郭 磊，段夢蘭，李婷婷，程光明

（中國石油大學（北京），北京102249） ①

·設計計算·

自適應海底管線膨脹位移的管道終端設計及計算

郭 磊，段夢蘭，李婷婷，程光明

（中國石油大學（北京），北京102249）①

為滿足我國深水油氣田開發(fā)的需求，設計了一種全新的管道終端（PLET）。該PLET具有1套快速自適應滑移機構，最大滑移距離為1.5m，能夠自適應海底管道的線膨脹位移?；茩C構能在很大程度上緩沖35km的海底管道累積產(chǎn)生的0.995m瞬間膨脹位移，避免了瞬間滑動對該PLET其他結構造成破壞。此外，該PLET還有1個力轉移座，在PLET的第2端安裝時，為分散設定的1 700m海底管道引起的集中力起到了很好的作用。

深水；管道；PLET；滑移機構，膨脹位移

我國已經(jīng)在南海開發(fā)超過1 500m水深的油氣田，這標志著我國的海洋油氣開發(fā)邁向了深水和超深水。深水和淺水的海洋油氣開發(fā)模式有著質的區(qū)別，淺水油氣田主要采用導管架平臺等固定式的開采裝備，而深水油氣開采是以水下生產(chǎn)系統(tǒng)集輸?shù)胶Ｉ细∈絻τ拖到y(tǒng)或直接集輸?shù)胶０秲湎到y(tǒng)為主的形式。水下生產(chǎn)系統(tǒng)包含采油樹（Christmas tree）、管匯（manifold）、管道終端（PLET）、管匯終端（PLEM）和水下分配中心（SDH）等水下生產(chǎn)設備。其中，PLET主要用于實現(xiàn)管道和管道之間以及管道和水下生產(chǎn)設施之間連接，例如水下采油樹、水下管匯、管匯終端等之間的連接。采油樹和管匯之間的距離如果過長，將采用PLET進行連接，否則用跨接管直接連接，管匯與管匯終端之間則采用PLET進行連接［1］。通常，1個典型的PLET主要由工藝彎管、主體結構框架、防沉板、吊裝結構等組成。典型的小PLET只有1個連接轂座，大型的PLET轂座數(shù)量可以達到2～4個或者更多［2～3］。

國外3 000m水深PLET的設計、制造和安裝技術已經(jīng)比較成熟，以FMC、Cameroon、Oilstates等公司最為著名，目前已經(jīng)在超深水中進行應用［4］。國內對于深水PLET的相關研究還處于起始階段，故很有必要開展適合我國深水油氣田開發(fā)的水下生產(chǎn)裝備的研究。

1 深水油氣PLET的設計

1.1 功能和結構

設計的PLET用于管匯和管道之間的連接，該PLET帶有自適應滑移機構，可以快速消除管道因高溫油氣突然引起的應力和一定量的瞬間膨脹位移。其中，PLET和管匯之間的管道直徑為?304.8 mm（12英寸）。

該自適應海底管線膨脹位移的PLET具有局部滑移和整體滑移雙重的功能。

1） 對于限定的突發(fā)膨脹量，其可以通過自適應滑移機構瞬間自動調整適應，避免了突發(fā)碰撞對PLET的結構造成破壞。

2） 對于大于滑移機構額定的滑移量，其可以通過防沉板與海床的相對滑動來調整。

設計的PLET主要結構如圖1，自適應滑移機構和集中力分散機構是創(chuàng)新結構，其中自適應滑移機構主要包括：滑動托架、滑軌、工藝彎管和固定卡子等部件，工藝彎管豎直段與跨接管相連，而水平段與海底管道相連。當海底管道受熱膨脹時，管道的變形量就會傳給工藝彎管，使工藝彎管與滑動托架一起沿滑軌滑動并調整位置。集中力分散機構主要包括：力轉移臺和力轉移座結構，力轉移座與主體框架焊接為一體。下放安裝PLET時，與工藝彎管水平段相連的海底管道載荷主要集中在力轉移臺上，然后傳到力轉移座上，最后分散到主體框架上，從而可以避免安裝PLET時海管著地點（TDP）到PLET之間1 700m段的載荷直接加到自適應滑移機構上。

