié)

目前我國針對深水半潛平臺自主設(shè)計研究仍處于起步階段，特別是深水半潛平臺船體部分的管道設(shè)計及應(yīng)力分析技術(shù)，本文對深水半潛平臺船體管道應(yīng)力分析進(jìn)行了研究說明，對船體管道應(yīng)力分析方法進(jìn)行了介紹，編制管道應(yīng)力分析組合工況，并結(jié)合半潛平臺船體艙底水系統(tǒng)為例，進(jìn)行了半潛平臺船體管道設(shè)計及應(yīng)力分析相關(guān)研究，應(yīng)力分析應(yīng)用與結(jié)果滿足規(guī)范校核要求，證明了該半潛平臺船體管道設(shè)計及應(yīng)力分析方法應(yīng)用的可行性。