一種新型管道支架在海洋平臺(tái)的應(yīng)用

王戈戰(zhàn)+李鵬濤+董承昊

摘 要：管道作為海洋石油平臺(tái)的“血管”，管道應(yīng)力是衡量管道能否安全運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。合理設(shè)置管道支架對(duì)管道應(yīng)力的大小有著直接影響。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。在中海油某海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，選用了多孔角型鋼、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、扁鋼材料。通過(guò)對(duì)新型管道支架荷載應(yīng)力分析、建立三維模型等研究，成功地在該平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái) 管道支架 新型支架

中圖分類號(hào)：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（b）-0060-02

管道作為海洋石油平臺(tái)的“血管”，其設(shè)計(jì)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。管道在設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足平臺(tái)生產(chǎn)工藝流程的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮機(jī)械設(shè)備、泵、管道附件的受力情況[1]，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)[2]。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，見(jiàn)表1。

1 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%[3]。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，在中海油墾利某海洋平臺(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，如圖1，圖2所示。

2 新型支架的應(yīng)力分析與形變計(jì)算

如圖3所示，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7.85×10-9 t/mm3；彈性模量：210 GPa；泊松比：0.3；屈服應(yīng)力：235 MPa。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（700 kg）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100 MPa，螺栓的最大von米塞斯應(yīng)力為210 MPa。而角鋼主體最大位移約1.2 mm，垂直方向最大位移0.94 mm，管支架的強(qiáng)度和剛度都符合要求。

3 新型管道支吊架在海洋平臺(tái)的應(yīng)用

如圖4所示，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)用于中海油墾利某海洋平臺(tái)中。與傳統(tǒng)碳鋼支架相比，新型支架具有焊接作業(yè)少、施工程序簡(jiǎn)單、靈活度高等優(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)目大幅度提高。

4 結(jié)語(yǔ)

新型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，形成組合型支架。

由于多孔角型鋼、多孔平板型鋼等新型材料具有質(zhì)量輕、焊接作業(yè)少、施工程序簡(jiǎn)單等特點(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。

參考文獻(xiàn)

[1] 周長(zhǎng)江.石油化工管道支吊架的設(shè)置及選用[J].廣東化工，2013（8）：154-155.

[2] 吳曄.如何正確分析化工管道設(shè)計(jì)中的管道應(yīng)力[J].中國(guó)化工貿(mào)易，2015：（35）.

[3] 陳靜.海上油氣田上部設(shè)施管道支吊架的工程設(shè)計(jì)[A].中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)近海工程學(xué)術(shù)委員會(huì)海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議[C].2007.