姚宇婷

（森松（江蘇）重工有限公司，上海 201323）

海洋石油平臺(tái)是集油氣處理、人員生活等多功能于一體的海上油氣綜合開發(fā)處理中心。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)還面臨著較多難點(diǎn)，特別是海洋石油平臺(tái)上部組塊管道應(yīng)力分析仍面臨著較多挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有專門針對(duì)海洋石油平臺(tái)上部組塊注水泵及其連接管線的專門研究。

本文基于CAESAR Ⅱ軟件，以ASME B31.3為計(jì)算評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，研究了上部組塊注水泵及其連接管線工藝流程、應(yīng)力分析原則與計(jì)算思路，完成注水泵及連接管道柔性設(shè)計(jì)，調(diào)整了管道支架型式，滿足了管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。管道應(yīng)力比及泵設(shè)備口、設(shè)備管口荷載滿足設(shè)計(jì)要求，并成功實(shí)施應(yīng)用于渤海某項(xiàng)目中。

1 相關(guān)工藝流程

1.1 工藝流程

海洋石油平臺(tái)上部組塊的注水泵部分工藝流程主要包括：介質(zhì)從膜式進(jìn)水緩沖罐流出，進(jìn)入主管后分為3路，先進(jìn)入過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾進(jìn)入注水泵，從注水泵出來(lái)匯入主管線，通過(guò)主管線再分解進(jìn)入下一工藝流程。

在本案例中，前后匯管均設(shè)計(jì)為10英寸，注水泵前管線為10英寸，出口管線為6英寸，3組泵為兩用一備（第3組為常閉工況），工藝流程如圖1所示。

圖1 注水泵及管道工藝流程圖

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上述工藝流程，梳理出海洋石油平臺(tái)上部組塊注水泵及管道涉及到的設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)以及地震加速度，見表1和表2。

表1 環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 地震加速度g

2 管道應(yīng)力分析

2.1 管道應(yīng)力分析原則

管道應(yīng)力分析主要包括對(duì)管道所受一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力進(jìn)行分析評(píng)估。一次應(yīng)力是指在重力、壓力或其他外載作用下所受應(yīng)力，二次應(yīng)力是指由于管道所受熱脹冷縮或附加荷載后產(chǎn)生的應(yīng)力，偶然應(yīng)力則需要考慮如風(fēng)載、安全閥卸放等對(duì)管道的影響，因此，偶然應(yīng)力也需要評(píng)估。通過(guò)對(duì)管道的應(yīng)力分析評(píng)估，應(yīng)有效降低管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和偶然應(yīng)力，降低泵口或設(shè)備管口荷載，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，保證管道系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-5]。

2.2 管道應(yīng)力設(shè)計(jì)思路

（1）應(yīng)校核模型整體應(yīng)力比，應(yīng)力宜不超過(guò)80%，超過(guò)80%應(yīng)具體分析原因后調(diào)整。泵口、管口載荷應(yīng)滿足規(guī)范及廠家要求，其中，泵口載荷可以按照API610的2倍校核、設(shè)備管口應(yīng)滿足設(shè)備廠家提供的許用荷載值[6-10]。在滿足管道應(yīng)力比的前提下，對(duì)管道支架位置及支架型式進(jìn)行調(diào)整，如導(dǎo)向支架、止推支架等。對(duì)于敏感設(shè)備可以降低摩擦系數(shù)，鋼與鋼之間摩擦系數(shù)為0.3，鋼與PTFE板之間摩擦系數(shù)為0.1，通過(guò)降低摩擦系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)降低管口荷載的目的。

（2）對(duì)于泵及連接管線的最低頻率應(yīng)滿足4Hz及以上。滿足4Hz以上需要增加一定的支架，但是往往管線支架少，管口受力就能降低，應(yīng)在滿足跨距的基礎(chǔ)上，滿足頻率要求。

通通過(guò)彈簧支架可以降低豎直方向的支架荷載值，可適當(dāng)設(shè)置，不宜使用膨脹節(jié)吸收管口荷載。

3 案例應(yīng)用分析

3.1 建立模型

根據(jù)工藝PID（流程圖）、管道ISO（安裝小票圖）、三維模型對(duì)應(yīng)建立管道應(yīng)力分析模型，如圖2～圖4所示。

圖2 注水系統(tǒng)應(yīng)力分析計(jì)算模型

圖4 泵應(yīng)力分析模擬模型

3.2 應(yīng)力比分析

加載應(yīng)力分析工況，輸入不同工況下的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)海洋石油平臺(tái)上部組塊的注水泵及連接管道進(jìn)行計(jì)算分析，應(yīng)力比結(jié)果見表3。通過(guò)對(duì)比結(jié)果，一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和偶然應(yīng)力校核均通過(guò)，最大一次應(yīng)力和偶然應(yīng)力均出現(xiàn)在6930節(jié)點(diǎn)，一次應(yīng)力應(yīng)力比為31%，偶然應(yīng)力應(yīng)力比為33.7%；二次應(yīng)力應(yīng)力比出現(xiàn)在7230及3930節(jié)點(diǎn)，最大二次應(yīng)力應(yīng)力比為16.0%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 工況應(yīng)力比

圖3 濾器應(yīng)力分析模擬模型

3.3 設(shè)備管口荷載分析

在應(yīng)力比滿足要求的前提下，對(duì)設(shè)備管口進(jìn)行校核，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)備管口荷載超過(guò)許用值，見圖5和圖6中紅色圓圈標(biāo)記處。設(shè)備管口載荷見表4。

