深水半潛平臺船體壓載系統管道選材方案研究

紀志遠 雷俊杰

海洋石油工程股份有限公司設計院, 天津 300451

0 前言

隨著世界油氣能源需求的不斷增長,深海油氣田開發已成為世界海洋油氣領域的重要發展方向。深水半潛平臺(Semi-submersible Platform)作為大型浮式結構物,是集油氣處理、儲卸油、生活、供電等多功能于一身的海上油氣綜合開發處理中心,其作業水深可達2 000 m,是深海油氣田開發的重要裝備[1-8]。深水半潛平臺船體壓載系統位于船體底部,具有穩定船體平衡,控制吃水、排水,減少船體變形及減輕船體振動的作用,對深水半潛平臺船體系統十分重要[9-15]。在保證船體系統安全穩定的前提下,選取合適的管道材質應用于壓載系統,實現管道應力水平、管道重量控制及整體經濟性最佳的設計方案,成為各工程公司面臨的棘手問題。因此,本文采用CAESAR II軟件分別對采用碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼三種管道材質的深水半潛平臺船體壓載系統進行研究,對比分析管道應力比、管道重量、管道穿艙載荷、管道固有頻率以及經濟性五個方面差異,并得出壓載系統管道選材最佳推薦方案。

1 壓載系統介紹

不同于淺海固定平臺,深水半潛平臺由上部組塊與船體部分構成,船體部分可分為中間立柱和下部浮體,見圖1。

圖1 深水半潛平臺示意圖Fig.1 Semi-submersible platform

深水半潛平臺下部浮體呈“回”字形結構,見圖2。

圖2 下部浮體“回”字形結構圖Fig.2 The concentric square shape structure of hull

在平臺調載過程中,位于浮體底部的壓載系統通過壓載水泵和壓載管道將海水注入壓載艙內以及排出船體,調整船體吃水深度。海水具有腐蝕性,因此適用于壓載系統的管道材質主要有碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼,材質屬性對比見表1。

表1 三種耐海水腐蝕管道材質屬性對比表

2 計算標準

結合深水半潛平臺船體復雜運動及千年一遇工況環境要求,對船體金屬管道設計選用標準ASME B31.1—2016《動力管道》,相較于ASME B31.3—2014《工藝管道》對材料的許用應力限定更低,計算結果更保守。碳鋼涂塑管道及銅鎳管道計算標準選用ASME B31.1—2016《動力管道》。

玻璃鋼管道是非金屬管道,計算標準選用UKOOA—1994《海洋平臺玻璃鋼管的使用規范及操作規程》[16-18]。

3 計算分析

3.1 設計參數

以某深水半潛平臺船體壓載系統為例,計算直徑324 mm壓載系統管道,介質為海水,設計溫度50 ℃,操作溫度35 ℃,最低環境溫度11 ℃,設計壓力1 700 kPa,水壓試驗壓力2 550 kPa。

基于相同設計壓力,結合管道商業壁厚資料,碳鋼涂塑管道壁厚選取9.525 mm,銅鎳管道壁厚選取7 mm,玻璃鋼管道壁厚選取4.9 mm。

3.2 計算模型

在CAESAR II軟件中,建立深水半潛平臺船體壓載系統管道計算模型,模型邊界為管道固定穿艙,見圖3。管道固定穿艙與管道導向穿艙設計方案見圖4。

圖3 壓載系統管道計算模型圖Fig.3 Piping calculation model of ballast system

固定穿艙 導向穿艙圖4 管道固定穿艙與管道導向穿艙示意圖Fig.4 Piping fixed and guided penetration

3.3 定義工況

壓載系統管道應力分析需要考慮以下載荷:管道重量荷載W,充水管道重量WW,設計壓力荷載P1,水壓試驗HP,設計溫度T1,操作溫度T2,最低設計溫度T3,風荷載WIN1與WIN2,船體運動加速度荷載U1、U2、U3。持續應力工況為SUS,操作工況為OPE,偶然工況為OCC,熱膨脹工況為EXP,工況組合見表2。

表2 操作工況組合表

4 方案對比

4.1 管道應力比

分別應用碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼三種管道材質進行模擬計算,計算所得水壓工況、持續工況、熱膨脹工況、偶然工況下最大應力比見圖5。

