劉維維，趙晨，倪云飛

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

管線布置是一個(gè)項(xiàng)目中最耗費(fèi)精力和時(shí)間的工作，而管道應(yīng)力是檢驗(yàn)管線布置是否科學(xué)合理的基準(zhǔn)。當(dāng)管道的一次應(yīng)力過(guò)大時(shí)，會(huì)將管道破壞。管道的一次應(yīng)力是由管道內(nèi)的流體壓力和外部載荷產(chǎn)生的，其大小與作用在管道上的外部載荷及管道自身或管道附件的截面有關(guān)[1]。由此可見(jiàn)，管線支吊架的設(shè)計(jì)和排布與管道的一次應(yīng)力大小密切相關(guān)。

管線支吊架在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮周?chē)h(huán)境因素、管線管件重量、各類(lèi)閥門(mén)等要素，通常情況下，考慮到動(dòng)態(tài)載荷效應(yīng)，管線支吊架的設(shè)置可以直接改善正常工況或者異常工況下由熱脹冷縮導(dǎo)致的空間位置移動(dòng)和振動(dòng)式疲勞損傷等管道上的二次應(yīng)力。

管道中這兩次應(yīng)力的大小是保證海洋石油平臺(tái)項(xiàng)目長(zhǎng)周期、安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要標(biāo)志。

1 支吊架材料的分類(lèi)與用途

（1）剛性固定式支吊架，旨在保證管線在三維方向基準(zhǔn)座標(biāo)軸上，不會(huì)出現(xiàn)線性位移和角度旋轉(zhuǎn)位移。

（2）調(diào)節(jié)型支吊架，用于無(wú)需豎直方向移動(dòng)但是需要控制施工現(xiàn)場(chǎng)存在安裝誤差的地方。

（3）限位型支架，用在限制特定方位產(chǎn)生移動(dòng)的地方。

（4）導(dǎo)向管卡型支吊架，主要結(jié)構(gòu)為U型螺栓，用于管線可以延基準(zhǔn)軸方向平穩(wěn)移動(dòng)的地方。

（5）管鞋，它是一種生長(zhǎng)在支撐類(lèi)鋼梁結(jié)構(gòu)上的金屬物，主要用于減少管系間的熱能量流失和控制摩擦效應(yīng)。

（6）彈簧型支架，主要用于支撐點(diǎn)有垂直移動(dòng)需求的地方。

（7）閥門(mén)型支架，用于支撐閥門(mén)垂直方向的載荷重量，給閥門(mén)系統(tǒng)提供過(guò)載保護(hù)。

2 支吊架材料的選取

管道支吊架的材料選用時(shí)應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)性、合理性、通用性的原則，設(shè)計(jì)和制作時(shí)應(yīng)選擇通用格式化的型材和標(biāo)準(zhǔn)化材料，使其既滿(mǎn)足管道的運(yùn)行要求，又能與所支撐的管道材料相匹配。根據(jù)以往海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，在平臺(tái)上管道支吊架的鋼材用量約為管道所有總鋼材的10%-15%[2]。傳統(tǒng)海洋石油平臺(tái)管線支吊架、通風(fēng)風(fēng)道支架多采用無(wú)縫鋼管、T型鋼、H型鋼、角鋼、槽鋼、圓鋼、扁鋼等散鋼材料，需要在專(zhuān)門(mén)的預(yù)制場(chǎng)地，通過(guò)焊接的方式進(jìn)行預(yù)制和安裝，若施工現(xiàn)場(chǎng)在安裝過(guò)程中出現(xiàn)碰撞問(wèn)題，修改時(shí)需要重新切割后在進(jìn)行焊接，返工時(shí)間較長(zhǎng)，此外還需要對(duì)橫擔(dān)梁進(jìn)行專(zhuān)業(yè)沖孔，因此預(yù)制流程較多，工作量大，耗費(fèi)大量的物資成本和人力成本。

為了解決以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)降本增效，在渤海油田蓬萊平臺(tái)項(xiàng)目中優(yōu)先選用新型組合式支吊架，它主要由三部分組成，一是預(yù)先埋置件，二是新型支吊架（包括八孔角和多孔連接型鋼件、八孔角和多孔型式鋼件），三是連接用的定制螺栓。其中預(yù)先埋置件需要與結(jié)構(gòu)梁焊接，預(yù)先埋置件與新型支吊架，新型支架與新型支架之間采用螺栓連接，具體形式如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 預(yù)先埋置件與結(jié)構(gòu)梁焊接

圖2 預(yù)先埋置件與支架螺栓連接

圖3 定制螺栓相互連接

3 新型支吊架結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算和變量分析

新型支吊架通過(guò)建立PDMS三維模型并輔助ANSYS 10.0軟件對(duì)其進(jìn)行形態(tài)變量和撓性應(yīng)力分析的計(jì)算，支架材料各結(jié)合點(diǎn)處采用定制螺栓進(jìn)行固定，載重量725kg作為總載荷量分布于結(jié)構(gòu)梁體上，通過(guò)FEM計(jì)算模型，利用模型中的結(jié)構(gòu)梁、柱狀元素等創(chuàng)建三維方向變量，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，精確計(jì)算出彈性模量數(shù)值。

