黃蓮英， 陳 實， 許正剛， 李清明

(湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司， 廣東 湛江524057)

海上油氣田棧橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及運用

黃蓮英， 陳 實， 許正剛， 李清明

(湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司， 廣東 湛江524057)

在海上油氣田開發(fā)項目中，需要依托原有油氣田的措施，以達到降本增效的目的。通過棧橋把兩個平臺連接在一起，依托原有的油氣處理系統(tǒng)、生產(chǎn)公用系統(tǒng)、供電及控制系統(tǒng)等，應用棧橋代替海底管線和海底電纜鋪設(shè)，節(jié)省油田的建設(shè)時間和投資成本。該文主要介紹棧橋的設(shè)計原則和關(guān)鍵技術(shù)，可為水深約100 m以內(nèi)的固定式平臺之間棧橋的設(shè)計提供指導。

棧橋；棧橋固定端；棧橋滑動端；平臺位移；膨脹彎

0 引言

在海上油氣田開發(fā)中，需要依托現(xiàn)有油氣田的生產(chǎn)設(shè)施，如油氣處理系統(tǒng)、生產(chǎn)公用系統(tǒng)、供電及控制系統(tǒng)等，達到降本增效的目的。依托原有油氣田的設(shè)施，有兩種方案：(1)通過棧橋；(2)通過鋪設(shè)海管、海纜。通過棧橋的依托方案可以大大降低油田開發(fā)成本，提高油田經(jīng)濟效益。

棧橋的主要作用是作為連接新油田與老油田系統(tǒng)改造的管線通道、電儀通訊系統(tǒng)改造的電纜通道，同時也是兩平臺工作人員交流溝通的通道和平臺資源共享的通道。

海上平臺棧橋設(shè)計最大的難點是如何解決在臺風時兩平臺產(chǎn)生大位移的情況下，確保棧橋結(jié)構(gòu)的安全性及棧橋上的管線及電纜不發(fā)生由應力引起的破壞，保證油田安全生產(chǎn)。

1 棧橋的方案設(shè)計

1.1 總體布置方案

棧橋布置要考慮相連平臺甲板層高的影響，安裝空間及結(jié)構(gòu)受力的合理性及棧橋設(shè)計原則要滿足相連兩平臺之間的管線電纜鋪設(shè)、人員來往、物質(zhì)流通等要求。棧橋通常布置有走道、管線膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)、管線、電纜及支架等， 圖1是潿洲油田群棧橋應用圖，棧橋在北部灣油田開發(fā)中起了重要作用。 圖2為棧橋典型總體布置方案圖。

圖1 潿洲油田群棧橋應用圖 圖2 棧橋典型總體布置方案

1.2 棧橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理

棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮棧橋連接的兩平臺相對位移因素。根據(jù)平臺服役期間的靜力分析結(jié)果，在百年一遇的極端環(huán)境條件下，兩平臺產(chǎn)生的相對位移較大，如在北部灣海域，兩個常規(guī)固定平臺的相對位移約50 cm左右。

棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計原則是平臺在位期間出現(xiàn)最大的相對位移時，棧橋結(jié)構(gòu)及兩端的基礎(chǔ)不破壞，兩平臺支撐棧橋的基礎(chǔ)局部結(jié)構(gòu)不破壞，通過棧橋的管線不出現(xiàn)拉伸或擠壓破壞，確保平臺在百年一遇的極端環(huán)境條件下，棧橋及其支撐的管線電纜是安全可靠的。

由于連接平臺整體剛度的差異以及受外載的差異，平臺出現(xiàn)的位移大小及方向是不一樣的，由于棧橋連接的兩個平臺在極端環(huán)境條件下產(chǎn)生較大的位移，假如棧橋兩端是通過剛性基礎(chǔ)與平臺連接，在兩平臺出現(xiàn)較大相對位移的情況下，剛性基礎(chǔ)會發(fā)生撕裂破壞，由此引起棧橋和平臺的破壞，海洋平臺常規(guī)的鋼性節(jié)點型式基礎(chǔ)不滿足平臺和棧橋安全使用要求。因此，可以將棧橋其中一個基礎(chǔ)設(shè)計成可滑移基礎(chǔ)，與平臺基礎(chǔ)面產(chǎn)生相對的滑動，使其水平力作用下產(chǎn)生的位移不會導致另一平臺產(chǎn)生相應的位移，即某一平臺所受的水平力不會經(jīng)過棧橋轉(zhuǎn)換為作用于另一平臺的等效水平力，同時滑移基礎(chǔ)能有效釋放平臺產(chǎn)生的位移和應力。