圖5 管道最大應力比圖Fig.5 Maximum piping stress ratio

由圖5可知,三種管道材質管道應力水平均小于100%,滿足標準要求,碳鋼涂塑管道應力水平低,銅鎳管道居中,玻璃鋼管道較前兩種材質應力水平高。水壓工況下,玻璃鋼管道應力水平較銅鎳管道、碳鋼涂塑管道應力水平高約18%及52%;持續工況下,玻璃鋼管道應力水平較銅鎳管道、碳鋼涂塑管道應力水平高約23%及62%;銅鎳管道應力水平較碳鋼涂塑管道應力水平高約58%;偶然工況下，玻璃鋼管道應力水平較銅鎳管道、碳鋼涂塑管道應力水平高約22%及64%。

4.2 管道重量

重量控制對深水半潛平臺十分重要,重量的變化會影響深水半潛平臺的裝載和壓載能力。當實際空載重量超過設計重量時,深水半潛平臺的裝載能力會降低,嚴重時可導致傾覆；反之，空載重量低于設計重量,因壓載能力受限,深水半潛平臺在滿壓載水狀態仍不能達到下潛深度,會直接影響功能使用[19-20]。

分別應用碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼三種管道材質,對比計算同一壓載系統管道重量,見圖6。

圖6 管道重量對比圖Fig.6 Piping weight comparison

由圖6可知,碳鋼涂塑管道重量比銅鎳管道與玻璃鋼管道重1.68 t和9.25 t。

4.3 管道穿艙載荷

分別應用碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼三種管道材質進行模擬計算,評估節點2530與節點1060的管道固定穿艙處荷載,見圖7～ 8。

由圖7可知，節點2530處玻璃鋼管道的受力最小。在Fx方向受力較碳鋼涂塑、銅鎳管道降低約87%與82%;在Fy方向受力降低約74%與27%;在Fz方向受力降低約81%與71%。

圖7 節點2530管道固定穿艙處載荷圖Fig.7 Loads of piping fixed penetration node 2530

圖8 節點1060穿艙處載荷圖Fig.8 Loads of piping fixed penetration node 1060

由圖8可知，節點1060處玻璃鋼管道受力最小。在Fx方向受力較碳鋼涂塑、銅鎳管道降低約89%與87%;在Fy方向受力降低約78%與68%;在Fz方向受力降低約86%與78%。

對比分析出現以上差異原因,玻璃鋼管道彈性模量較碳鋼涂塑、銅鎳管道小,在受到相同外力下,管道柔性更好、自身更易變形,因此，相較其他兩種管道材質玻璃鋼管道受力更小。

4.4 管道固有頻率

壓載系統管道位于下部浮體底部,船體結構中垂中拱變形通過支架傳遞到管道,長期交變荷載作用下存在疲勞風險。因此,需要進一步評估管道的固有頻率,從而提高壓載系統管道抵抗船體變形的影響。

評估應用于碳鋼涂塑、鋼鎳和玻璃鋼三種材質的管道固有頻率，見圖9。

圖9 管道固有頻率對比圖Fig.9 Comparison of piping natural frequency

管道固有頻率越高,產生系統共振的可能性越低,系統越穩定。由圖9可知,三種管道材質一階固有頻率均大于4 Hz,滿足設計標準要求。碳鋼涂塑管道固有頻率最高、銅鎳居中、玻璃鋼最低。分析原因，主要為碳鋼涂塑的剛度比較銅鎳、玻璃鋼大,管道更不容易產生相對變形趨勢,因此管道固有頻率比銅鎳、玻璃鋼大。

4.5 經濟性

從經濟性角度分別應用碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼三種管道材質進行評估,價格對比見圖10。應用銅鎳材質的價格比碳鋼涂塑與玻璃鋼高約91%與93%(參考2020年4月現貨市場平均價,僅供參考)。

圖10 經濟性對比圖Fig.10 Comparison of price

4.6 結果分析

基于以上計算結果,應用CAESAR II軟件，模擬碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼三種管道材質運用于深水半潛平臺船體壓載系統,將管道應力比、管道重量、管道穿艙荷載、管道固有頻率以及經濟性這五個方面按照最優、較好、一般三個等級進行評估,見表3。

表3 三種管道材質對比分析匯總表

由表3可見，玻璃鋼的管道應力比滿足標準要求,管道重量最輕，管道穿艙荷載最低，管道固有頻率滿足標準要求,同時經濟性最佳,選擇玻璃鋼應用于壓載系統管道,可滿足管道使用、安全、經濟等方面要求。

5 結論

壓載系統對于深水半潛平臺船體至關重要,本文基于CAESAR II軟件,分別采用碳鋼涂塑、銅鎳和玻璃鋼三種管道材質對深水半潛平臺船體壓載系統進行了方案研究,對比分析了管道應力比、管道重量、管道穿艙載荷、管道固有頻率以及經濟性等方面的差異,給出了深水半潛平臺最佳推薦方案。