海上油氣田棧橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)用

黃蓮英， 陳 實(shí)， 許正剛， 李清明

(湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司， 廣東 湛江524057)

海上油氣田棧橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)用

黃蓮英， 陳 實(shí)， 許正剛， 李清明

(湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司， 廣東 湛江524057)

在海上油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，需要依托原有油氣田的措施，以達(dá)到降本增效的目的。通過(guò)棧橋把兩個(gè)平臺(tái)連接在一起，依托原有的油氣處理系統(tǒng)、生產(chǎn)公用系統(tǒng)、供電及控制系統(tǒng)等，應(yīng)用棧橋代替海底管線和海底電纜鋪設(shè)，節(jié)省油田的建設(shè)時(shí)間和投資成本。該文主要介紹棧橋的設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)，可為水深約100 m以內(nèi)的固定式平臺(tái)之間棧橋的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

棧橋；棧橋固定端；棧橋滑動(dòng)端；平臺(tái)位移；膨脹彎

0 引言

在海上油氣田開(kāi)發(fā)中，需要依托現(xiàn)有油氣田的生產(chǎn)設(shè)施，如油氣處理系統(tǒng)、生產(chǎn)公用系統(tǒng)、供電及控制系統(tǒng)等，達(dá)到降本增效的目的。依托原有油氣田的設(shè)施，有兩種方案：(1)通過(guò)棧橋；(2)通過(guò)鋪設(shè)海管、海纜。通過(guò)棧橋的依托方案可以大大降低油田開(kāi)發(fā)成本，提高油田經(jīng)濟(jì)效益。

棧橋的主要作用是作為連接新油田與老油田系統(tǒng)改造的管線通道、電儀通訊系統(tǒng)改造的電纜通道，同時(shí)也是兩平臺(tái)工作人員交流溝通的通道和平臺(tái)資源共享的通道。

海上平臺(tái)棧橋設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)是如何解決在臺(tái)風(fēng)時(shí)兩平臺(tái)產(chǎn)生大位移的情況下，確保棧橋結(jié)構(gòu)的安全性及棧橋上的管線及電纜不發(fā)生由應(yīng)力引起的破壞，保證油田安全生產(chǎn)。

1 棧橋的方案設(shè)計(jì)

1.1 總體布置方案

棧橋布置要考慮相連平臺(tái)甲板層高的影響，安裝空間及結(jié)構(gòu)受力的合理性及棧橋設(shè)計(jì)原則要滿足相連兩平臺(tái)之間的管線電纜鋪設(shè)、人員來(lái)往、物質(zhì)流通等要求。棧橋通常布置有走道、管線膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)、管線、電纜及支架等， 圖1是潿洲油田群棧橋應(yīng)用圖，棧橋在北部灣油田開(kāi)發(fā)中起了重要作用。 圖2為棧橋典型總體布置方案圖。

圖1 潿洲油田群棧橋應(yīng)用圖 圖2 棧橋典型總體布置方案

1.2 棧橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮棧橋連接的兩平臺(tái)相對(duì)位移因素。根據(jù)平臺(tái)服役期間的靜力分析結(jié)果，在百年一遇的極端環(huán)境條件下，兩平臺(tái)產(chǎn)生的相對(duì)位移較大，如在北部灣海域，兩個(gè)常規(guī)固定平臺(tái)的相對(duì)位移約50 cm左右。

棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是平臺(tái)在位期間出現(xiàn)最大的相對(duì)位移時(shí)，棧橋結(jié)構(gòu)及兩端的基礎(chǔ)不破壞，兩平臺(tái)支撐棧橋的基礎(chǔ)局部結(jié)構(gòu)不破壞，通過(guò)棧橋的管線不出現(xiàn)拉伸或擠壓破壞，確保平臺(tái)在百年一遇的極端環(huán)境條件下，棧橋及其支撐的管線電纜是安全可靠的。