支吊架型材密度大小為8.25×10-8t/mm3，泊松比例分布系數(shù)為0.32，屈服強(qiáng)度為245MPa，彈性數(shù)量值為215GPa，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬分析和角度邊界靜態(tài)計(jì)算得出，新型支吊架材料最大應(yīng)力值為100MPa＜245×0.6=147MPa，小于限定材料的允許應(yīng)力：147MPa，連接處螺栓的最大應(yīng)力數(shù)值為215GPa＜320×0.6=256MPa，小于限定材料的允許應(yīng)力：256MPa，考慮到幾何非線性因素，支吊架的強(qiáng)度足夠滿(mǎn)足要求。支架材料主體最大偏移數(shù)值為1.12mm，結(jié)構(gòu)角撓度在垂直方位上的最大位置移動(dòng)數(shù)值為0.85mm，因此新型支吊架完全能夠承受管道外部載荷力量和管道彎曲處的附加載荷力量，符合穩(wěn)固各類(lèi)系統(tǒng)管線的要求。模擬分析詳見(jiàn)圖4、圖5、圖6所示。

圖4 FEM計(jì)算模型

圖5 彈性載荷模型

圖6 螺栓應(yīng)力計(jì)算

4 創(chuàng)新與優(yōu)勢(shì)分析

（1）新型支吊架采用八孔角和多孔連接型鋼件、八孔角和多孔型式鋼件等新型金屬元件，質(zhì)量穩(wěn)定，重量適宜，所用材料均由定制螺栓連接而成，工藝新穎，造價(jià)低廉，減少了大量的焊接作業(yè)，施工程序方便快捷，綠色環(huán)保、無(wú)污染，安全性能良好。

（2）新型支吊架不僅可以用來(lái)支撐配管專(zhuān)業(yè)各系統(tǒng)管線，也可以用來(lái)支撐電纜托架，管線用支吊架可以與電氣儀表專(zhuān)業(yè)、暖通專(zhuān)業(yè)所用的橋架相互支撐，且互為根系著力點(diǎn)，形成多專(zhuān)業(yè)組合型通用支吊架，搭配靈活度高。新型支吊架的有效使用，減少了現(xiàn)場(chǎng)的后續(xù)修改和對(duì)防腐涂層的破壞。

（3）新型支架通用性強(qiáng)，安裝調(diào)試方便，所需材料單一，縮短了采辦周期，減少了采辦工作量，材料易于運(yùn)輸，縮短了項(xiàng)目的總體周期，減少了現(xiàn)場(chǎng)修改的人工時(shí)，降低了施工強(qiáng)度與難度，減少了各類(lèi)工序，提高了施工質(zhì)量和施工效率。

（4）新型支吊架應(yīng)用在渤海油田蓬萊平臺(tái)項(xiàng)目中累計(jì)節(jié)約焊接、檢驗(yàn)、輔助、防腐、油漆等工種的人工日共計(jì)272個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)施工效率累計(jì)提升至4倍及以上，節(jié)省建造管道所用總散鋼材料的15%左右，節(jié)約直接經(jīng)濟(jì)成本高達(dá)150萬(wàn)元以上。

5 項(xiàng)目應(yīng)用展示

在PDMS模型或PMS模型中選擇元件庫(kù)中的預(yù)先埋置件、八孔角和多孔連接型鋼件、八孔角和多孔型式鋼件等組合成管路支吊架系統(tǒng)，利用專(zhuān)業(yè)軟件按照不同的專(zhuān)業(yè)，劃分好各個(gè)系統(tǒng)，抽取出新型支吊架布置圖和詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙，提交給現(xiàn)場(chǎng)施工人員使用。

現(xiàn)場(chǎng)施工人員根據(jù)支架圖紙將事先準(zhǔn)備好的預(yù)先埋置件焊接在結(jié)構(gòu)物體上，根據(jù)新型支架詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙，在現(xiàn)場(chǎng)切割長(zhǎng)度適宜的八孔角和多孔連接型鋼件、八孔角和多孔型式鋼件，讓螺栓與預(yù)埋件相連，固定組合，最后對(duì)表面的切割位置進(jìn)行防腐蝕處理，完成對(duì)新型支吊架材料的組合安裝工作。

圖7 新型支吊架在渤海石油蓬萊平臺(tái)項(xiàng)目上的應(yīng)用

6 結(jié)束語(yǔ)

新型支吊架不僅可以滿(mǎn)足多專(zhuān)業(yè)共架、相互支撐的要求，還可以隨甲板預(yù)制片一起，整體進(jìn)行噴砂噴漆等作業(yè)，更有利于平臺(tái)組塊一體化建造方案的有效實(shí)施。該項(xiàng)新工藝施工流程簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制便捷，安裝和調(diào)整方便，將以往常規(guī)的焊接模式改為螺栓連接形式，極大地壓縮了焊接工作量，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的工作強(qiáng)度，進(jìn)一步節(jié)省了大量支吊架預(yù)制人工成本和施工修改的人工時(shí)。

此外，新型支吊架應(yīng)用起來(lái)安全可靠，組裝、拆裝靈活度高，性能穩(wěn)定。它不僅可以提高施工效率，優(yōu)化各專(zhuān)業(yè)施工流程，還可以降低海洋石油平臺(tái)的總體投資成本，可廣泛應(yīng)用在海洋石油平臺(tái)中的各類(lèi)管道、通風(fēng)管道、電纜橋架中，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和借鑒推廣價(jià)值。

◆參考文獻(xiàn)

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