新型立管管卡設計在后安裝立管項目中的應用

葉茂盛，鄭 瑋，馬君誠

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津300451；2.中交疏浚(集團)股份有限公司 北京100013)

1 研究背景

中海油在役平臺的產量已不能滿足國內對石油資源日益增長的需求，因此需要對在役平臺進行改造，通過增設立管，鋪設海底管道以增加油氣產出量。目前，對平臺后安裝立管項目的立管管卡結構設計一般有2種形式。

1.1 無預留立管卡子基座平臺

這類平臺通常在項目開發階段未設計預留立管卡子基座，平臺投產后需進行適應性改造，增加立管以提高產量。針對這一類型平臺的改造，通常設計抱卡結構與平臺導管架結構連接以達到固定立管結構的目的(圖1)。

圖1 無預留立管卡子基座平臺立管管卡結構形式Fig.1 Riser clamp for platform without reserved base for riser clamp

1.2 有預留立管卡子基座平臺

這類平臺通常在項目開發階段已經設計預留立管卡子基座，平臺投產后，便于提高產量，對其進行改造增加立管結構。這一類型平臺通常在渤海海域，因水深較淺預留卡子數量少(一般設計 3～4個預留卡子基座)，可調整空間較大，海上施工難度小。針對此特點，一般設計與預留基座匹配的固定式法蘭盤螺栓連接結構以達到固定立管結構的目的(圖2)。

圖2 帶預留立管卡子基座平臺立管管卡結構形式Fig.2 Riser clamp for platform with reserved base for riser clamp

2 新型立管管卡結構方案

隨著海洋油氣勘探開發不斷向深水領域發展，較深水固定平臺的適應性改造項目在近幾年逐漸增多。對帶有預留基座的較深水固定平臺的后安裝立管改造項目，預留基座設計數量多(12個以上)，且預留基座在制造、組對和安裝過程中存在一定的偏差。

本論文基于南海某較深水固定平臺的立管改造項目，該平臺導管架結構設有預留卡子基座 13個。本次后安裝立管改造需要利用現有基座設計立管管卡結構。

該平臺導管架建造方僅在預留基座法蘭盤陸地安裝完成后進行了測量，測量數據顯示僅有基座法蘭盤中心位置處在水平和縱向兩個方向上與設計值偏差(圖3，表1)，未對預留基座法蘭盤上螺栓孔的角度進行測量。根據現場實測反饋，預留基座 12點位置螺栓孔偏離原設計位置大約5°。

圖3 建造方預留基座質檢報告數據及測量位置Fig.3 Data and location of reserved base for riser clamp

若采用固定法蘭盤螺栓連接的卡子基座形式，立管極有可能無法被立管管卡固定而導致項目失敗。為此，根據項目的實際情況，提出了可旋轉式法蘭盤的管卡結構，由立管連接的卡子結構、支撐管、可旋轉法蘭盤以及盲板組成(本論文著重研究后3部分內容)。此管卡結構基于摩擦原理，通過對螺栓施加預緊力壓緊固定。該方案消除了卡子基座在建造、組對和安裝過程中產生的偏差，切實降低了立管安裝風險。可旋轉法蘭盤管卡結構方案見圖4。

表1 建造方預留基座測量值Tab.1 Detailed data of reserved base for riser clamp

圖4 可旋轉法蘭盤管卡結構方案Fig.4 Riser clamp structure with rotatable flange

3 新型立管管卡結構核算

可旋轉法蘭盤管卡結構需要進行立管管卡穩定性和強度核算。

3.1 新型立管管卡結構穩定性核算

可旋轉法蘭盤管卡結構通過螺栓施加預緊力，預緊力通過法蘭盤至盲板與預留基座法蘭盤接觸以固定立管管卡支撐結構。一方面立管管卡受立管的荷載產生旋轉扭矩，另一方面立管管卡受環境荷載影響也會產生旋轉扭矩。因此，設計的可旋轉管卡結構與預留基座的摩擦力應能抵抗立管荷載以及環境荷載所產生的旋轉扭矩。為保證摩擦力產生的抗旋轉扭矩大于立管荷載及環境荷載產生的旋轉扭矩而不發生旋轉，需要進行以下3方面的校核。

