自適應(yīng)海底管線膨脹位移的管道終端設(shè)計(jì)及計(jì)算

郭 磊，段夢(mèng)蘭，李婷婷，程光明

（中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249） ①

·設(shè)計(jì)計(jì)算·

自適應(yīng)海底管線膨脹位移的管道終端設(shè)計(jì)及計(jì)算

郭 磊，段夢(mèng)蘭，李婷婷，程光明

（中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249）①

為滿(mǎn)足我國(guó)深水油氣田開(kāi)發(fā)的需求，設(shè)計(jì)了一種全新的管道終端（PLET）。該P(yáng)LET具有1套快速自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)，最大滑移距離為1.5m，能夠自適應(yīng)海底管道的線膨脹位移。滑移機(jī)構(gòu)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(dòng)對(duì)該P(yáng)LET其他結(jié)構(gòu)造成破壞。此外，該P(yáng)LET還有1個(gè)力轉(zhuǎn)移座，在PLET的第2端安裝時(shí)，為分散設(shè)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(jī)構(gòu)，膨脹位移

我國(guó)已經(jīng)在南海開(kāi)發(fā)超過(guò)1 500m水深的油氣田，這標(biāo)志著我國(guó)的海洋油氣開(kāi)發(fā)邁向了深水和超深水。深水和淺水的海洋油氣開(kāi)發(fā)模式有著質(zhì)的區(qū)別，淺水油氣田主要采用導(dǎo)管架平臺(tái)等固定式的開(kāi)采裝備，而深水油氣開(kāi)采是以水下生產(chǎn)系統(tǒng)集輸?shù)胶Ｉ细∈絻?chǔ)油系統(tǒng)或直接集輸?shù)胶０秲?chǔ)備系統(tǒng)為主的形式。水下生產(chǎn)系統(tǒng)包含采油樹(shù)（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(shè)備。其中，PLET主要用于實(shí)現(xiàn)管道和管道之間以及管道和水下生產(chǎn)設(shè)施之間連接，例如水下采油樹(shù)、水下管匯、管匯終端等之間的連接。采油樹(shù)和管匯之間的距離如果過(guò)長(zhǎng)，將采用PLET進(jìn)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(jìn)行連接［1］。通常，1個(gè)典型的PLET主要由工藝彎管、主體結(jié)構(gòu)框架、防沉板、吊裝結(jié)構(gòu)等組成。典型的小PLET只有1個(gè)連接轂座，大型的PLET轂座數(shù)量可以達(dá)到2～4個(gè)或者更多［2～3］。

國(guó)外3 000m水深PLET的設(shè)計(jì)、制造和安裝技術(shù)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(jìn)行應(yīng)用［4］。國(guó)內(nèi)對(duì)于深水PLET的相關(guān)研究還處于起始階段，故很有必要開(kāi)展適合我國(guó)深水油氣田開(kāi)發(fā)的水下生產(chǎn)裝備的研究。

1 深水油氣PLET的設(shè)計(jì)

1.1 功能和結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的PLET用于管匯和管道之間的連接，該P(yáng)LET帶有自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)，可以快速消除管道因高溫油氣突然引起的應(yīng)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(yīng)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(duì)于限定的突發(fā)膨脹量，其可以通過(guò)自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)瞬間自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)，避免了突發(fā)碰撞對(duì)PLET的結(jié)構(gòu)造成破壞。

2） 對(duì)于大于滑移機(jī)構(gòu)額定的滑移量，其可以通過(guò)防沉板與海床的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)調(diào)整。

設(shè)計(jì)的PLET主要結(jié)構(gòu)如圖1，自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)和集中力分散機(jī)構(gòu)是創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，其中自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)主要包括：滑動(dòng)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(dāng)海底管道受熱膨脹時(shí)，管道的變形量就會(huì)傳給工藝彎管，使工藝彎管與滑動(dòng)托架一起沿滑軌滑動(dòng)并調(diào)整位置。集中力分散機(jī)構(gòu)主要包括：力轉(zhuǎn)移臺(tái)和力轉(zhuǎn)移座結(jié)構(gòu)，力轉(zhuǎn)移座與主體框架焊接為一體。下放安裝PLET時(shí)，與工藝彎管水平段相連的海底管道載荷主要集中在力轉(zhuǎn)移臺(tái)上，然后傳到力轉(zhuǎn)移座上，最后分散到主體框架上，從而可以避免安裝PLET時(shí)海管著地點(diǎn)（TDP）到PLET之間1 700m段的載荷直接加到自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)上。

