海洋工程管道支架布置與選型

羅江濤

【摘 要】海洋工程當(dāng)中的整體設(shè)施均為離岸作業(yè)系統(tǒng)，其中安全、環(huán)保等方面和陸地工程相其比較，有著一定的特殊性。管道系統(tǒng)是工程中最常規(guī)、最有效的流體輸送方式，但是僅僅因?yàn)槟骋粋€(gè)管道元部件的失效，都可能會(huì)引起無(wú)法想象的安全問(wèn)題，由此可見(jiàn)，管道設(shè)計(jì)水平的發(fā)展尤其重要。管道支架布置是海洋工程作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，但同時(shí)又是比較薄弱的環(huán)節(jié)，好的支架布置，需要工程師具備豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，與此同時(shí)需要在管道材料、管道柔性、管道力學(xué)等方面有一定的經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】海洋工程；管道支架；布置；選型

前言

管道作為海洋石油平臺(tái)的“血管”，其布置的經(jīng)濟(jì)性和安全性對(duì)于平臺(tái)的運(yùn)行是十分重要的。管道在布置時(shí)既要滿足平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)工藝流程的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮到機(jī)械設(shè)備、泵、管道附件的受力情況，確保管路能夠長(zhǎng)周期的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。通常衡量管道能否安全運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)是管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的大小。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)。當(dāng)某個(gè)海洋石油平臺(tái)的生產(chǎn)規(guī)模確定后，該平臺(tái)的管道管徑大小也就隨之確定了，不能夠任意改變。而通過(guò)設(shè)置管道支吊架可以調(diào)整管道內(nèi)應(yīng)力與承受外部載荷的大小。管道的支吊架不僅支撐管道自身的重量、管道內(nèi)流體的重量、管道外部電伴熱電源線以及保溫材料的重量，同時(shí)可以將管道內(nèi)流體傳遞來(lái)的壓力、管道外部載荷及溫度變形引起的彈性力傳遞到結(jié)構(gòu)梁柱上。因此，管道支架的設(shè)置直接決定著管道一次應(yīng)力的大小。管道二次應(yīng)力的大小同樣是衡量管道能否安全運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。管道變形受阻時(shí)會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生二次應(yīng)力，在管道上合理設(shè)置支吊架，不但能夠使管道適應(yīng)變形的需要，而且還可以根據(jù)平臺(tái)運(yùn)行的要求，限制管道某個(gè)方向的位移，以控制管道的二次應(yīng)力。同時(shí)管道的支吊架對(duì)改善管線的振動(dòng)，防止管道和支架因振動(dòng)引起疲勞損壞起著重要的作用。目前，在海洋平臺(tái)上的管道支吊架的種類，就其結(jié)構(gòu)而言形式是種類繁多的，但僅僅考慮其功能和用途時(shí)，可以分為以下幾類。

1.新型支架的應(yīng)力分析與形變計(jì)算

對(duì)于新型支架建立模型并用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析與形變量的計(jì)算。其中新型材料密度為7.85×10-9t/mm3；彈性模量：210GPa；泊松比：0.3；屈服應(yīng)力：235MPa。對(duì)于邊界條件，支架材料各結(jié)合點(diǎn)處采用螺栓進(jìn)行固定。在管支架橫梁上施加載重量（700kg）作為載荷。由計(jì)算可得：角鋼的最大von米塞斯應(yīng)力的應(yīng)力為100MPa，螺栓的最大von米塞斯應(yīng)力為210MPa。而角鋼主體最大位移約1.2mm，垂直方向最大位移0.94mm，管支架的強(qiáng)度和剛度都符合要求。

2.管道支架選型

2.1滑動(dòng)支架

滑動(dòng)支架是限制管道約束點(diǎn)向下移動(dòng)的支架?；瑒?dòng)的支架也是承重的支架，在進(jìn)行設(shè)置是應(yīng)參照計(jì)算或是推薦的支架跨距；如帶有如保溫層、保冷層或是人員防護(hù)的管道的絕緣層，滑動(dòng)支架可以選用管鞋；在海上因?yàn)辂}霧等自然環(huán)境的影響會(huì)導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象，管道在鋼結(jié)構(gòu)直接支撐時(shí)，除了可以使用管鞋還可以在管道的下部焊接護(hù)板，這樣可以對(duì)管線和防腐層進(jìn)行保護(hù)（特別是對(duì)管道壁后較薄的不銹鋼、雙相不銹鋼等）。

2.2固定支架

固定支架可以對(duì)管道中6個(gè)自由度的支架起到限制的作用。長(zhǎng)直管道比如說(shuō)：管排上的管道，一般情況下要設(shè)置并且也只可以設(shè)置布置一個(gè)固定的支架；像控制閥、調(diào)節(jié)閥等容易產(chǎn)生震動(dòng)的閥門(mén)的一端可以設(shè)置一個(gè)比較固定的支架；在膨脹彎的兩側(cè)可以分別設(shè)置一個(gè)固定的支架，但是要注意兩個(gè)之間的距離。

