FPSO上部模塊管道支架設計研究

紀志遠，李蕾

FPSO上部模塊管道支架設計研究

紀志遠，李蕾

（海洋石油工程股份有限公司設計院，天津 300451）

FPSO憑借其抗風浪能力強、適應水深范圍廣、儲/卸油能力大及可以轉移、重復使用等優點，廣泛應用于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發。但其服役環境惡劣和船體的不固定性決定了上部模塊管道支架的設計具有一定的特殊性，為了研究FPSO上部模塊管道支架布置方式、選型原則，結合管道應力分析相關理論，參考海洋石油平臺相關管道支架的布置方法，分析了FPSO上部模塊管道支架的設計方法，強調了管道支架對于FPSO生產安全的重要性，對于FPSO上部模塊管道支架設計提供一定的借鑒和參考。

FPSO；管道支架；支架跨距；支架形式

隨著世界油氣需求的不斷增加和邊際油田開采的需要，世界石油公司將大量資金投向海洋石油開發，深海石油開發已經成為海洋石油發展的趨勢[1]。浮式生產儲油裝置（FPSO）由于獨特的優點而備受石油公司青睞。FPSO是集油氣處理、儲油與卸油、發電、控制、生活功能為一體的海上油氣處理裝置，具有抗風浪能力強、適應水深范圍廣、儲/卸油能力大及可以轉移、重復使用等優點[2]。然而，FPSO由于受到海浪和海風同時作用影響，其上部結構固定于船體甲板之上，將獲得加速度，同時產生變形位移，這使得模塊之間的管線以及設備的管嘴處產生變形，且FPSO應對拖航工況予以考慮，在臺風來臨時必須解脫撤離，管道支架設計應考慮拖航工況[3]。本文將對FPSO上部模塊管道支架的設計進行討論。

1 FPSO上部模塊管道支架介紹

管道支架具有載重功能，可以承載如自重、介質重、保溫重、其他覆蓋物重等，同時可以限制管道位移方向和管道熱脹冷縮，有效抵抗偶然載荷如風、地震、安全閥泄放反力、水擊力等，保護管道連接的敏感設備，如泵、壓縮機等的管口安全。

2 FPSO管道支架布置與選型原則

2.1 管道支架布置原則

表1為FPSO支架分類，可以看出，FPSO管道支架在上部組塊上的應用較為廣泛。FPSO上部模塊管道支架設計與海洋石油平臺組塊支架設計有相同之處，但由于FPSO船體會受到風載、波浪影響，船體結構變形也會影響上部組塊管道支架，因此管道支架設計須考慮模塊與模塊之間連接情況，結合管道走向，同時考慮管道材料、溫度、絕緣層、管道所連接設備、附近管道元件情況，管道間距，附近鋼結構布置，附近裝置的操作、維修等多種因素，FPSO上部模塊管道支架布置的一般原則如下：

1）管道支架應滿足管道在靜載情況下基本的跨距要求。支架宜生根在鋼結構上，并盡量靠近主結構，如主梁、主立柱等，同時要保證支架和結構梁的強度，如有必要應進行強度核算[4]。管道支架宜設置在直管段上，保證管支架不對管道焊縫產生影響。一根長直管道上只能使用一個固定支架或止推型支架。每隔一個支架，使用一個導向支架，靠近彎頭的第一個支架為承重支架。管道改變方向時（橫向或縱向），彎頭或三通附近宜設置支架，同時考慮管道柔性要求。

2）管道支架的設計應考慮操作和維修空間，例如不能妨礙管道、設備、閥門、濾器、儀表等。在往復式壓縮機、泵的進出口管道支架跨距宜適當減小，以提高管道自然頻率，減小振動。應避免在管道上焊接設置支架以支撐其他管道，禁止在高溫、低溫、振動、蒸汽管道和非金屬管道上支撐其他管道（接壓力表的支管除外）。

