大位移栈桥管道设计方案研究

摘要：结合南海某项目栈桥管道的设计过程，探讨大位移栈桥管道的设计方法。该栈桥管道分别连接A、B两个平台，栈桥长约40m，平台间的最大相对位移达到了1.445m。管道设计中，对钢管连接方式和软管连接方式分别进行了详细的管道应力计算。在钢管连接方式中，尝试采用多种方法来提高管道抗位移变形的能力，但是结果仍无法满足连接要求；在软管连接方式中，充分利用该软管的变形能力吸收栈桥引起的附加大位移和管道热膨胀位移，经过详细计算后确认该方式可行，最终采用了软管连接的设计方案。

关键词：海洋平台；栈桥管道；大位移；应力分析；软管

在海洋石油生产设施中，随着油田生产规模的扩大，逐步形成了多种开发模式，常见的有全海式开发模式和半海半陆式开发模式。南海某项目采用井口中心平台（或井口平台+中心平台）+FSO（浮式储油外输系统）的模式，这是常见的全海式开发模式之一，该项目在原有的A平台附近新建一座B平台，两平台通过栈桥连接，经两平台初步处理后的产品通过海底管道外输到该区域另外一个平台上进行进一步处理，处理后通过海底管道输送至盛开号浮式储油装置。栈桥是连接两个平台的通道，同时也用于各种管道的支撑结构，例如原油管道、饮用水管道、公用水管道、电缆导管、通讯线路以及气管道等[1-2]。该项目中，栈桥兼具通道和管道支撑双重作用。栈桥管道坐落于栈桥结构上，连接两个平台的生产处理系统，直接受到栈桥和平台运动的影响，两个平台之间的相对位移会作用在栈桥管道上。

1栈桥的结构形式和栈桥管道的运动特征

1.1栈桥的结构形式及其与平台的连接方式

栈桥本身一般是钢管组成的横截面为矩形的桁架结构，具有很高的强度和刚度。栈桥与平台的连接方式根据具体项目而有所不同。一般情况下，栈桥与其中一个平台铰接连接，与另外一个平台搭接连接。铰接端一般是栈桥的端部套管套在平台边缘的一个圆柱上，套管和圆柱之间保留一定间隙，使得栈桥可绕着圆柱旋转；搭接端一般都设置有左右导向和上下限位挡块，防止栈桥在水平方向和垂直方向过度运动，而能在栈桥轴向方向自由运动。

1.2平台、栈桥和栈桥管道的运动特征

平台在风、浪、流等环境因素，土壤地质因素，以及船舶靠泊和地震等偶然因素作用下会发生运动。本项目中由于两个平台质量、重心和外形尺寸等都不一样，所以平台的运动方向、运动速度和运动幅度也不一样。一般情况下，两个平台沿栈桥轴向发生相向或者相离运动时，栈桥管道则会沿着栈桥轴向被压缩或拉伸；两个平台在侧向出现同向或者反向运动时，栈桥则会跟随平台同向运动或者沿铰接轴转动，栈桥管道会沿着栈桥轴向被拉伸或者压缩，同时侧向会发生转动或者扭曲。

2栈桥管道的连接方式

关于栈桥管道的设计和布置方式主要有两种：一是采用钢管连接；二是采用柔性软管连接。这两种方式都有应用实例，也各有优缺点。一般情况下，使用钢管连接的栈桥管道，为吸收栈桥附加位移产生的附加应力和管道的热应力，需在管道上设置膨胀弯。常见的膨胀弯设计方式有：中间U型膨胀弯、Z型膨胀弯和两端U型膨胀弯等。采用软管连接的布置方式在南海自强号至涠洲11-4DA平台中应用过，管卡采用限位而不卡死的方式，主要靠两端软管吸收管道热应力和位移[3]。针对本项目中栈桥管道的极端位移达到1.445m的情况，本文分别通过两种方式进行了设计和布置，并通过管道应力计算和其他手段，分析对比了计算结果，确定了合适的设计方法。