2.3止推支架

止推支架可以對(duì)管道約束點(diǎn)的軸向移動(dòng)支架起到限制作用。如果在由類似于水擊、盲板力等沖擊載荷的情況下，應(yīng)設(shè)置適合的止推支架，這樣可以預(yù)防沖擊載荷給管道造成的影響；安全閥的出口管道，應(yīng)該設(shè)置止推支架；在容易產(chǎn)生震動(dòng)的管道中，應(yīng)該再管道改變走向的位置設(shè)置止推支架，這樣方便提升管道系統(tǒng)的自然頻率，并降低震動(dòng)；非金屬管道，如玻璃鋼管道等，可以適當(dāng)?shù)亩嘣O(shè)置一些止推支架，這樣可以抵抗水壓試驗(yàn)所引起的軸向荷載。

2.4導(dǎo)向支架

導(dǎo)向支架可以對(duì)約束點(diǎn)橫向移動(dòng)的支架起到限制作用。為了降低一些自然現(xiàn)象的偶然荷載的影響，在運(yùn)輸期間應(yīng)保持管道的穩(wěn)定，這種方法比較適合水平管道但是也可以在豎直管道中使用；容易產(chǎn)生易振動(dòng)的管道可以多設(shè)置一些導(dǎo)向支架；加入控制閥的一端有一個(gè)固定支架，那么另外一段就可以有一個(gè)導(dǎo)向支架；導(dǎo)向支架還包括U-Bolt，但其承受荷載力較小，所以一般使用在不帶絕熱層的非工藝系統(tǒng)管道中，且管線的尺寸應(yīng)小于NPS4，盡量的防止其大于NPS12；如果有絕熱層，其尺寸應(yīng)不大于NPS2，并且應(yīng)將操作的溫度控制在60攝氏度以下，也可以適當(dāng)?shù)倪x用U-Bolt。

2.5加強(qiáng)筋支架

采用焊接加強(qiáng)筋的方式，限制管道自由度，或者防止振動(dòng)的支架為加強(qiáng)筋支架。對(duì)于海洋工程設(shè)施，尤其是浮式設(shè)施（如FPSO等），會(huì)受到偶然載荷、船體結(jié)構(gòu)變形（如橫搖、縱搖、中垂、中拱）等的影響，從而對(duì)一些薄弱點(diǎn)（如連接壓力表管道與主管的連接點(diǎn)）造成不利影響甚至破壞，此時(shí)，可采用加強(qiáng)筋支架，海洋工程中最常見(jiàn)的是加強(qiáng)筋支架。對(duì)于可能產(chǎn)生振動(dòng)的管道系統(tǒng)（如連接安全閥的管道），也可采用加強(qiáng)筋支架。

2.6防振支架

防振支架一般用于易產(chǎn)生振動(dòng)的管道系統(tǒng)，如與往復(fù)式壓縮機(jī)/泵等易產(chǎn)生振動(dòng)、脈動(dòng)的設(shè)備連接的管道；存在水錘、段塞流的管道，排海管道等易振動(dòng)的管道。

3.管道支吊架材料的選擇

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)選擇通用規(guī)格化的型材和標(biāo)準(zhǔn)化材料，使其既滿足管道的運(yùn)行要求，又能與所支撐的管道材料相匹配。依據(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用總鋼材的10%-15%。因此合理選用管道支架的材料不僅可以達(dá)到節(jié)省材料的目的，而且會(huì)給材料采辦、管道支吊架預(yù)制和安裝節(jié)省更多的人力。以往海洋平臺(tái)的管道支吊架通常選用角鋼、H型鋼和無(wú)縫鋼管等材料，材料之間采用焊接的形式連接在一起，這種施工工藝會(huì)在管道支吊架安裝的過(guò)程中增加大量的焊接工作。為了更節(jié)省人力消耗和焊接工作，在某海洋石油公司某地的海洋平臺(tái)項(xiàng)目中擬選用多孔角型鋼、多孔平板型鋼等新型材料用于管道支吊架來(lái)替代常規(guī)項(xiàng)目中的角鋼、扁鋼等材料。

4.新型管道支吊架在海洋平臺(tái)的應(yīng)用

通過(guò)荷載應(yīng)力分析、建立三維模型等研究，確認(rèn)其強(qiáng)度滿足使用要求，最終將新型組合支架應(yīng)用于某海洋石油公司某地的海洋平臺(tái)中。與傳統(tǒng)的碳鋼支架相比，新型的支架具有焊接作業(yè)少、施工程序簡(jiǎn)單、靈活度高等方面的優(yōu)點(diǎn)。支架各型材之間使用螺栓進(jìn)行緊固連接，免去了大量的焊接作業(yè)，施工效率較以往項(xiàng)目得到了大幅度的提升。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，海洋工程中管道支架不僅可以用來(lái)支撐管道，也可以用來(lái)支撐電纜橋架。如果電氣專業(yè)電纜托架支架、儀表專業(yè)儀表電纜托架支架同樣選擇使用新型支架材料時(shí)，管道支架可以與它們相互生根和支撐，形成組合型的支架。由于多孔角型鋼、多孔平板型鋼等新型的材料具有質(zhì)量輕、焊接作業(yè)少、施工程序簡(jiǎn)單等方面的特點(diǎn)，在船舶工程領(lǐng)域、建筑工程領(lǐng)域等多個(gè)工程領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。

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