， ， ， (海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

海上固定平臺橇裝式壓力容器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉家員，吳旭維，劉羽，胡明勝
(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

從壓力容器所處的海洋環(huán)境、海上設(shè)施的設(shè)計(jì)理念、橇裝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、設(shè)計(jì)資質(zhì)和取證要求等方面出發(fā)，介紹了海上固定平臺橇裝式壓力容器相對于陸地壓力容器的不同特點(diǎn)和橇裝設(shè)計(jì)的一些注意事項(xiàng)。重點(diǎn)闡述了海上壓力容器設(shè)計(jì)過程中3S風(fēng)速和基本風(fēng)壓之間的換算方法、壓力容器局部載荷計(jì)算的適用標(biāo)準(zhǔn)以及不同設(shè)計(jì)體系下壓力容器安全閥泄放量計(jì)算原則，并對整個設(shè)計(jì)過程中遇到的其他一系列問題提出了解決辦法，對今后海上橇裝式容器設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性的作用。

壓力容器； 海上固定平臺； 橇裝式系統(tǒng)； 設(shè)計(jì)

海上平臺壓力容器所處海洋環(huán)境惡劣，不僅經(jīng)受風(fēng)浪的襲擊、地震的危害、海水及海洋性大氣的鹽霧腐蝕，而且各工藝、公用、控制系統(tǒng)等布置在同一狹小空間內(nèi)，大多處于易燃、易爆的危險(xiǎn)環(huán)境中，對電氣產(chǎn)品有防爆要求。同時(shí)，重要設(shè)施應(yīng)滿足可靠性、冗余性、可回收性的3R要求，因此海上平臺容器比陸地容器具有更高的安全裕量和設(shè)計(jì)壽命。根據(jù)原國家經(jīng)貿(mào)委2000年發(fā)布的《海上固定平臺安全規(guī)則》[1]，要求海上固定平臺容器設(shè)計(jì)和制造單位取得行政許可，容器還需取得國家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)頒發(fā)的《監(jiān)督檢驗(yàn)證書》和安監(jiān)總局核準(zhǔn)的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)頒發(fā)的《海上固定設(shè)施產(chǎn)品檢驗(yàn)證書》[2]。2014年，《特種設(shè)備安全法》開始施行，首次明確了適用于海上壓力容器，并由安監(jiān)總局下屬的海油安辦(監(jiān)管一司)進(jìn)行管轄和實(shí)施。

海上平臺的壓力容器本體及其附屬設(shè)施，包括管線、閥門、儀表、電纜等布置在一個公共底座上，形成一個獨(dú)立的、具有特定功能的模塊，稱之為橇裝式壓力容器系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)主體為容器設(shè)計(jì)。文中介紹了海上固定平臺橇裝式壓力容器相對于陸地壓力容器的不同特點(diǎn)和橇裝設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，其余通用部分的設(shè)計(jì)與GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[3]等標(biāo)準(zhǔn)一致。

1 海上平臺壓力容器設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)資質(zhì)

海上固定平臺壓力容器一般按GB 150—2011或ASME Ⅷ-1—2017《壓力容器建造規(guī)則》[4]進(jìn)行規(guī)則設(shè)計(jì)，也可按JB 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]或ASME Ⅷ-2—2017《壓力容器建造另一規(guī)則》[6]進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。但無論采用哪種設(shè)計(jì)方法，只要用于中國國內(nèi)包括所屬領(lǐng)海內(nèi)的壓力容器，都必須取得國內(nèi)壓力容器設(shè)計(jì)資質(zhì)或質(zhì)檢總局認(rèn)可的其他標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)資質(zhì)。

1.2 設(shè)計(jì)壓力和溫度確定[7]

海上壓力容器的設(shè)計(jì)裕量比陸地壓力容器的大，對于裝有超壓泄放裝置的正壓容器，當(dāng)操作壓力不大于3.5 MPa時(shí)，設(shè)計(jì)壓力取操作壓力加0.35 MPa；當(dāng)操作壓力大于3.5 MPa時(shí)，設(shè)計(jì)壓力取操作壓力/0.9。對于裝有真空泄放裝置的負(fù)壓容器，當(dāng)絕對操作壓力小于0.035 MPa(A)時(shí)，設(shè)計(jì)壓力取-0.1 MPa(G)；當(dāng)絕對操作壓力大于等于0.035 MPa(A)且小于0.1 MPa(A)時(shí)，設(shè)計(jì)壓力按以下公式計(jì)算：

p1=min[1.25(0.1-pa),0.1]