自適應滑移機構可快速適應海底管道瞬間產(chǎn)生的膨脹量，一定程度上預防了膨脹引起的沖擊和意外破壞等事故的發(fā)生。自適應滑移機構由滑軌條和橋式滑動托架組成，滑動托架的滑筒內側有卡牙，滑軌兩側帶有牙槽，保證滑動托架只有1個自由度，相互嚙合而不會脫落?；瑒油屑艿耐泄懿叟c半圓滑筒連接的兩翼板相對于防沉板面呈45°夾角，使外載荷主要沿著翼板面切線方向傳遞，減少了翼板的受折彎程度。滑軌條滑面為半圓柱面，其與半圓筒滑筒匹配，結合45°方向的翼板，則保證了外載荷垂向經(jīng)過滑軌的軸線。自適應滑移機構的滑動范圍一端由滑軌的端部擋塊控制，另一端由力轉移座控制，當膨脹量超出滑軌滑動范圍時，管道的張力通過擋塊帶動PLET整體滑動。力轉移臺為圓臺結構，其與工藝彎管焊接為一體，可以作為滑動機構的行程動擋塊和管道載荷轉移的起始端。力轉移座與主體框架以及主吊臂相焊接，其帶有與力轉移臺相匹配的凹槽，可以作為滑移機構的行程定滑塊和管道載荷轉移的接觸端。

圖1 管道終端主要結構

1.2 滑移量計算

已知設計參數(shù)：內壓力pi＝37.5MPa；每米管線熱膨脹系數(shù)α＝11.7×10－6m／℃；外壓力pe＝2.079MPa；溫度差ΔT＝60℃；鋼材密度ρst＝7 850kg／m3，泊松比υ＝0.4，彈性模量E＝2.07× 1011Pa；內部流體密度ρcont＝300kg／m3；土壤內部的摩擦因數(shù)μ＝0.4；海水的密度ρw＝1 025kg／m3；管線長度L1＝35 000mm；防腐涂層厚度tcorr＝3 mm；防腐涂層密度ρcorr＝881kg／m3；絕緣涂層厚度tins＝0mm；絕熱涂層密度ρins＝0kg／m3；鋼管外徑D＝324mm，壁厚t＝25.4mm。

1.2.1 管道膨脹量計算

管道總外徑為

內徑為

截面面積為

鋼管內環(huán)面積為

鋼管外環(huán)面積為

絕緣涂層面積為

防腐涂層面積為

每米管的總重力為

每米長度水中管的重力為

溫度變化引起的管線作用力為

內外壓差引起的管線作用力為

每米鋼管的重力為

每米防腐涂層的重力為

每米絕緣涂層的重力為

每米管中氣體的重力為

每米管受的浮力為

溫差和壓差的總作用力為

土壤作用力范圍為

管線膨脹量為為

1.2.2 PLET最大滑移量設計

由計算知，35km海底管線的熱膨脹量為0.995 m。為了適應管線的膨脹，并考慮安全余量，設計PLET的滑移機構的最大滑移量為1.5m。

2 受力計算及強度校核

PLET安裝方法通常有第1端安裝和第2端安裝2種形式，不同的安裝方式會形成不同的載荷作用力。本設計的PLET安裝采用第2端安裝的方式，即將海底管道從海底回收至工程船上并與PLET尾端處工藝管相連接，然后再把PLET與海底管道一起下放至海底。

PLET主要承受環(huán)境載荷、自重力、跨接管以及海底管道載荷等，為了保證其在各種工況下的安全性，結構設計考慮了3個階段的操作情況：吊裝分析、下放分析和在位分析。吊裝分析結果和下放分析結果用來設計整體框架結構、YOKE臂和吊耳，在位分析結果用來設計結構梁架和防沉板等。