由于連接平臺(tái)整體剛度的差異以及受外載的差異，平臺(tái)出現(xiàn)的位移大小及方向是不一樣的，由于棧橋連接的兩個(gè)平臺(tái)在極端環(huán)境條件下產(chǎn)生較大的位移，假如棧橋兩端是通過(guò)剛性基礎(chǔ)與平臺(tái)連接，在兩平臺(tái)出現(xiàn)較大相對(duì)位移的情況下，剛性基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生撕裂破壞，由此引起棧橋和平臺(tái)的破壞，海洋平臺(tái)常規(guī)的鋼性節(jié)點(diǎn)型式基礎(chǔ)不滿足平臺(tái)和棧橋安全使用要求。因此，可以將棧橋其中一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成可滑移基礎(chǔ)，與平臺(tái)基礎(chǔ)面產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)，使其水平力作用下產(chǎn)生的位移不會(huì)導(dǎo)致另一平臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)的位移，即某一平臺(tái)所受的水平力不會(huì)經(jīng)過(guò)棧橋轉(zhuǎn)換為作用于另一平臺(tái)的等效水平力，同時(shí)滑移基礎(chǔ)能有效釋放平臺(tái)產(chǎn)生的位移和應(yīng)力。

圖3 水平管線膨脹彎

1.3 管線布置與棧橋主體結(jié)構(gòu)選型

棧橋設(shè)計(jì)要滿足管線布置并能釋放管線膨脹應(yīng)力。為了解決平臺(tái)位移對(duì)過(guò)橋管線的破壞，過(guò)棧橋的管線要設(shè)置膨脹彎，棧橋要設(shè)置膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)。管線膨脹彎有兩種型式：一是水平管線膨脹彎(如圖3所示)；二是豎向管線膨脹彎(如圖4所示)。水平管線膨脹彎適合過(guò)橋管線數(shù)量多，管徑大，兩平臺(tái)相對(duì)位置較近而相對(duì)位移較大的情況，水平管線膨脹彎需要在棧橋主體兩側(cè)水平面上設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)。如潿洲12-1PAP平臺(tái)與潿洲12-1PUQ平臺(tái)之間的棧橋，布置三層管線，管線達(dá)18根，其中最大的管線12"，最小的管線2"(如圖5所示)，把在棧橋上的管線設(shè)計(jì)成一個(gè)大的膨脹彎，支在棧橋兩側(cè)的膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)上，利用膨脹彎的作用原理，減少了平臺(tái)位移對(duì)管線產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變，避免了管線的破壞。豎向管線膨脹彎適合管線少，管徑小，兩平臺(tái)相對(duì)位置較遠(yuǎn)的情況，該形式只在棧橋內(nèi)部設(shè)置管線膨脹彎，棧橋不需要在兩側(cè)增加大的支撐結(jié)構(gòu)，棧橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖4 垂直管線膨脹彎 圖5 管線布置截面圖

1.4 棧橋的結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)以上介紹的設(shè)計(jì)原理，棧橋結(jié)構(gòu)由棧橋主體、棧橋滑動(dòng)端基礎(chǔ)、棧橋固定端基礎(chǔ)三部分構(gòu)成。棧橋主體要求橋面水平，橋內(nèi)鋪設(shè)管線、電纜和人行道等設(shè)施；棧橋滑動(dòng)端基礎(chǔ)由上滑動(dòng)塊、下滑動(dòng)塊，水平和垂直限位塊組成，上滑動(dòng)塊焊接在棧橋弦桿上，下滑動(dòng)塊焊接在平臺(tái)基礎(chǔ)上，水平限位塊焊接在上滑動(dòng)塊上，垂直限位塊焊接在下滑動(dòng)塊上，上滑動(dòng)塊可沿棧橋軸線方向滑動(dòng)，棧橋滑動(dòng)端模型如圖6所示；棧橋固定端基礎(chǔ)由上轉(zhuǎn)動(dòng)塊、下轉(zhuǎn)動(dòng)塊、銷軸和套筒組成，上轉(zhuǎn)動(dòng)塊焊接在棧橋弦桿上，下轉(zhuǎn)動(dòng)塊和銷軸焊接在平臺(tái)基礎(chǔ)上，套筒與棧橋主體焊接成一體，兩個(gè)平臺(tái)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，上轉(zhuǎn)動(dòng)塊繞軸承進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)棧橋兩端的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放棧橋及管線的位移和應(yīng)力，棧橋固定端基礎(chǔ)模型如圖7所示。

