TLP船體系統管道設計綜述

杜國強， 張 濤， 陳 靜

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

TLP船體系統管道設計綜述

杜國強， 張 濤， 陳 靜

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

張力腿平臺(TLP)作為主要的深水油氣平臺形式之一，近年來得到了廣泛的應用。船體系統作為實現調節TLP張力功能的設施，對TLP的穩定運行起著重要的作用。結合TLP的設計標準規范及流花TLP FEED項目的設計工作，介紹了TLP下浮體船體系統管道的設計原則、設計基礎、布置要點及各個系統的布置要求，并對船體的壓排載系統方案做了詳細介紹，對掃艙系統、透氣測深等其余系統方案做了簡單介紹，可為TLP船體系統管道設計提供一定借鑒和參考。

張力腿平臺；船體系統；管道；壓載

0 引 言

隨著海洋資源開發逐漸向深海領域挺進，傳統的固定導管架平臺已不再適用于深海油氣田開發。近年來，國內外的石油公司紛紛采用半潛式鉆井平臺、圓柱型平臺、張力腿平臺(TLP)等新式的深海油氣資源開發工具[1]。其中，在各個深海采油設施中，TLP平臺的概念于20世紀80年代提出，并在此后近30年的平臺設計中得到了廣泛的發展應用[2]。從1984年康菲公司建立起世界上第一座TLP平臺至今，已有30座TLP平臺投產或正在建造安裝中。船體系統作為實現調節TLP張力功能的設施，對TLP的穩定運行起著重要的作用。本文詳細介紹了TLP下浮體船體系統管道的設計原則、設計基礎、布置要點及各個系統的布置要求，并探討了船體的壓排載系統方案。

1 TLP平臺設計原理及主要構成

TLP平臺主要由上部組塊、船體、張力腿等設施構成。圖1為TLP的主要構成部分。

目前TLP有多種形式，但不論哪種形式，其設計原理基本相同。TLP為半柔半剛的浮式結構平臺，它通過自身的結構形式，產生遠大于結構自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分就稱為剩余浮力，這部分剩余浮力與預張力平衡。平臺在位狀態下，當上部設計的載荷發生較大變化時，需要船體的壓載系統進行調節，使張力腿的張力始終保持在一定范圍之內，因此調節張力的船體壓載系統及其他輔助系統的原理設計和管道設計顯得尤為重要。

圖1 TLP主要構成Fig.1 Essential facilities of TLP

2 船體系統管道設計原則及設計基礎

2.1 設計原則

TLP船體系統管道設計指在艙室、設備、設施間進行整套系統的管道布置設計。所有TLP船體系統管道在設計、預制、安裝及試壓等方面應遵循ABS Rules for Building and Classing MODU 4-2/Pumps and Piping Systems和ASME B31.1 Power Piping中的要求；所有管線、管件、法蘭及閥門等管道材料要求應依據項目的“船體系統管道材料規格書”確定。在上述基礎上，還應遵循以下設計要求及原則。

2.1.1符合船體系統原理圖要求

輪機專業提供的船體系統原理圖(P&ID)明確表示了管道連接流向，物流的引出或匯入點及其特殊要求，并指定了閥門、法蘭、儀表元件等的位置，管道材料選用級別的分界點等。管道設計時應嚴格執行并滿足P&ID中提出的功能要求。

2.1.2統籌規劃

設計時應首先進行統籌規劃，做到安全、經濟，便于建造施工、海上操作和維修。應優先考慮大直徑等特殊管道的布置。同時管道布置應盡量緊湊、整齊有序、成組成排、便于支撐，以最大程度地減小管道占用空間、重量及項目成本。另外，為便于管道及閥門等操作、維修及拆卸，需要在TLP立柱的中央阱內設置一些門或人孔。

統籌規劃時管道盡量“步步高”或“步步低”，不出現或少出現氣袋和液袋。不可避免時，應于高點設排氣閥，低點設排液閥。高點排氣口管徑不小于1/2英寸(1英寸≈2.54cm)，低點排液口管徑不小于3/4英寸。

2.1.3不妨礙設備的操作與維修

在布置船體內管道前，對有關設備(主要為泵)的操作維修特點應有足夠的了解，以便留出足夠的空間。停工大檢修時，泵類設備需要整體移出泵房進行檢驗維修，因此管道布置時應留出足夠的檢修吊裝區域和空間。