(1)

p2=0.1-min(pa-0.01,0.05)

(2)

p=-max(p1,p2)

(3)

式中，p1為按GB 150—2011取值的設(shè)計(jì)壓力，p2為按Q/HS 3042—2014《海上生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度確定的推薦作法》[7]取值的設(shè)計(jì)壓力，p為設(shè)計(jì)壓力，MPa(G)；pa為絕對操作壓力，MPa(A)。

對于容器最高設(shè)計(jì)溫度，取操作溫度加30 ℃，但不得低于50 ℃。對于容器最低設(shè)計(jì)溫度，通常取最低操作溫度減5 ℃、泄壓產(chǎn)生的最低溫度減5 ℃和歷年月平均氣溫的最低值此三者的最小值。

1.3 材料選擇

選擇海上壓力容器、管線等材料時(shí)主要考慮內(nèi)部介質(zhì)腐蝕和外部環(huán)境腐蝕。內(nèi)部腐蝕性介質(zhì)一般包括含鹽、水、硫化氫、二氧化碳的原油或天然氣，海水及壓縮空氣等，外部環(huán)境主要是潮濕的含鹽大氣。因此，當(dāng)硫化氫的含量超過一定值時(shí)，根據(jù)NACE MR0175—2015《石油和天然氣工業(yè) 油氣開采中用于含H2S環(huán)境的材料》[8]選擇合適的抗硫化物應(yīng)力開裂(SSC)或氫致開裂(HIC)材料，并在施工中采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的焊后熱處理等措施。當(dāng)介質(zhì)為海水時(shí)，通常選用抗點(diǎn)蝕當(dāng)量更高的雙相鋼、鈦或銅鎳合金材料。當(dāng)介質(zhì)為其他腐蝕介質(zhì)且主要為均勻腐蝕，點(diǎn)蝕和晶間腐蝕不明顯時(shí)，優(yōu)先采用316L類不銹鋼或不銹鋼復(fù)合碳鋼板。若在不銹鋼復(fù)合鋼板制造過程中需要通過熱處理來恢復(fù)其力學(xué)性能，應(yīng)綜合考慮腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)，通常選擇保證基材性能進(jìn)行熱處理，并在升溫和降溫過程中快速避開奧氏體敏化溫度區(qū)間，以保證復(fù)合材料的性能。除內(nèi)部介質(zhì)外，還應(yīng)考慮海上鹽霧環(huán)境，禁止使用304和鋁制等材料，奧氏體不銹鋼的外部保溫材料應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、pH值測量和鹽含量測量等，以免奧氏體不銹鋼外表面產(chǎn)生嚴(yán)重的層下腐蝕。

1.4 基本風(fēng)壓換算[9-11]

GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]未統(tǒng)計(jì)國內(nèi)海域風(fēng)壓值，而設(shè)計(jì)海上平臺時(shí)采用重現(xiàn)期為100 a、時(shí)距為3 s的風(fēng)速，因此當(dāng)采用GB 150—2011進(jìn)行高聳壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，不能直接套用該風(fēng)速，而應(yīng)換算成我國標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為50 a、時(shí)距為10 min的平均風(fēng)速，否則壓力容器設(shè)計(jì)將十分保守。目前，國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的時(shí)距風(fēng)速換算可參考ASCE/SEI 7-10《建筑物和其他結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載》[9]中圖C26.5-1，從圖中查出v600和v3，其比值約為0.7，考慮到地理位置的差異和一定的安全系數(shù)，可適當(dāng)提高此值到0.75。對于普通設(shè)計(jì)者，由于缺少相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而無法進(jìn)行重現(xiàn)期換算時(shí)，根據(jù)GB 50009—2012中我國近海岸140多個地區(qū)50 a與100 a重現(xiàn)期的風(fēng)壓比值多在0.85～0.9，并參考其他相關(guān)文獻(xiàn)，推薦換算系數(shù)η取上述風(fēng)壓比值的上限0.9進(jìn)行簡易換算，從而得到風(fēng)速轉(zhuǎn)換公式(4)，然后根據(jù)式(5)計(jì)算出風(fēng)壓值，最終的基本風(fēng)壓取距海上平臺最近海岸地區(qū)的風(fēng)壓值和式(5)計(jì)算的風(fēng)壓值兩者的大值。

v600=0.75ηv3

(4)

q600=6.25×10-4v6002

(5)

q0=max(q600,q′)