表4 設(shè)備管口載荷

原因分析：設(shè)備管口按照固定方式模擬，見圖5和圖6中紅色圓圈標(biāo)記處。管道熱漲時(shí)從固定點(diǎn)向底部下方熱漲，直到遇到下方支架后受力返回，因此豎直方向上受力增大，受力狀態(tài)如圖5和圖6所示。

圖5 設(shè)備管口荷載模型

圖6 設(shè)備管口荷載分析模型

解決辦法：通過(guò)刪掉該支架，豎直向受力下降，但是同時(shí)要考慮撓度的因素。因此考慮將該支架向遠(yuǎn)離設(shè)備管口方向移動(dòng)，這樣既能保證管線撓度，也能降低管口載荷。按以上思路調(diào)整后，滿足設(shè)備管口荷載受力要求，校核通過(guò)，調(diào)整后設(shè)備管口載荷見表5。

表5 調(diào)整后設(shè)備管口載荷

3.4 過(guò)濾器管口荷載分析

對(duì)過(guò)濾器口荷載進(jìn)行校核分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算，過(guò)濾器管口荷載超過(guò)許用值。過(guò)濾器管口載荷見表6。

表6 過(guò)濾器管口載荷

通過(guò)在設(shè)計(jì)溫度下管道的熱漲變形可知，泵及過(guò)濾器均由固定點(diǎn)處向上熱膨脹，然而過(guò)濾器變形趨勢(shì)較泵明顯，如圖7所示。

圖7 過(guò)濾器管口變形趨勢(shì)（設(shè)計(jì)溫度）

模擬過(guò)程中，由于過(guò)濾器的高度與泵口底座高度存在高度差（約445mm），導(dǎo)致泵與過(guò)濾器熱脹不同步，過(guò)濾器比泵口多脹了約0.2mm，由此導(dǎo)致受力增大。因此，需要調(diào)整過(guò)濾器底座高度，使其與泵口底座高度一致，保持同步熱脹，調(diào)整后受力滿足要求。調(diào)整后過(guò)濾器管口載荷見表7。

表7 調(diào)整后過(guò)濾器管口載荷

3.5 泵口荷載分析

對(duì)泵口進(jìn)行校核，經(jīng)過(guò)計(jì)算，泵口荷載超過(guò)許用值，泵口載荷見表8。其中由于過(guò)濾器與泵存在高度差，不僅對(duì)濾器管口荷載產(chǎn)生影響，對(duì)泵口荷載同樣產(chǎn)生影響。同時(shí)，濾器底座支撐摩擦系數(shù)及泵出口相連接管道支架摩擦系數(shù)也對(duì)泵口荷載產(chǎn)生影響，如圖8所示。

表8 泵口載荷

圖8 泵設(shè)備模型

通通過(guò)調(diào)整濾器高度、調(diào)整泵進(jìn)出口支架型式及摩擦系數(shù)，增加PTFE板，使得泵進(jìn)出口荷載滿足標(biāo)注要求，泵口受力見表9。

表9 調(diào)整后泵口載荷

經(jīng)過(guò)上述分析后，還應(yīng)考慮第三組C泵為備用泵常閉工況。同時(shí)也應(yīng)分別考慮A泵、B泵互為備用泵情況，校核應(yīng)力比、管口載荷、泵口載荷。經(jīng)過(guò)模擬分析，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.6 頻率分析

最后，需要核算管道系統(tǒng)的固有頻率是否滿足要求，注水泵及直接連接管道部分，一般要求其系統(tǒng)固有頻率應(yīng)滿足大于等于4Hz，以避免可能產(chǎn)生的振動(dòng)事故。計(jì)算后注水泵及連接管道系統(tǒng)頻率見表10，結(jié)果滿足要求。

表10 注水泵頻率校核

3.7 結(jié)論

在海洋石油平臺(tái)上部組塊管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議首先考慮采用管道自然補(bǔ)償方式來(lái)滿足管道應(yīng)力比的需求，但往往上部組塊空間狹窄、受限，管道多，儀表、托架、結(jié)構(gòu)梁多，增加了調(diào)整的難度。

通過(guò)調(diào)整管道的走向、增加管道柔性來(lái)降低管道應(yīng)力比，以及泵口、管口載荷，滿足管口的受力、力矩要求。同時(shí)也可以考慮調(diào)整管道支吊架型式與位置，在距離泵設(shè)備口附件支架增設(shè)PTFE板的型式，以此降低管支架摩擦力，從而在保證管道應(yīng)力比的同時(shí)降低管口荷載，使其在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范許用的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本本文對(duì)海洋石油平臺(tái)上部組塊注水泵及其連接管線的設(shè)計(jì)及管道應(yīng)力分析相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究，滿足了管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，應(yīng)力比及泵設(shè)備口、過(guò)濾器設(shè)備管口荷載均滿足設(shè)計(jì)要求，并成功實(shí)施應(yīng)用于渤海某項(xiàng)目中，為今后海洋石油平臺(tái)上部組塊管道設(shè)計(jì)，特別是注水泵管道設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)自主研究，掌握了海洋石油平臺(tái)上部組塊注水泵及其連接管線管道應(yīng)力分析技術(shù)，有效降低了外委設(shè)計(jì)成本，為我國(guó)海洋石油平臺(tái)管道設(shè)計(jì)奠定了重要基礎(chǔ)。