2.1.4管道柔性足夠

盡量利用管道的自然走向吸收熱脹自行補償。當管道走向較長并承受脹縮或其他應力導致無法吸收熱脹自行補償時，長距離水平向管道建議考慮增加膨脹節，長距離豎直向管道建議考慮增加“П”形膨脹彎以進行熱補償。油管和消防水管的膨脹補償裝置和法蘭墊片應由不燃材料制成。

2.1.5管道穿艙

通常，管道穿艙時，應滿足如下要求：(1)管線穿艙處，所有水密艙壁應采用焊接處理，以保證其水密性；(2)穿艙處的焊接工藝應遵循船體結構的要求；(3)管線穿艙時，須避免在船體結構強應力區進行開孔，如DECK POST區域周圍，其他區域開孔應遵循船體結構的規定和補強措施等要求；(4)貨油管不應穿過壓載艙，如不可避免，則采用加厚管及焊接接頭；(5)應避免燃油艙柜的空氣管、溢流管和測量管通過居住艙室，如有困難，則通過該類艙室的管子不得有可拆接頭；(6)淡水管應避免通過油艙，油管也應避免通過淡水艙，如不可避免，應在油密隧道或套管內通過；(7)其他管子通過燃油艙時，管壁應加厚，且不得有可拆接頭。

穿艙件與艙壁或甲板等連接有可拆式和不可拆式(將穿艙件焊在甲板或隔壁上)兩種形式。根據工作介質的參數和管子公稱通徑的大小及施工情況，按穿艙件的結構可分為焊接座板通艙管件、螺紋通艙管件、承插式焊接通艙管件、法蘭通艙管件等類型。目前流花TLP采用的是不可拆式法蘭穿艙件。

法蘭穿艙件是由標準的鋼法蘭與一段鋼管焊接而成的，同時，附加了一塊焊接襯板。法蘭穿艙件一般都是鋼結構制品，但是，當海水系統的管路采用銅管時，鋼結構的法蘭穿艙件的內壁需要復合一層銅襯套或其他抗海水腐蝕材料(如PE襯套)，使它的抗海水腐蝕的能力與管路相同，提高法蘭穿艙件的使用壽命。

2.1.6管道支撐

盡量利用船體主結構、附屬結構(如梯子、支撐平臺等)及設備支撐管道，并且盡可能將船體內的管道系統、通風系統、電纜托架系統等統一進行支撐。應根據不同的需要選用具有不同功能的支吊架和支撐部件，支吊架所生根的結構應能承受支吊架所施加的荷載，還應考慮生根點產生位移對管道的影響。支吊架的布置應做到檢修時不致因拆除部分管道后使其余管道處于無支撐狀態。

2.1.7船體管道布置其他要求

(1) TLP平臺立柱內存在大量長豎直立管，對此管道設計時應考慮潛在水錘的影響[3]。

(2) TLP為浮式平臺，船體結構由于受外界環境力會產生擠壓、彎曲等變形，對此管道設計時應充分考慮管道與結構之前的相對位移，確保結構變形后不會碰撞管道[3]。

(3) 燃油管路應與其他管路隔離，燃油不得進入結構上不宜裝油的艙柜或進入用于裝載淡水的艙柜。燃油管路如確需與壓載管系連接，則管路間應設置盲通兩用法蘭或其他可靠的隔離裝置。

(4) 大管徑，特別是輸送液體的管道盡量靠近吊架立柱布置，以使吊架的梁承受較小的彎矩；小直徑的管道宜布置在管架的中央部位。

(5) 評定平臺的破損穩性時，有效水密艙壁之間的破損范圍假定為水平貫入1.5m，垂直范圍自底板向上無限制；處于該破損范圍內的管路、通風系統、圍壁通道等，應假定均遭破損，在水密界限處應設有可靠的關閉設施，以防止其他預定為完整的處所發生繼續浸水。

2.2 設計基礎

2.2.1船體主尺度圖及艙容圖

主尺度圖主要反映TLP平臺立柱尺寸、立柱間距、浮箱位置、浮箱尺寸、船體分艙情況、吃水高度、張力腿位置、DECK POST位置等關鍵數據；艙容圖主要反映艙室的位置、容積及用途等信息。