(6)

式中，v600為重現(xiàn)期50 a、10 min的平均風(fēng)速，v3為重現(xiàn)期50 a、3 s的風(fēng)速，m/s；q600為重現(xiàn)期50 a、10 min的平均風(fēng)壓，q′為海上平臺距離大陸最近海岸的基本風(fēng)壓，q0為基本風(fēng)壓，kPa；η為不同重現(xiàn)期風(fēng)速與50 a重現(xiàn)期風(fēng)速的換算系數(shù)。

1.5 局部載荷計(jì)算[13，14]

外部管線受到溫度等因素影響，將會通過接管接口處(通常為法蘭面)作用6個方向的力和力矩，并在容器壁和接管根部區(qū)域產(chǎn)生額外的局部應(yīng)力，見圖1。如果容器設(shè)計(jì)不周或接管外載過大，在內(nèi)壓的共同作用下會產(chǎn)生過高的局部應(yīng)力，造成容器破壞。因此從海上容器高可靠性要求出發(fā)，所有技術(shù)規(guī)格書都要求對該局部應(yīng)力進(jìn)行分析和控制。

圖1 容器接管外載

目前國內(nèi)主要采用HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》[15]中基于國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的美國焊接委員會WRC 107公報(bào)和WRC297公報(bào)得出的公式進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算。一般情況下，吊耳、支座等實(shí)心結(jié)構(gòu)件對容器壁作用產(chǎn)生的局部應(yīng)力計(jì)算采用WRC107，本體接管對容器壁作用產(chǎn)生的局部應(yīng)力計(jì)算采用WRC297，但該方法通常只適用于小開孔率，且適用范圍很窄，主要是因?yàn)榻庸芘c容器的壁厚比限制范圍以及接管在容器壁上的位置范圍均較窄。2013年容標(biāo)委發(fā)布的指導(dǎo)性技術(shù)文件CSCBPV-TD001《內(nèi)壓與支管外載作用下圓柱殼開孔應(yīng)力分析方法》進(jìn)一步拓寬了原以WRC297進(jìn)行圓柱殼接管局部應(yīng)力求解的適用范圍，提高了計(jì)算精度。以上方法都有一定的適用范圍，當(dāng)超出適用范圍時(shí)，可采用有限元分析方法進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算，但此方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，對設(shè)計(jì)者的水平要求較高。歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 13445—2014《非燃燒壓力容器》[16]在局部應(yīng)力求解方面提供了一種新的方法，并且具有更寬的適用范圍，但其用于對殼體的評定偏于安全，對接管的評定偏于冒進(jìn)，且目前尚未被海洋平臺容器技術(shù)規(guī)格書所采納，設(shè)計(jì)者在使用此方法時(shí)需要多加考慮。

1.6 支座設(shè)計(jì)

一般情況下，海上固定平臺容器中立式容器和塔式容器都采用裙座支撐，臥式容器采用鞍座支撐，極少數(shù)小型設(shè)備，比如立式濾器等采用腿式支撐。高聳的結(jié)構(gòu)受外載時(shí)通?？珊喕癁槠矫媪航Y(jié)構(gòu)作平面振動，一般包括剪切振動、彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動。對于矮粗結(jié)構(gòu)的立式容器而言，主要以剪切振動為主；對于細(xì)高的塔式容器而言，主要以彎曲振動為主。兩者都可以參考NB/T 47041—2014《塔式容器》[17]及其附錄E進(jìn)行裙座設(shè)計(jì)和校核，然而在計(jì)算時(shí)一般需同時(shí)考慮容器主管線接管載荷對容器的疊加。對南海海域固定平臺上的壓力容器，由于洋流和風(fēng)載較大，推薦考慮平臺水平和垂直加速度與地震載荷的疊加。與陸地容器另一不同點(diǎn)在于，立式容器或塔式容器裙座與海上固定平臺連接方式一般為焊接而非螺栓連接，因此需校核裙座筒節(jié)與基礎(chǔ)環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)與平臺甲板之間連接焊縫的強(qiáng)度。對于臥式容器鞍座，也需要考慮以上風(fēng)載、地震載荷、接管外載荷、平臺水平和垂直加速度對鞍座的影響，可以按照NB/T 47042—2014《臥式容器》[18]進(jìn)行鞍座設(shè)計(jì)。與立式容器不同，對臥式容器，由于軸向安裝和使用時(shí)受溫差和接管外載等影響，需要考慮其軸向伸縮，鞍座與基礎(chǔ)之間仍然與陸地容器一致，采用螺栓連接。