3）管道支架布置時跨距應盡量統一，且美觀。管排上管道支架跨距應綜合考慮大尺寸管道和小尺寸管道的跨距要求，避免支架跨距過大或者過小。同時應注意管線標高，應當考慮坡度對支架跨距的影響。管道末端必須設有支架，避免伸出長度過長引起管道下垂。

表1 管支架分類

2.2 管道支架選型通用原則

通過上一節了解了FPSO上部模塊支架布置原則，接下來通過金屬管道與非金屬管道兩方面來了解支架選型原則與方式。

2.2.1 金屬管道支架選型原則

FPSO上部模塊包含金屬管道與非金屬管道，其中金屬管道應根據其尺寸、材質設置其合適的導向及限位支架，以滿足抵抗偶然載荷的要求[5]。

例如， 對于不帶絕熱層的管道不宜用于管線尺寸大于NPS 4，盡量避免用于管線尺寸大于NPS 12，其中公用系統管道、合金管道經評估后可適當放寬限制；對于帶有絕熱層的小于NPS 2，且操作溫度小于60 ℃的管道可選用U-Bolt；對于內涂塑、鍍鋅等有內涂層的管道，可根據項目情況評估后使用U-Bolt。

圖1 水平管道彎管支架跨距

對于特殊位置支架選型也有要求，如靠近敏感設備如泵、壓縮機、透平入口管道的支架應采用可拆卸和可調支架。往復式壓縮機、泵進出口管線宜采用防振動型支架。安全閥出口管道的支架需承擔安全閥泄放時的反作用力對管道的沖擊，支架生根的結構必須具有足夠的強度，宜采用承重、導向與止推相組合型式的支架。盡量減少彈簧支架和阻尼器的使用。

金屬管道支架應盡量避免操作過程中的支架脫空，如無法避免，脫空間距宜控制在3 mm以內。

2.2.2 非金屬管道支架選型原則

與金屬管道不同，非金屬管道質量輕、剛度小，相對較容易變形，其支架選型原則如下：應增加非金屬管道與支架接觸面積，同時可根據需要設置相應擋塊，以實現導向、止推、限位、固定等功能。非金屬管道不應直接支撐在鋼結構上。推薦與非金屬管道連接的集中載荷如金屬閥門等元件，必須有單獨的支撐。非金屬管道的支架應采用抗老化性能較好的非金屬（如橡膠）與管道隔離，以避免劃傷管道外表面。非金屬管道的支架也可根據項目需要，采用制造商推薦的型式。

3 管道支架跨距

允許跨距是指兩管支架之間的最大允許間距。跨距太小意味著管架數量要增加，也就要增加費用和投資；但如果跨距過大，又可能影響管道自身的安全。由于滿足管道允許跨距要求是管道支架設計的基本內容，因此確定管道允許跨距與通常所說的管道應力分析，具有一定的獨立性。在進行管道設計時，無論是否進行詳細的應力分析，均須滿足管道允許跨距的要求。

3.1 管道支架跨距計算方法

水平金屬管道推薦最大支架跨距的計算基于壁厚STD的碳鋼管道，計算公式如下：

一管道材料的彈性模量；

一管道截面慣性矩；

Δ一管道的變形（按照10mm考慮）；

3.2 水平管道拐彎支架跨距影響

對于金屬管道在改變方向處的最大支架跨距，應在水平管道最大支架跨距的基礎上考慮一定的系數。

4 FPSO管道支架設計要求

針對FPSO運動特點，船體中垂中拱可能對管道支架帶來的影響，將金屬管道與非金屬管道的設計要求進行說明。

4.1 金屬管道

對于不銹鋼管道及鍍鋅管道，應盡量多地使用PC支架進行四個方向限位。對于銅鎳管道、碳鋼涂塑管道（排海管線除外），12寸及以下使用PC支架進行導向或止推固定，12寸以上可以使用玻璃鋼管道PF系列支架。