2.2.2船體總布置圖

該圖紙在船體主尺度圖的基礎上完成，主要反映船體頂部設備設施、艙口、通風口、通道等布置，立柱內中央阱、機械處所、泵房內的設備設施等布置，立柱周圍設備及管線護管等布置。

2.2.3船體系統設計基礎及原理圖

TLP船體系統設計基礎主要提供了項目背景、設計標準及船體系統方案說明。系統原理圖(P&ID)主要體現系統設計方案及功能要求，反映主要設備部件和管道連接流向，在這些圖上應標明流量、壓力和溫度。該圖應繪出儀表和所有控制裝置，注明所有設備和閥門，并給出管道尺寸、數量、管材及每條管道內流體的流動方向。

2.2.4管道表和設備表

管道表中列有管道編號、輸送介質、起止點、管徑、操作溫度和壓力、設計溫度和壓力、材料選用等級等信息；設備表中列出平臺上所有設備的操作和設計條件、規格等，泵的型號、規格、驅動方式、數量等。

3 船體系統管道設計方案

以流花TLP項目為例，船體系統中，與管道設計相關的系統主要為壓排載系統、艙底掃艙系統、透氣測深系統、淡水飲用水系統、柴油系統、船體公用系統等，其中壓排載系統為TLP船體的主要及特有系統，體現了TLP的特點。本節重點介紹該系統方案，其余系統方案作簡單介紹。

3.1 壓排載系統管道設計

該系統主要由永久壓載水注入管路、臨時壓載水注入管路、壓排載主環、永久壓載艙壓排載管路、臨時壓載艙壓排載管路、壓載水排海管路等組成。其中，永久壓載管路的壓載注入水來自上部組塊的海水提升泵，臨時壓載管路的壓載注入水來自上部組塊的柴油消防泵和消防主環。壓排載系統原理如圖2所示。

根據標準規范和系統原理的要求，該系統管道布置方案介紹如下。

(1) 壓載水注入管路由上部組塊接入，布置于TLP一個立柱的中央阱內；壓載水注入管線為長50～60m的豎直管路，考慮到水錘影響及管道的熱補償，須在豎直管路兩固定點之間的中部區域布置П形膨脹彎。

(2) 壓載主環布置在船體立柱底部及方形浮箱內，各立柱內的壓載主管布置在對應的立柱內，與壓載主環相連通；壓載主環在各立柱之間的管段為較長距離水平管段，考慮到熱補償，每段長距離水平管段設置2個以上的膨脹節。

(3) 永久壓載艙和臨時壓載艙的壓載支管與其所在立柱內的壓載主管連接，上述管線既用于壓載也用于排載；壓載支管端部設有吸口，吸口下方為防侵蝕板，規定的典型做法為：吸口下邊緣距壓載艙底部60mm，防侵蝕板厚13mm。

(4) 壓載水排海主要由船體設置的4臺永久排載泵和8臺臨時排載泵實現，排載泵均為帶自吸裝置的立式離心泵；泵入口與各立柱內的壓載主管相連接，泵出口與排海管線相連接，排海管線自下而上從中央阱內穿出，沿立柱外側排海；其中，中央阱內排海管段為長距離豎直管路，須在豎直管路兩固定點之間的中部區域布置П形膨脹彎。如排海口設計時穿過船底，則需要增加加強板。流花項目不采用穿過艙底的設計。

管道布置方案示意圖如圖3所示。

圖3 壓排載系統管道設計Fig.3 Piping design for ballast and deballast system

3.2 艙底掃艙系統管道設計

在對TLP的日常維護過程中，需要人員定期對船體內各艙室進行檢查。人員在進入永久壓載艙、柴油艙、淡水艙、飲用水艙之前，應預先清除艙內殘液。另外，TLP安裝完畢后，需排凈臨時壓載艙中的殘留壓載水，使之成為空艙。能實現上述功能的系統稱為掃艙系統。對于TLP船體內的機器處所、管隧和空艙，均應設置可抽除其內積水的艙底系統。

該系統管道設計方案如下。

(1) 危險區域(柴油艙區域)的艙底水管系與非危險區域的艙底水管系獨立設計。

(2) 艙底水管系與上部組塊相連接部分，設置了帶止回功能的閥門避免氣、液回流至艙底系統，安裝于艙底管開口端的閥門具有止回功能。

(3) 除應急吸管外，機器處所的艙底水支吸管均設置了泥箱，除機器處所外的其他艙室艙底水吸入管的開口端封閉在濾網箱內；艙底掃艙系統的管道吸口下邊緣距壓載艙底部40mm，防侵蝕板厚13mm。