3.1.1 螺栓預緊力的確定

設計選取 ASTM A193 B7M[1]螺栓，按照 AISC規范[2]要求計算其預緊力，同時考慮該平臺預留基座的強度影響螺栓預緊力的取值。利用ANSYS軟件建有限元模型，對法蘭盤施加荷載進行計算。經核算，在預留基座結構強度滿足要求的情況下，確定允許螺栓的最大預緊力。分析模型見圖 5，有限元分析結果見圖6。

圖5 預留卡子基座實體結構及有限元分析模型Fig.5 Reserved base for riser clamp and FEA model

3.1.2 抗旋轉扭矩計算

按照 OTH 88 283[3]要求，水下螺栓連接需要考慮一定的安全系數和折減系數。盲板與預留卡子基座間的摩擦系數按現場實驗數據取值(表2)。

圖6 預留卡子基座有限元分析結果Fig.6 FEA result of reserved base for riser clamp

表2 鋼板摩擦力系數現場實驗結果Tab.2 Steel friction coefficient test result

計算得到可旋轉法蘭盤管卡結構的抗旋轉扭矩值為55.18kN·m，具體見表3。

表3 可旋轉法蘭盤管卡結構抗旋轉扭矩計算Tab.3 Torque resistance calculation for Riser Clamp with Rotating Flange

3.1.3 可旋轉法蘭盤是否發生旋轉判斷

根據相關專業提供的卡子反力以及環境荷載計算可旋轉管卡法蘭盤處的實際旋轉扭矩，并與抗旋轉扭矩值進行對比，見表4。

表4 可旋轉法蘭盤管卡結構實際旋轉扭矩以及抗旋轉扭矩對比Tab.4 Actual torque and torque resistance compari-son for riser clamp with rotating flange

根據上述計算結果得出：可旋轉法蘭盤管卡結構固定后，由摩擦力產生的抗旋轉扭矩大于實際旋轉扭矩。因此，可旋轉法蘭盤管卡結構不會發生旋轉。

3.2 新型立管管卡結構強度校核

可旋轉法蘭盤管卡結構的關鍵受力部位為法蘭盤結構部分，采用ANSYS軟件對法蘭盤結構部分進行強度校核。在ANSYS中建立可旋轉法蘭盤管卡結構模型，施加螺栓預緊力以及實際扭矩進行計算，模型及施加荷載見圖 7，軟件計算結果顯示強度滿足要求，具體結果見表 5，可旋轉法蘭盤結構的應力云圖見圖8—圖12。

表5 可旋轉法蘭盤管卡結構應力匯總表Tab.5 Stress analysis for riser clamp with rotatable flange

圖7 可旋轉法蘭盤結構模型及施加荷載Fig.7 Model and applied load of riser clamp with rotating flange

圖8 可旋轉法蘭盤結構總體應力云圖Fig.8 Overall stress cloud of riser clamp with rotatable flange

圖9 法蘭盤結構應力云圖Fig.9 Stress cloud of rotatable flange

圖10 支撐管應力云圖Fig.10 Stress cloud of support pipe

圖11 盲板應力云圖Fig.11 stress cloud of blind plate

圖12 法蘭盤與盲板接觸面應力云圖Fig.12 Stress cloud of contact surface between rotatable flange and blind plate

4 總 結

本文根據較深水固定平臺預留立管卡子的特點并結合平臺現場調研的情況，創造性地提出了可旋轉式法蘭盤立管管卡的結構形式，解決了預留卡子基座在建造、組對和施工過程中產生的誤差以及現場調研發現的問題，并對此新型立管管卡結構進行了 2部分校核：①新型立管管卡穩定性校核。此部分首先通過預留立管卡子基座的強度確定螺栓預緊力，同時，根據現場實驗數據的摩擦系數確定新型管卡的抗旋轉扭矩，并與實際旋轉扭矩進行對比。②新型立管管卡強度校核。此部分采用ANSYS軟件對新型立管管卡的支撐管、盲板和可旋轉法蘭盤進行了強度校核。

可旋轉法蘭盤管卡結構設計在實際工程項目中得到了成功應用，不僅提高了海上施工效率，節省了投入，創造出了較大的經濟價值，同時可旋轉式法蘭盤結構設計消除了預留卡子基座在建造、組對和施工過程中產生的誤差，切實降低了立管安裝的風險，也為后續類似項目的后安裝立管改造設計提供了新的設計思路和方法。