自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)可快速適應(yīng)海底管道瞬間產(chǎn)生的膨脹量，一定程度上預(yù)防了膨脹引起的沖擊和意外破壞等事故的發(fā)生。自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)由滑軌條和橋式滑動(dòng)托架組成，滑動(dòng)托架的滑筒內(nèi)側(cè)有卡牙，滑軌兩側(cè)帶有牙槽，保證滑動(dòng)托架只有1個(gè)自由度，相互嚙合而不會(huì)脫落。滑動(dòng)托架的托管槽與半圓滑筒連接的兩翼板相對(duì)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(jié)合45°方向的翼板，則保證了外載荷垂向經(jīng)過(guò)滑軌的軸線。自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)范圍一端由滑軌的端部擋塊控制，另一端由力轉(zhuǎn)移座控制，當(dāng)膨脹量超出滑軌滑動(dòng)范圍時(shí)，管道的張力通過(guò)擋塊帶動(dòng)PLET整體滑動(dòng)。力轉(zhuǎn)移臺(tái)為圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，其與工藝彎管焊接為一體，可以作為滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程動(dòng)擋塊和管道載荷轉(zhuǎn)移的起始端。力轉(zhuǎn)移座與主體框架以及主吊臂相焊接，其帶有與力轉(zhuǎn)移臺(tái)相匹配的凹槽，可以作為滑移機(jī)構(gòu)的行程定滑塊和管道載荷轉(zhuǎn)移的接觸端。

圖1 管道終端主要結(jié)構(gòu)

1.2 滑移量計(jì)算

已知設(shè)計(jì)參數(shù)：內(nèi)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(nèi)部流體密度ρcont＝300kg／m3；土壤內(nèi)部的摩擦因數(shù)μ＝0.4；海水的密度ρw＝1 025kg／m3；管線長(zhǎng)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(jì)算

管道總外徑為

內(nèi)徑為

截面面積為

鋼管內(nèi)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(zhǎng)度水中管的重力為

溫度變化引起的管線作用力為

內(nèi)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(shè)計(jì)

由計(jì)算知，35km海底管線的熱膨脹量為0.995 m。為了適應(yīng)管線的膨脹，并考慮安全余量，設(shè)計(jì)PLET的滑移機(jī)構(gòu)的最大滑移量為1.5m。

2 受力計(jì)算及強(qiáng)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(huì)形成不同的載荷作用力。本設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了3個(gè)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(jié)果和下放分析結(jié)果用來(lái)設(shè)計(jì)整體框架結(jié)構(gòu)、YOKE臂和吊耳，在位分析結(jié)果用來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)梁架和防沉板等。

2.1 吊裝力計(jì)算

吊裝過(guò)程是指在岸上完成PLET的裝配后，由吊機(jī)將PLET轉(zhuǎn)移到拖船上的過(guò)程。吊裝機(jī)構(gòu)由PLET上的4個(gè)吊耳、吊環(huán)以及鋼纜等構(gòu)成。吊裝過(guò)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(duì)PLET的各個(gè)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算校核，如圖2。

圖2 吊裝力計(jì)算結(jié)果

和圖2對(duì)應(yīng)的UC值如表1所示。計(jì)算結(jié)果顯示，端點(diǎn)標(biāo)號(hào)為5A－4U的梁?jiǎn)卧系膽?yīng)力值最大，且其UC值為0.05（這里的UC值為結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力值與給定材料的屈服強(qiáng)度的比值），遠(yuǎn)小于1，所以，吊裝過(guò)程中PLET的各結(jié)構(gòu)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(jì)算

下放安裝過(guò)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(guò)程。下放安裝時(shí)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。考慮到安裝船的運(yùn)動(dòng)以及海浪和流的作用力，這里選擇的動(dòng)載系數(shù)為2.0。下放過(guò)程中的各種載荷如表2所示，組合工況1和2分別為動(dòng)載和靜載時(shí)的總載荷，組合載荷計(jì)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(guò)程中的載荷