碳鋼管線，NPS12及以下使用PC系列支架，NPS12以上使用PS系列支架。對于6寸以上管道使用U-Bolt固定的，也建議應用PC系列組合支架，以提高止推承載能力。支架盡量多使用四向限位約束管道即rest + guide + hold down形式，但應注意靠近設備管口和π形彎處承重支架使用rest。壓縮機橇塊外連接的幾個主工藝系統管道的前幾個支架的形式采用防振支架。

火炬臂上管道，NPS6以下管道使用PC，中間使用PS止推和PC導向組合支架。火炬臂管道中間應設置一個止推或固定支架，止推或固定支架位置可以根據應力分析結果確定。

穿層立管上必須有一個承重支架（或止推或固定），不允許使用PC支架替代止推或固定支架。

4.2 非金屬管道

非金屬管道約束應多于同尺寸金屬管道。如PE、CPVC管、SRPE管（鋼骨架聚乙烯塑料復合管），一律使用U-Band支架，但應注意其不能直接與結構鋼接觸，需要加墊PTFE板。

GRE玻璃鋼管道宜使用PF管卡系列支架。如圖2所示，對于NPS≤3寸或生活樓的玻璃鋼管道，也可以使用U-Band，盡量不使用U-Bolt支架。不允許加彎頭/三通支架，但可以考慮法蘭支架。應注意需要核實抱卡兩側saddle空間問題。GRE玻璃鋼管道承重支架需要與導向支架配合使用；針對FPSO運動特點宜加四向限位支架。帶防火夾克的玻璃鋼管道使用PF系列承重型支架的抱卡內徑大于不帶防火夾克的玻璃鋼管道，帶防火夾克的玻璃鋼管道使用止推型支架和固定型支架時，需要去除防火夾克，粘接saddle后再裹防火夾克，因此抱卡內徑與不帶防火夾克的管道所用抱卡內徑一致。非金屬管道需要注意標高一致問題，尤其是位于管排/管廊上的管線。

圖2 PF系列支架典型圖

5 結 論

本文從FPSO管道支架布置與選型原則，管道支架跨距以及針對FPSO管道支架設計的詳細要求三方面，對FPSO上部模塊管道支架的設計方法進行了介紹和分析，考慮了船體運動可能對上部模塊帶來的影響及管道的柔性，只有對其進行全面的管道應力分析，才能保證FPSO在其服役全過程中的安全。

[1] 海洋石油工程設計指南編委會．海洋石油工程設計指南（第1冊）[M]．北京：石油工業出版社，2007．

[2] 紀志遠，程久歡，琚選擇，等. CALM單點管道應力分析基于CAESARII軟件的優化設計[J]．石油和化工設備，2018，21（2）：31-35.

[3] 王戰勇，范威，張巍偉，等．FPSO上部模塊管道應力工況研究[J]．壓力管道技術研究進展精選集，2010，9（1）：89-92.

[4] 紀志遠. 東方13-2平臺管道設計及應力分析研究——以PF系統為例[C]．第九屆海洋強國戰略論壇論文集，2018.

[5] 唐永進．壓力管道應力分析[M]．北京：中國石化出版社，2010．

Study on Piping Supportof FPSO Topside Module

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（Engineering Company of Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China）

FPSO is widely used in the development of offshore oil industry,especially for the deep sea and marginal oil fields far away from the coast due to its strong anti wind and wave ability, wide application range of water depth, large oil storage / unloading capacity, and so on. In order to study the layout and selection principle of FPSO topside module pipe support, combined with the relevant theory of piping stress analysis and referring to the layout method of relevant support of offshore oil platform, the design method of piping support of FPSO topside module was analyzed. The importance of piping support safety was discussed, which could provide reference for the design of FPSO topside pipe support.

FPSO; Piping Support ;Piping Support Span; Support type

2020-08-21

紀志遠（1989-），男，天津人，工程師，碩士，畢業于南開大學項目管理專業，研究方向：海洋石油平臺管道應力分析。

U674.38

A

1004-0935（2021）03-0355-04