圖6 棧橋滑動(dòng)端3D模型圖 圖7 棧橋固定端基礎(chǔ)3D模型圖

2 棧橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 棧橋滑動(dòng)端的設(shè)計(jì)

棧橋滑動(dòng)端主要作用是使棧橋在極端工況條件下，棧橋主體可在平臺(tái)基礎(chǔ)上滑動(dòng)，通過(guò)滑動(dòng)，釋放平臺(tái)產(chǎn)生的位移，確保平臺(tái)和棧橋在風(fēng)暴條件下不破壞，棧橋滑動(dòng)端的長(zhǎng)度確定和局部結(jié)構(gòu)方案非常關(guān)鍵，長(zhǎng)度和端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在新平臺(tái)就位后，根據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確位置，棧橋只需通過(guò)簡(jiǎn)單的端部修改即可滿足設(shè)計(jì)和安裝要求。由于棧橋的設(shè)計(jì)制造在新平臺(tái)安裝就位前進(jìn)行，平臺(tái)安裝位置誤差通常允許±1.5 m，棧橋滑動(dòng)基礎(chǔ)理論長(zhǎng)度要滿足該誤差要求，即誤差為+1.5 m時(shí)，棧橋長(zhǎng)度足夠，支點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；誤差為-1.5 m時(shí)，棧橋的端部經(jīng)簡(jiǎn)單修改后，其支點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也滿足規(guī)范要求，合理設(shè)計(jì)棧橋滑動(dòng)端長(zhǎng)度及切割長(zhǎng)度是棧橋海上順利安裝的前提條件。結(jié)合圖8、圖9，介紹棧橋滑動(dòng)基礎(chǔ)長(zhǎng)度和切割長(zhǎng)度的計(jì)算方法。

滑動(dòng)基礎(chǔ)長(zhǎng)度：

(1)

式中：Δ1,Δ2分別為 平臺(tái)1，平臺(tái)2在極端工況條件下基礎(chǔ)部位的最大水平位移；Δ3為新建平臺(tái)的安裝誤差；Δ4為支點(diǎn)中心到端部的距離。

棧橋的滑動(dòng)端長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要滿足兩種極端條件：(1) 平臺(tái)安裝位置位差是+1.5 m，兩平臺(tái)極端遠(yuǎn)距離，即實(shí)際距離L4=L3+1 500+Δ1+Δ2;(2) 平臺(tái)安裝位置位差是-1.5m，兩平臺(tái)極端近距離，即實(shí)際距離L4=L3-1 500-Δ1-Δ2。

切割長(zhǎng)度:

(2)

式中：L3為棧橋設(shè)計(jì)理論距離；L4為兩平臺(tái)的實(shí)際距離，當(dāng)L2<100時(shí)，取L2=0。

圖8 棧橋滑動(dòng)端及總體示意圖

圖9 平臺(tái)兩種極端距離示意圖

以上介紹的棧橋理論長(zhǎng)度和滑動(dòng)端的長(zhǎng)度是適合平臺(tái)安裝誤差控制在±1.5m的范圍內(nèi)的情況，假如平臺(tái)的安裝誤差超過(guò)這個(gè)范圍，棧橋需要重新設(shè)計(jì)。

2.2 棧橋固定端的設(shè)計(jì)

棧橋固定端的主要作用是使棧橋固定在平臺(tái)基礎(chǔ)上，在極端工況條件下，兩平臺(tái)發(fā)生的位移方向相反時(shí)，棧橋在平面內(nèi)繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，銷軸承受棧橋套筒傳來(lái)的作用力，銷軸外壁與套筒內(nèi)壁之間的距離建議取20 mm, 銷軸高度由橋面高度決定，其頂部與走道面平齊，高約500 mm。銷軸承受的作用力等效于棧橋計(jì)算時(shí)其端部的節(jié)點(diǎn)力，由于棧橋兩端基礎(chǔ)的特殊性，建立棧橋計(jì)算模型時(shí)，兩端基礎(chǔ)的邊界條件模擬很重要，應(yīng)結(jié)合棧橋的實(shí)際受力及基礎(chǔ)構(gòu)造，準(zhǔn)確模擬邊界條件，確保計(jì)算出來(lái)的銷軸受力是準(zhǔn)確的。