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

圖3 安裝過(guò)程動(dòng)載計(jì)算結(jié)果

由表2可知，代表動(dòng)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(dòng)載分析時(shí)能符合安全要求，其在靜載工況時(shí)也是安全可靠的，與圖3對(duì)應(yīng)計(jì)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(diǎn)編號(hào)為Y－12，梁代碼為M2的梁?jiǎn)卧稀Ｒ虼耍O(shè)計(jì)的PLET結(jié)構(gòu)在下放安裝時(shí)是安全可靠的。

表3 安裝分析校核的UC值

2.3 在位力計(jì)算

該P(yáng)LET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(duì)稱(chēng)性，這里只取0°、45°和90°時(shí)的波浪流載荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)3個(gè)不同方向的環(huán)境載荷有3個(gè)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(huì)比x軸方向的大，因此y軸方向的梁?jiǎn)卧a(chǎn)生的應(yīng)力也相對(duì)較大。所以，對(duì)應(yīng)于上表所示的組合載荷3（即是波浪流為90°時(shí)的環(huán)境載荷）為在位時(shí)的最危險(xiǎn)載荷，在位計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

表4 在位操作載荷情況

圖4 在位操作計(jì)算結(jié)果

對(duì)應(yīng)于圖4中的計(jì)算結(jié)果，抽取其中的應(yīng)力較大的梁?jiǎn)卧捌銾C值，整理后如表5所示，可見(jiàn)對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)編號(hào)為I－M，代碼為M2的梁?jiǎn)卧腢C值最大，且為0.11，但遠(yuǎn)小于1。因此，在位工況環(huán)境下，該P(yáng)LET是安全的，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

表5 在位計(jì)算校核的UC值

2.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

安裝時(shí)，該P(yáng)LET的主要受力部件為力轉(zhuǎn)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P(yáng)LET的框架主要為工字鋼梁架結(jié)構(gòu)，選用大號(hào)的工字鋼必定會(huì)造成材料的浪費(fèi)，但是集中載荷又勢(shì)必會(huì)對(duì)包括滑移機(jī)構(gòu)在內(nèi)的薄弱結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。因此，設(shè)計(jì)了1個(gè)力轉(zhuǎn)移座來(lái)分散集中載荷。力轉(zhuǎn)移座的材料預(yù)選用45號(hào)鋼，該材料的屈服極限為353MPa，強(qiáng)度極限為598MPa。這里采用Mises屈服條件進(jìn)行計(jì)算校核。工藝管和力轉(zhuǎn)移座的組合模型如圖5所示。

圖5 工藝管與力轉(zhuǎn)移座的關(guān)系

計(jì)算結(jié)果顯示，該力轉(zhuǎn)移座上的最大應(yīng)力值為311.6MPa（如圖6），結(jié)合選擇的45號(hào)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(hào)鋼作為該P(yáng)LET的材料，其強(qiáng)度會(huì)偏低。可以通過(guò)2種方式解決：①增加結(jié)構(gòu)的尺寸；②選用較高強(qiáng)度的材料。例如合金結(jié)構(gòu)鋼20Cr，其屈服極限為540MPa，極限強(qiáng)度為835 MPa。假設(shè)尺寸不變，選用20Cr，則安全系數(shù)ns＝，在1.2～2.5范圍內(nèi)，固選用20Cr可以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖6 力轉(zhuǎn)移座應(yīng)力

3 結(jié)論

1） 該P(yáng)LET是我國(guó)深水PLET研發(fā)的首次嘗試，其功能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均能滿(mǎn)足一定深度的水下油氣輸送的需要。

2） 該P(yáng)LET最重要的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)為自適應(yīng)滑移機(jī)構(gòu)，滑移機(jī)構(gòu)的滑移托架具有橋式結(jié)構(gòu)，其在支撐上部管線時(shí)起到了很好的載荷分散作用，不會(huì)對(duì)滑移機(jī)構(gòu)造成損傷。滑移機(jī)構(gòu)的有效滑移距離為1.5m，而管道的膨脹量為0.995m，該滑移機(jī)構(gòu)完全可以適應(yīng)瞬間0.995m的滑移，進(jìn)而保護(hù)了PLET的整體結(jié)構(gòu)不受沖擊載荷的影響。

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

［1］ 王瑩瑩，段夢(mèng)蘭，馮 瑋，等.西非深水油氣田典型開(kāi)發(fā)模式分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)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(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)“深水海底管道和立管工程技術(shù)”（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(shè)備的設(shè)計(jì)方法及理論等科研工作，E－mail：glopen＠126.com。