1.7 安全閥泄放量計(jì)算

目前，國內(nèi)外海洋平臺工藝系統(tǒng)采用美標(biāo)設(shè)計(jì)，而國內(nèi)海上平臺的容器絕大部分采用國標(biāo)設(shè)計(jì)。這種“系統(tǒng)美標(biāo)、容器國標(biāo)”的現(xiàn)狀，容易造成國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)混用，甚至錯用等情況。對于國標(biāo)設(shè)計(jì)的壓力容器安全閥泄放量，GB 150.1—2011附錄B提供了確切的計(jì)算方法，而容器外部的管線等采用ASME B31.3—2016《工藝管道》[19]設(shè)計(jì)，其安全閥泄放量采用API 520—2014《煉油廠壓力釋放裝置的尺寸、選擇與安裝》[20]等方法計(jì)算，因此當(dāng)容器和外部管線等設(shè)施作為一個整體組成一個系統(tǒng)時(shí)，安全閥泄放量的計(jì)算方法往往容易選錯。

GB 150—2011和API 520—2014在安全閥的泄放量計(jì)算公式及適用條件上有所不同，比如某相同的設(shè)備在火災(zāi)工況下的泄放量，按GB 150—2011計(jì)算出來的泄放量要比按API 520—2014計(jì)算出來的大，如果用美標(biāo)計(jì)算出的泄放量選擇安全閥來保護(hù)國標(biāo)設(shè)計(jì)容器，就會出現(xiàn)安全隱患[21]。因此，當(dāng)容器采用GB 150—2011設(shè)計(jì)時(shí)，單獨(dú)保護(hù)容器的安全閥泄放量也按GB 150—2011計(jì)算，保護(hù)系統(tǒng)安全閥泄放量計(jì)算公式為：

(7)

2 橇裝設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)資質(zhì)

橇裝設(shè)計(jì)的主體為容器，通常按GB 150—2011設(shè)計(jì)，而少量的橇內(nèi)壓力管道按ASME B31.3—2016設(shè)計(jì)。特種設(shè)備安全監(jiān)察局于2012-05明確了橇裝式壓力容器的設(shè)計(jì)單位只需取得壓力容器設(shè)計(jì)資質(zhì)，而不強(qiáng)制要求取得壓力管道設(shè)計(jì)資質(zhì)。

2.2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

典型的橇裝式壓力容器見圖2。

圖2 典型橇裝式壓力容器

在橇裝式壓力容器中，橇內(nèi)附屬設(shè)施以更好地完善系統(tǒng)功能、保障系統(tǒng)安全為首要目的。相對陸地橇裝式系統(tǒng)，海洋平臺上的橇裝式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需嚴(yán)格控制其幾何尺寸和重量，并提供精確的重心用于平臺重控分析，在特殊情況下甚至以犧牲操作的便利性來限制尺寸，否則會造成平臺成本大幅增加。在有限的海洋平臺橇裝式系統(tǒng)空間內(nèi)應(yīng)合理布置操作維修空間，避免與逃生通道或其他結(jié)構(gòu)等發(fā)生干涉。設(shè)計(jì)時(shí)，各種儀表、閥門、管線布置緊湊，常需在容器上焊接支架等對外部管線或儀表進(jìn)行支撐，布置支撐時(shí)需考慮不對容器產(chǎn)生過大的外載。當(dāng)容器設(shè)計(jì)過程中接管外載過大時(shí)，可以考慮在外部管線增加支撐施加約束，從而減少對容器強(qiáng)度的影響。