3大位移栈桥管道采用钢管连接的可行性

3.1栈桥管道承受的载荷

跨栈桥的管道与其他平台管道相比，应力分析中不仅要考虑压力、重力、温度和各种偶然载荷（地震载荷、风载荷、安全阀泄放反力和水锤力等）等因素，还需重点考虑因平台间相对运动而产生的附加位移[4-5]。

3.2基础数据

本项目以D305mm的原油管道设计过程为基础，分别研究两种设计方法的异同。该管道工艺参数如表1所示。环境条件：最低环境温度为15℃，最高环境温度为36℃。偶然载荷：100年一遇条件下三个方向的地震加速度分别为0.17g、0.113g和0.17g（g表示重力加速度），1h平均风速为42.3m/s。进一步的计算表明：当两个平台在栈桥轴向方向产生极端最大位移的时候，两个平台在侧向和竖直方向的相对位移较小，可忽略不计；当两个平台产生侧向极端最大位移的时候，两个平台在栈桥轴向和竖直方向变形较小，可忽略不计。3.3管道应力计算管道的应力计算主要应用CAESARII软件，依据ASMEB31.3的要求[6]，计算并评定管道的持续应力、偶然应力和二次应力是否满足要求，以及管道模态固有频率是否满足项目规格书要求。持续载荷作用下一次应力校核条件：管道中由于压力、重力和其他持续载荷所产生的纵向应力之和SL不应超过材料在预计最高温度下的许用应力[σ]h。偶然载荷作用下一次应力校核条件：管道在工作状态下，受到压力、重力、其他持续载荷和偶然载荷所产生的纵向应力之和不得超过操作状态许用应力的1.33倍。风载荷和地震载荷的作用不需同时考虑。二次应力的校核方法如下：在管道系统内任一处由于位移而产生的计算应力范围SE不超过许用位移应力范围Sa。3.3.1布置方式一及其计算结果布置方式一拟采用在栈桥滑动端设置两组由S型膨胀弯和一个竖直立管组成的综合型膨胀弯，而在栈桥管道上则采用长直管道连接的方式。这种设计方式不仅能充分利用现有的空间，而且使得管道既能吸收栈桥轴向的附加大位移，也能吸收侧向和竖直方向的位移，如图1所示。管道应力和模态固有频率的计算结果如表3所示。布置方式一由于栈桥和平台空间的限制，膨胀弯的大小和连接两个膨胀弯的立管高度基本达到了最大值，但计算结果无法满足规范和本项目设计要求。3.3.2其他布置方式及计算结果在布置方式一的基础上，尝试通过改变膨胀弯型式来抵消空间限制的影响，包括采用U型、Z型、S型、双U型以及混合应用各种膨胀弯，同时包括改变膨胀弯的大小、数量、位置和立管的高度等，又分别尝试了9种不同的布置方式（方式二~方式十），计算结果如表4所示。计算结果显示，尽管这9种方式都尽可能充分利用现有空间，并最大限度地使膨胀弯发挥作用，但是仍无法满足设计规格书的要求。3.3.3改变管道壁厚根据ASMEB31.3附录D[6]，增大管道壁厚，有利于减小弯头三通处的应力集中，减小弯头处的应力增大系数，从而降低管道应力水平，同时可以提高管道刚度、管道固有频率以及管道抗振动能力，降低管道振动风险。按照布置方式七选用STD、SCH80S、SCH100和SCH160四个等级的管道，壁厚分别为9.52、12.70、21.43和33.32mm，计算管道应力比和固有频率，计算结果如表5所示。从表5中可以看出，随着管道壁厚的增加，风载荷和地震载荷引起的偶然应力以及位移引起的二次应力显著降低，管道系统固有频率随之升高，由此可见，增大管道壁厚是解决大位移栈桥管道二次应力和偶然应力较为可行的方法。但该项目设计规格书规定该部分管道的最低模态固有频率不低于2.55Hz，该方式的最低模态固有频率却只有0.92Hz，不能满足设计规格书要求。从以上计算结果来看，针对本项目存在的较大栈桥位移，如果采用钢管的连接方法，无论怎样改变管道的走向、壁厚等，都无法满足规范和设计规格书的要求，可见钢管连接方法难以适用于大位移栈桥管道的连接。