圖3 水平管線膨脹彎

1.3 管線布置與棧橋主體結(jié)構(gòu)選型

棧橋設(shè)計要滿足管線布置并能釋放管線膨脹應力。為了解決平臺位移對過橋管線的破壞，過棧橋的管線要設(shè)置膨脹彎，棧橋要設(shè)置膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)。管線膨脹彎有兩種型式：一是水平管線膨脹彎(如圖3所示)；二是豎向管線膨脹彎(如圖4所示)。水平管線膨脹彎適合過橋管線數(shù)量多，管徑大，兩平臺相對位置較近而相對位移較大的情況，水平管線膨脹彎需要在棧橋主體兩側(cè)水平面上設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)。如潿洲12-1PAP平臺與潿洲12-1PUQ平臺之間的棧橋，布置三層管線，管線達18根，其中最大的管線12"，最小的管線2"(如圖5所示)，把在棧橋上的管線設(shè)計成一個大的膨脹彎，支在棧橋兩側(cè)的膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)上，利用膨脹彎的作用原理，減少了平臺位移對管線產(chǎn)生的應力及應變，避免了管線的破壞。豎向管線膨脹彎適合管線少，管徑小，兩平臺相對位置較遠的情況，該形式只在棧橋內(nèi)部設(shè)置管線膨脹彎，棧橋不需要在兩側(cè)增加大的支撐結(jié)構(gòu)，棧橋結(jié)構(gòu)簡單。

圖4 垂直管線膨脹彎 圖5 管線布置截面圖

1.4 棧橋的結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)以上介紹的設(shè)計原理，棧橋結(jié)構(gòu)由棧橋主體、棧橋滑動端基礎(chǔ)、棧橋固定端基礎(chǔ)三部分構(gòu)成。棧橋主體要求橋面水平，橋內(nèi)鋪設(shè)管線、電纜和人行道等設(shè)施；棧橋滑動端基礎(chǔ)由上滑動塊、下滑動塊，水平和垂直限位塊組成，上滑動塊焊接在棧橋弦桿上，下滑動塊焊接在平臺基礎(chǔ)上，水平限位塊焊接在上滑動塊上，垂直限位塊焊接在下滑動塊上，上滑動塊可沿棧橋軸線方向滑動，棧橋滑動端模型如圖6所示；棧橋固定端基礎(chǔ)由上轉(zhuǎn)動塊、下轉(zhuǎn)動塊、銷軸和套筒組成，上轉(zhuǎn)動塊焊接在棧橋弦桿上，下轉(zhuǎn)動塊和銷軸焊接在平臺基礎(chǔ)上，套筒與棧橋主體焊接成一體，兩個平臺產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時，上轉(zhuǎn)動塊繞軸承進行小角度轉(zhuǎn)動，通過棧橋兩端的滑動和轉(zhuǎn)動，釋放棧橋及管線的位移和應力，棧橋固定端基礎(chǔ)模型如圖7所示。

圖6 棧橋滑動端3D模型圖 圖7 棧橋固定端基礎(chǔ)3D模型圖

2 棧橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 棧橋滑動端的設(shè)計

棧橋滑動端主要作用是使棧橋在極端工況條件下，棧橋主體可在平臺基礎(chǔ)上滑動，通過滑動，釋放平臺產(chǎn)生的位移，確保平臺和棧橋在風暴條件下不破壞，棧橋滑動端的長度確定和局部結(jié)構(gòu)方案非常關(guān)鍵，長度和端部結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，在新平臺就位后，根據(jù)測量的準確位置，棧橋只需通過簡單的端部修改即可滿足設(shè)計和安裝要求。由于棧橋的設(shè)計制造在新平臺安裝就位前進行，平臺安裝位置誤差通常允許±1.5 m，棧橋滑動基礎(chǔ)理論長度要滿足該誤差要求，即誤差為+1.5 m時，棧橋長度足夠，支點位置和結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求；誤差為-1.5 m時，棧橋的端部經(jīng)簡單修改后，其支點位置和結(jié)構(gòu)強度也滿足規(guī)范要求，合理設(shè)計棧橋滑動端長度及切割長度是棧橋海上順利安裝的前提條件。結(jié)合圖8、圖9，介紹棧橋滑動基礎(chǔ)長度和切割長度的計算方法。

滑動基礎(chǔ)長度：

(1)

式中：Δ1,Δ2分別為 平臺1，平臺2在極端工況條件下基礎(chǔ)部位的最大水平位移；Δ3為新建平臺的安裝誤差；Δ4為支點中心到端部的距離。

棧橋的滑動端長度設(shè)計要滿足兩種極端條件：(1) 平臺安裝位置位差是+1.5 m，兩平臺極端遠距離，即實際距離L4=L3+1 500+Δ1+Δ2;(2) 平臺安裝位置位差是-1.5m，兩平臺極端近距離，即實際距離L4=L3-1 500-Δ1-Δ2。

切割長度:

(2)