3 棧橋設(shè)計(jì)的其他技術(shù)及注意問(wèn)題

3.1 起拱

棧橋就位后，在棧橋自身重力作用下，棧橋產(chǎn)生垂向變形，為了避免棧橋變形導(dǎo)致管線的破壞，棧橋建造要考慮起拱。棧橋長(zhǎng)度超過(guò)25 m，最大垂向位移大于5 mm時(shí),建議棧橋考慮起拱，起拱的大小與自身重力作用下對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的最大垂向位移一致。

3.2 棧橋兩端管線電纜的合理布置

棧橋兩端是管線電纜從平臺(tái)到棧橋的過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)域管線密集并需要在海上安裝，棧橋端部的管線接口位置選擇要確保棧橋上的管線不超出棧橋結(jié)構(gòu)主體，避免管線在棧橋安裝時(shí)被碰壞，平臺(tái)區(qū)域的管線接口位置建議選擇在棧橋基礎(chǔ)2.5 m外的范圍，確保平臺(tái)上的管線不影響棧橋安裝。過(guò)橋電纜考慮其鋪設(shè)方便，電纜預(yù)鋪設(shè)在棧橋上，兩端電纜盤在棧橋上，棧橋安裝后再鋪設(shè)到平臺(tái)的預(yù)定接口位置。

3.3 棧橋安裝建議

由于平臺(tái)安裝誤差，棧橋基礎(chǔ)與平臺(tái)基礎(chǔ)產(chǎn)生角度偏差，為了解決偏差對(duì)棧橋安裝的影響，安裝時(shí)先把下滑動(dòng)塊和上滑動(dòng)塊裝配好，同棧橋主體吊裝，棧橋就位前調(diào)整下滑動(dòng)塊位置，使其落在設(shè)計(jì)確定的平臺(tái)基礎(chǔ)上，再與平臺(tái)基礎(chǔ)焊接固定。

3.4 其他建議

(1) 及時(shí)進(jìn)行管線應(yīng)力分析，確定膨脹彎的大小，合理選擇管線膨脹彎的寬度，盡可能減少棧橋的寬度和膨脹彎支撐結(jié)構(gòu)的尺寸。

(2) 合理布置管線，盡量采取垂直管線膨脹彎，簡(jiǎn)化棧橋主體結(jié)構(gòu)型式。

(3) 棧橋主體結(jié)構(gòu)要具有長(zhǎng)度調(diào)整的余量以適應(yīng)平臺(tái)安裝測(cè)量后的棧橋方案調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)棧橋基礎(chǔ)特殊構(gòu)造的設(shè)計(jì)，棧橋與平臺(tái)甲板面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，解決了南海油田惡劣環(huán)境條件下兩平臺(tái)產(chǎn)生較大的相對(duì)位移對(duì)基礎(chǔ)連接的影響；通過(guò)棧橋主體結(jié)構(gòu)膨脹支撐結(jié)構(gòu)，支撐管線的膨脹彎，保證管線由于位移產(chǎn)生的應(yīng)力得到釋放，解決管線由于兩平臺(tái)產(chǎn)生相對(duì)位移引起管線拉伸和擠壓破裂。 南海100 m水深以內(nèi)平臺(tái)的棧橋都是根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，采用可釋放位移和應(yīng)力的特殊基礎(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，使現(xiàn)役棧橋未出現(xiàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及管線破壞的現(xiàn)象，使用效果好。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

Design and Application of Bridge on Offshore Oil and Gas Field

HUANG Lian-ying, CHEN Shi, XU Zheng-gang, LI Qing-ming

(NHWOC Zhanjiang Survey and Design Co., Ltd, Guangdong Zhanjiang 524057, China)

In offshore oil/gas field development, in order to reduce investment, need to rely on existing oil field establishment. Two platforms connected by bridge，two or more platforms can share oil/gas process system, utility system, electric power system and control system etc，by using bridge, replace constructing of subsea pipeline and subsea cable, save the building time and reduce a great deal investment. The paper present the design principle and key design technology of bridge, and offer design guidance of bridge for two platform in water depth about 100 meter.

trestle bridge; fixed end support; sliding end support; platform displacement; expansile-bend

2014-10-28

黃蓮英(1968-)，女，高級(jí)工程師。

1001-4500(2015)04-0015-05

P75

A