2.1 吊裝力計算

吊裝過程是指在岸上完成PLET的裝配后，由吊機將PLET轉移到拖船上的過程。吊裝機構由PLET上的4個吊耳、吊環(huán)以及鋼纜等構成。吊裝過程承受的載荷主要是PLET的自重力，即216 kN。這里采用桿件模擬鋼纜，則每條鋼纜承受54 kN的力。采用SCAS有限元軟件對PLET的各個梁結構進行計算校核，如圖2。

圖2 吊裝力計算結果

和圖2對應的UC值如表1所示。計算結果顯示，端點標號為5A－4U的梁單元上的應力值最大，且其UC值為0.05（這里的UC值為結構件的最大應力值與給定材料的屈服強度的比值），遠小于1，所以，吊裝過程中PLET的各結構件均處于非常安全的狀態(tài)。

表1 吊裝校核UC值

2.2 下放力計算

下放安裝過程是指海底管道與PLET的工藝管焊接后一起被下放到海底的過程。下放安裝時的載荷主要包括PLET自重力以及1 700m海底管道在海水中的等效重力?？紤]到安裝船的運動以及海浪和流的作用力，這里選擇的動載系數(shù)為2.0。下放過程中的各種載荷如表2所示，組合工況1和2分別為動載和靜載時的總載荷，組合載荷計算公式中的1.2為安全余量，即把施加的載荷放大1.2倍。

表2 下放PLET過程中的載荷

下放安裝是通過2根吊線分別吊住PLET的主吊臂和YOKE臂來實現(xiàn)的。下放的初始階段，在海管的重力作用下，PLET通過YOKE臂自動調整而處于下垂狀態(tài)，這時處于立起狀態(tài)的海管長度最長，對PLET的作用力也最大，隨著下放，立起狀態(tài)的海管長度減少，同時PLET自動圍繞YOKE臂旋轉來調整狀態(tài)，直至海底時，PLET處于水平狀態(tài)。模型計算時，在PLET下部工藝管的管端施加有一個集中載荷（工況載荷3）來模擬海管的作用。組合載荷1和組合載荷2分別用來計算動載和靜載時PLET的主吊臂、YOKE臂和整體梁架的受力情況。下放安裝計算如圖3所示，其中，圖3a是載荷的布局圖，圖3b是計算的UC值。

圖3 安裝過程動載計算結果

由表2可知，代表動載荷的組合載荷1比代表靜載荷的組合載荷2大1倍，則只要PLET在動載分析時能符合安全要求，其在靜載工況時也是安全可靠的，與圖3對應計算的UC值如表3所示，其中最大UC值為0.83（＜1），該最大UC值在端點編號為Y－12，梁代碼為M2的梁單元上。因此，設計的PLET結構在下放安裝時是安全可靠的。

表3 安裝分析校核的UC值

2.3 在位力計算

該PLET承受的在位環(huán)境載荷為百年一遇的波浪流載荷，基于PLET的對稱性，這里只取0°、45°和90°時的波浪流載荷進行計算，對應3個不同方向的環(huán)境載荷有3個不同的組合載荷（如表4）。

由于PLET的整體尺寸為7 150mm× 4 150mm，y軸方向的尺寸小于x軸方向的尺寸，則相同的載荷作用下，沿y軸方向的變形會比x軸方向的大，因此y軸方向的梁單元產(chǎn)生的應力也相對較大。所以，對應于上表所示的組合載荷3（即是波浪流為90°時的環(huán)境載荷）為在位時的最危險載荷，在位計算結果如圖4所示。

表4 在位操作載荷情況

圖4 在位操作計算結果

對應于圖4中的計算結果，抽取其中的應力較大的梁單元及其UC值，整理后如表5所示，可見對應于節(jié)點編號為I－M，代碼為M2的梁單元的UC值最大，且為0.11，但遠小于1。因此，在位工況環(huán)境下，該PLET是安全的，滿足強度要求。