3 結(jié)語

①海上容器設(shè)計(jì)壓力的取值與GB 150—2011有很大不同，尤其是真空容器設(shè)計(jì)壓力的取值，需兼顧GB 150—2011和Q/HS 3042—2014。②選用海上容器材料時(shí)不僅要考慮內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕，還要考慮外部海洋環(huán)境腐蝕，尤其避免使用不具有抗晶間腐蝕和點(diǎn)蝕能力的304不銹鋼和鋁制等材料。③海上平臺容器給定的風(fēng)載荷通常為重現(xiàn)期100 a、時(shí)距為3 s的風(fēng)速，在缺乏其他數(shù)據(jù)時(shí)，可采用本文給定的公式轉(zhuǎn)換成基本風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算，否則設(shè)計(jì)過于保守。④優(yōu)先選擇HG/T 20582—2011和CSCBPV-TD001的方法對接管外載引起的容器局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)超過適用范圍時(shí)可采取必要的分析設(shè)計(jì)手段。⑤一般需考慮接管外載對海上容器支座的影響，對于南海海域的平臺，推薦考慮平臺水平和垂直加速度對支座的影響。⑥計(jì)算安全閥泄放量時(shí)一定要注意安全閥保護(hù)的對象及對象的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，尤其對安全閥單獨(dú)保護(hù)容器的情況，不能采用美標(biāo)安全閥泄放量保護(hù)國標(biāo)容器，否則會產(chǎn)生容器超壓泄放危險(xiǎn)。⑦橇裝設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制整橇尺寸和重量，合理布置操作維修空間，否則會造成平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或剛度不足，增加平臺建造投入。

[1] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會.海上固定平臺安全規(guī)則[S].2000.

(State Economic & Trade Commission of the People’s Republic of China. Safety Rules for Offshore Fixed Platform[S].2000.)

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(GB 150.1～150.4—2011，Pressure Vessels[S].)

[4] ASME Ⅷ-1—2017，壓力容器建造規(guī)則[S].

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[5] JB 4732—1995(2005年確認(rèn))，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

(JB 4732—1995(R2005)，Steel Pressure Vessels——Design by Analysis[S].)

[6] ASME Ⅷ-2—2017，壓力容器建造另一規(guī)則[S].

(ASME Ⅷ-2—2017，Rules for Construction of Pressure Vessels，Division 2，Alternative Rules [S].)

[7] Q/HS 3042—2014，海上生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度確定的推薦作法[S].

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[12] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

(GB 50009—2012，Load Code for the Design of Building Structures[S].)

[13] HG/T 20582—2011，鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定[S].

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(HG/T 20582—2011，Specification of Strength Calculation for Steel Chemical Vessels[S].)

[16] BS EN 13445—2014，非燃燒壓力容器[S].

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[17] NB/T 47041—2014，塔式容器[S].

(NB/T 47041—2014，Vertical Vessels Supported by Skirt[S].)

[18] NB/T 47042—2014，臥式容器[S].

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[19] ASME B31.3—2016，工藝管道[S].

(ASME B31.3—2016，Process Piping[S].)

[20] API 520—2014，煉油廠壓力釋放裝置的尺寸、選擇與安裝[S].

(API 520—2014，Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices[S].)

[21] 白秋云.國標(biāo)與API標(biāo)準(zhǔn)中安全泄放量計(jì)算的比較[J].山東化工，2013，42(3)：80-82.

(BAI Qiu-yun. Comparison of Chinese Standard and API in Safety Relief Amount Calculation[J]. Shandong Chemical Industry，2013，42(3)：80-82.)

KeyDesignPointsofSkidMountedPressureVesselonOffshoreFixedPlatform

LIUJia-yuan，WUXu-wei，LIUYu，HUMing-sheng
(Offshore Oil Engineering Co. Ltd.， Tianjin 300452， China)

The different characteristics and attention matters between the offshore skid mounted pressure vessel and the onshore pressure vessel in inspects of offshore environment，design idea，standards，codes，qualifications and certifications are introduced. The conversion method between 3S wind speed and basic wind pressure during the design process of offshore pressure vessel，the applicable standards of local load calculation of pressure vessel，and the principle of calculating the relief capacity of pressure vessel under different design system are focused on，and some methods are given to solve the other problems in design process，then took guiding effects on future pressure vessel skid design.

pressure vessel； offshore fixed platform； skid mounted system； design

1000-7466(2017)06-0034-05

2017-06-02

劉家員(1976-)，男，天津人，工程師，學(xué)士，長期從事海上壓力容器設(shè)計(jì)和制造工作。

TH49； TQ050

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.007

(張編)

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