式中：L3為棧橋設(shè)計理論距離；L4為兩平臺的實際距離，當L2<100時，取L2=0。

圖8 棧橋滑動端及總體示意圖

圖9 平臺兩種極端距離示意圖

以上介紹的棧橋理論長度和滑動端的長度是適合平臺安裝誤差控制在±1.5m的范圍內(nèi)的情況，假如平臺的安裝誤差超過這個范圍，棧橋需要重新設(shè)計。

2.2 棧橋固定端的設(shè)計

棧橋固定端的主要作用是使棧橋固定在平臺基礎(chǔ)上，在極端工況條件下，兩平臺發(fā)生的位移方向相反時，棧橋在平面內(nèi)繞銷軸轉(zhuǎn)動，銷軸承受棧橋套筒傳來的作用力，銷軸外壁與套筒內(nèi)壁之間的距離建議取20 mm, 銷軸高度由橋面高度決定，其頂部與走道面平齊，高約500 mm。銷軸承受的作用力等效于棧橋計算時其端部的節(jié)點力，由于棧橋兩端基礎(chǔ)的特殊性，建立棧橋計算模型時，兩端基礎(chǔ)的邊界條件模擬很重要，應結(jié)合棧橋的實際受力及基礎(chǔ)構(gòu)造，準確模擬邊界條件，確保計算出來的銷軸受力是準確的。

3 棧橋設(shè)計的其他技術(shù)及注意問題

3.1 起拱

棧橋就位后，在棧橋自身重力作用下，棧橋產(chǎn)生垂向變形，為了避免棧橋變形導致管線的破壞，棧橋建造要考慮起拱。棧橋長度超過25 m，最大垂向位移大于5 mm時,建議棧橋考慮起拱，起拱的大小與自身重力作用下對應節(jié)點的最大垂向位移一致。

3.2 棧橋兩端管線電纜的合理布置

棧橋兩端是管線電纜從平臺到棧橋的過渡區(qū)域，該區(qū)域管線密集并需要在海上安裝，棧橋端部的管線接口位置選擇要確保棧橋上的管線不超出棧橋結(jié)構(gòu)主體，避免管線在棧橋安裝時被碰壞，平臺區(qū)域的管線接口位置建議選擇在棧橋基礎(chǔ)2.5 m外的范圍，確保平臺上的管線不影響棧橋安裝。過橋電纜考慮其鋪設(shè)方便，電纜預鋪設(shè)在棧橋上，兩端電纜盤在棧橋上，棧橋安裝后再鋪設(shè)到平臺的預定接口位置。

3.3 棧橋安裝建議

由于平臺安裝誤差，棧橋基礎(chǔ)與平臺基礎(chǔ)產(chǎn)生角度偏差，為了解決偏差對棧橋安裝的影響，安裝時先把下滑動塊和上滑動塊裝配好，同棧橋主體吊裝，棧橋就位前調(diào)整下滑動塊位置，使其落在設(shè)計確定的平臺基礎(chǔ)上，再與平臺基礎(chǔ)焊接固定。

3.4 其他建議

(1) 及時進行管線應力分析，確定膨脹彎的大小，合理選擇管線膨脹彎的寬度，盡可能減少棧橋的寬度和膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)的尺寸。

(2) 合理布置管線，盡量采取垂直管線膨脹彎，簡化棧橋主體結(jié)構(gòu)型式。

(3) 棧橋主體結(jié)構(gòu)要具有長度調(diào)整的余量以適應平臺安裝測量后的棧橋方案調(diào)整。

4 結(jié)語

通過棧橋基礎(chǔ)特殊構(gòu)造的設(shè)計，棧橋與平臺甲板面產(chǎn)生相對滑動，解決了南海油田惡劣環(huán)境條件下兩平臺產(chǎn)生較大的相對位移對基礎(chǔ)連接的影響；通過棧橋主體結(jié)構(gòu)膨脹支撐結(jié)構(gòu)，支撐管線的膨脹彎，保證管線由于位移產(chǎn)生的應力得到釋放，解決管線由于兩平臺產(chǎn)生相對位移引起管線拉伸和擠壓破裂。 南海100 m水深以內(nèi)平臺的棧橋都是根據(jù)以上設(shè)計原理，采用可釋放位移和應力的特殊基礎(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，使現(xiàn)役棧橋未出現(xiàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及管線破壞的現(xiàn)象，使用效果好。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

Design and Application of Bridge on Offshore Oil and Gas Field

HUANG Lian-ying, CHEN Shi, XU Zheng-gang, LI Qing-ming

(NHWOC Zhanjiang Survey and Design Co., Ltd, Guangdong Zhanjiang 524057, China)

In offshore oil/gas field development, in order to reduce investment, need to rely on existing oil field establishment. Two platforms connected by bridge，two or more platforms can share oil/gas process system, utility system, electric power system and control system etc，by using bridge, replace constructing of subsea pipeline and subsea cable, save the building time and reduce a great deal investment. The paper present the design principle and key design technology of bridge, and offer design guidance of bridge for two platform in water depth about 100 meter.

trestle bridge; fixed end support; sliding end support; platform displacement; expansile-bend

2014-10-28

黃蓮英(1968-)，女，高級工程師。

1001-4500(2015)04-0015-05

P75

A