3.3 透氣測深系統管道設計

除無固定放泄的較小艙室外，所有液艙、隔離艙、空艙、管隧和未安裝其他通風設施的艙室均應設置透氣管，以防止由于艙柜超壓或負壓而引起損壞。TLP下浮體內所有液艙、空艙、管隧均設置了測深管，以探知液艙儲量和空艙、管隧是否漏入液體；為避免管路的重復布置，允許經由透氣管進行測深。

根據標準規范及系統原理的要求，該系統管道設計方案如下。

(1) 所有延伸至船殼的艙室的透氣管引至干舷甲板以上，壓載艙的透氣管應引至露天地點；對終止于露天地點的透氣管采取防止雨水及海水進入的措施，在透氣管的出口端設置自動關閉裝置。透氣管露出開敞甲板的高度，在干舷甲板上大于760mm。

(2) 柴油艙透氣管的出口端設耐腐蝕的金屬防火網；淡水艙等對儲存液清潔度要求高的艙柜透氣管的出口端設防蟲網。

(3) 為滿足規范要求，淡水艙透氣管內徑大于38mm，壓載水艙透氣管內徑均大于51mm[4]。

(4) 柴油艙透氣管端部設有呼吸閥，其周圍被定義為危險區域，船體開口(梯口、艙口、透氣口、通風口等)距離該閥門最少3m，但由于TLP船體空間無法滿足該要求，所以將柴油艙透氣管的呼吸閥布置于上部組塊上。

3.4 其他船體系統

流花TLP項目將淡水、飲用水、柴油存儲于船體，以此降低TLP的重心，增加TLP的穩性。

淡水飲用水艙與泵連接的管線盡可能靠近船艙底部，淡水飲用水泵出口設置了循環管線，正常情況下該管線關閉。

柴油艙出口管線盡可能靠近艙室底部，在柴油艙旁設置兩臺泵用以將柴油艙內柴油抽送到上部組塊。柴油泵出口管線設有分支管線，可實現兩個柴油艙內柴油的倒換。柴油艙設有管線分支，用以接收來自上部組塊柴油艙的溢流或回流柴油。每個柴油艙設置一個呼吸閥(PVRV)，以防止柴油艙超壓和真空。

其余船體公用系統主要包括儀表氣、公用氣、淡水、消防等系統。TLP下部船體和上部組塊可共享公用系統，公用設備部分置于上部組塊，船體只設置公用站及接口。消防系統布置時在機械處所、泵艙及中央阱內等區域布置了消防栓。

4 結 語

目前，陸上及淺海石油資源已日趨枯竭，深海石油開發已經成為石油工業的重要前沿陣地，而我國南海蘊藏著豐富的油氣資源，其中深水區域占有相當大的比重。作為一種高效便捷的深水油氣田開發設施，TLP將會越來越多地應用于深海油氣開發。本文總結的TLP船體系統管道設計內容、設計要求及特點基于實際工程項目的實踐得出，對相關工程設計人員具有一定的借鑒及參考作用。

[1] 李玉成. 海洋工程技術進展與對發展我國海洋經濟的思考[J]. 大連理工大學學報，2002，42(1)：1.

[2] 王忠暢，高靜坤，謝彬，等. 張力腿平臺總體尺度規劃研究 [J]. 中國海上油氣，2007，19(3)：200.

[3] American Petroleum Institute. API RP2T. Recommended practice for planning, designing and constructing tension leg platforms [S].2010.

[4] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units [S].2012.

SummaryaboutPipingDesignofMarineSystemforTLP

DU Guo-qiang, ZHANG Tao, CHEN Jing

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

As one of the main oil and gas platforms in deep water, tension leg platform (TLP) has been widely applied in recent years. Marine system is very important for the stability of TLP by adjusting the tension. Based on the design standards and Liuhua TLP FEED project design work, we review the piping design principles, and basis, layout requirements of marine system for TLP, and introduce the hull piping design practice for ballast/deballast, bilge/stripping, vent/sounding system, etc. This research can provide some reference for TLP hull piping system design.

tension leg platform (TLP); marine system; piping; ballast

2016-08-05

杜國強(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油工程總體配管方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)04-0207-05