4大位移栈桥管道采用软管连接的可行性

采用软管设计方案时，并非在整个40m长的栈桥管道上都采用软管，而是仅在栈桥的滑动端设计一段软管，依靠这部分软管的变形吸收平台施加在管道上的大位移。大部分管道仍采用钢管连接，钢管部分仅需要普通膨胀弯吸收该部分管道的热位移。本项目中，由于钢管和软管结合在一起模拟的过程较为困难，所以钢管部分和软管部分是分别在不同的模型中分析计算的。

4.1软管本身的分析

经静态、动态和疲劳计算，在本项目的设计条件下，该软管无论是在极端轴向拉伸或者压缩还是在侧向变形过程中，都能很好地依靠自身的变形吸收表2所列的栈桥极端位移，管道受轴向拉伸和压缩变形情况如图2所示。图2（a）显示的是软管在轴向拉伸位移的作用下，软管被拉伸，弯曲半径变大的情况；图2（b）显示的是在轴向压缩的位移作用下，软管被挤压，弯曲半径变小的情况。软管末端的作用力见表6。

4.2钢管部分的分析

由于软管两端分别连接栈桥上的钢管和B平台上的钢管，所以需要对两部分钢管都进行分析。将软管载荷添加在钢管与软管连接处，分别在两部分钢管上靠近软管连接的位置设置固定支架作为计算的边界条件，应用CAESARII软件对钢管进行应力分析。栈桥管道走向如图3所示。经过计算，栈桥上的钢管管道应力和支架载荷符合设计要求。但是由于软管端部的作用力和力矩较大，导致B平台与软管连接部分弯头应力超过允许值，而且固定支架受力过大，因此设计中对该固定支架和钢管的弯头都做了加强，增强管道支架和钢管局部的承载能力，使其能够承受软管作用在弯头和固定支架上的作用力。固定支架加强如图4所示。同时，对固定支架与软管之间的钢管弯头进行了结构性加强并进行了详细的有限元分析，加强方式是在弯头四周各增加一块肋板。弯头加强前后的应力云图如图5所示。固定支架和钢管弯头局部加强之后承载能力大大增强，有效抵抗了软管带来的外载荷产生的影响。

5结论

跨越栈桥的管道与平台上的管道相比，应力分析中需要考虑的荷载除了压力、重力、温度和各种偶然载荷外，还需要重点考虑在风、波浪、船舶靠泊等载荷作用下平台彼此之间相对运动导致管道产生的位移载荷，应力分析时需要考虑平台之间相对运动产生的最为苛刻的位移组合情况。该项目的设计计算表明，栈桥管道由于受到平台附加位移的影响，需要设置膨胀弯或软管，才可能解决栈桥管道的应力过大问题，因此栈桥管道的设计一般有金属硬管连接和软管连接两种方法，但是两种连接方式适用的位移大小不一样。对于大位移的栈桥管道，采用钢管连接方式，无论怎么调整管道布置方式，都很难将管道应力和管道支架载荷降低到合理水平，且将管道最低模态固有频率提高到规定数值以上，不能满足设计要求；如果采取一些措施同时降低管道应力和管道支架载荷，则必然导致管道固有频率保持在较低水平，从而产生极大的振动和疲劳破坏风险。选用软管连接，虽然造价较高，但是可较好地解决大位移引起的应力问题，达到设计要求，保证管道的安全运行，因此软管连接方式更适合大位移情况下使用。

作者：方新 陈雪 王乾 王冰 朱武 单位：海洋石油工程股份有限公司