表5 在位計算校核的UC值

2.4 關鍵結構的強度校核

安裝時，該PLET的主要受力部件為力轉移座，其主要承受1 700m的海管在水中等效的重力作用，其值是1 399.1kN。由于該PLET的框架主要為工字鋼梁架結構，選用大號的工字鋼必定會造成材料的浪費，但是集中載荷又勢必會對包括滑移機構在內的薄弱結構造成嚴重的破壞。因此，設計了1個力轉移座來分散集中載荷。力轉移座的材料預選用45號鋼，該材料的屈服極限為353MPa，強度極限為598MPa。這里采用Mises屈服條件進行計算校核。工藝管和力轉移座的組合模型如圖5所示。

圖5 工藝管與力轉移座的關系

計算結果顯示，該力轉移座上的最大應力值為311.6MPa（如圖6），結合選擇的45號鋼可知，安全系數(shù)為通常，塑性材料的可以取1.2～2.5。若用45號鋼作為該PLET的材料，其強度會偏低。可以通過2種方式解決：①增加結構的尺寸；②選用較高強度的材料。例如合金結構鋼20Cr，其屈服極限為540MPa，極限強度為835 MPa。假設尺寸不變，選用20Cr，則安全系數(shù)ns＝，在1.2～2.5范圍內，固選用20Cr可以滿足強度要求。

圖6 力轉移座應力

3 結論

1） 該PLET是我國深水PLET研發(fā)的首次嘗試，其功能和結構強度均能滿足一定深度的水下油氣輸送的需要。

2） 該PLET最重要的創(chuàng)新結構為自適應滑移機構，滑移機構的滑移托架具有橋式結構，其在支撐上部管線時起到了很好的載荷分散作用，不會對滑移機構造成損傷?；茩C構的有效滑移距離為1.5m，而管道的膨脹量為0.995m，該滑移機構完全可以適應瞬間0.995m的滑移，進而保護了PLET的整體結構不受沖擊載荷的影響。

3） 力轉移座有效地分散了集中載荷對PLET的作用，使整體框架的變形有一定量的過度；另一方面，力轉移座的剛度較大，可以防止管線的瞬間滑移對PLET的一些結構件造成沖擊破壞。

［1］ 王瑩瑩，段夢蘭，馮 瑋，等.西非深水油氣田典型開發(fā)模式分析［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：1－8.

［2］ Antani J K，Dick W T，Balch D，et al.Design，F(xiàn)abrication and Installation of the Neptune Export Lateral PLETs［C］.OTC 19688，2008.

［3］ Dyson K C，McDonald W J，Olden P，et al.Design Features for Wye Sled Assemblies and Pipeline End Termination Structures to Facilitate Deepwater Installation by the J－lay Method［C］.OTC 16632，2004.

［4］ Beverley F，Ronalds.Applicability range for offshore oil and gas production facilities［J］.Marine Structures，2005，18：251－263.

Design and Mechanical Calculation of a Pipeline End Termination with Adaptation of Pipeline Expansion

GUO Lei，DUAN Meng－lan，LI Ting－ting，CHENG Guang－ming
（China University of Petroleum，Beijing102249，China）

In order to meet the developing of deeper－water oil ＆gas fields，a new pipeline end termination（PLET）with a sliding device which could adapt to the instant maximum slide about 1.5 m caused by pipeline expansion is designed.Because the instant slide displacement caused by 35 km pipeline is 0.995mwhich is smaller than 1.5m，so the sliding device could stop the instant slide damaging other structure.The PLET also has a creative structure called force transfer device（FTD）which could effectively disperse the intent force from 1700mpipeline.

deep water；pipe line；PLET；sliding device；expansion displacement

1001－3482（2012）04－0025－06

TE952

A

2011－10－20

國家重大專項“深水海底管道和立管工程技術”（2008ZX05026－005）

郭 磊（1984－），男，河南平輿人，博士研究生，主要從事海洋石油設備的設計方法及理論等科研工作，E－mail：glopen＠126.com。