東海棧橋安裝對(duì)管線布置的影響

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

東海棧橋安裝對(duì)管線布置的影響

李雙勝，程新宇，郭慶，王冰，王彥多

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

東海棧橋位移較大，棧橋上管線的應(yīng)力分析計(jì)算難度大，耗費(fèi)時(shí)間長，對(duì)管線的布置要求也很高。棧橋的安裝偏差超過既定范圍，就會(huì)對(duì)棧橋和組塊的管線連接造成影響，需要重新備料、重新布置管線并進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)合東海某平臺(tái)的棧橋安裝案例，對(duì)棧橋安裝的高度、長度以及角度偏差對(duì)棧橋上管線布置的影響進(jìn)行了分析，指出布置管線時(shí)需要充分考慮水深測量誤差以及導(dǎo)管架過渡段調(diào)整，針對(duì)高度偏差應(yīng)當(dāng)進(jìn)行備料、管線規(guī)劃和管線應(yīng)力分析預(yù)案，盡量避免管線從棧橋側(cè)面或者棧橋底部進(jìn)入棧橋，管線進(jìn)入棧橋前應(yīng)當(dāng)預(yù)留較長的直管段，可為東海棧橋上管線布置提供參考。

管線； 棧橋； 安裝； 偏差； 影響

棧橋是連接海上油氣田2個(gè)或者多個(gè)平臺(tái)間油氣水管線、電纜和人員通行的通道，一般采用空間框架鋼結(jié)構(gòu)[1]。通過棧橋管線可以實(shí)現(xiàn)海上油氣田各平臺(tái)間公用系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及儀表等的連接，確保海洋石油的持續(xù)開發(fā)，減少持續(xù)開發(fā)的投資。

海洋平臺(tái)及棧橋通常是分開吊裝，棧橋及平臺(tái)安裝就位后才能進(jìn)行棧橋上管線和組塊管線的連接，如果組塊、棧橋安裝偏差較大，就會(huì)給管線連接帶來較大困難，甚至無法連接。

1 東海棧橋管線布置研究重要性

棧橋管線與平臺(tái)上的管線相比，在應(yīng)力分析中需考慮的載荷包括壓力、重力和各種偶然載荷(地震加速度、風(fēng)載、安全閥泄放反力和水錘力)[2-4]。為了吸收棧橋管線由于載荷、熱應(yīng)力、平臺(tái)位移等產(chǎn)生的應(yīng)力，國際上主要采用中間U膨脹彎、Z字型膨脹彎、兩端U型膨脹彎以及兩端軟管連接等方法布置棧橋管線[5]。

渤海水深較淺，水深平均約20 m，水深導(dǎo)致的棧橋安裝誤差較小。棧橋相對(duì)位移也較小(一般在100～300 mm)，即便棧橋安裝產(chǎn)生偏差，應(yīng)力計(jì)算也容易通過。和渤海相比，東海水深一般在90 m左右，棧橋的安裝誤差及兩平臺(tái)相對(duì)位移急劇增大。棧橋和組塊的安裝誤差較大，棧橋上管線的應(yīng)力計(jì)算較困難。應(yīng)力計(jì)算通過后對(duì)棧橋改變的敏感度較高，棧橋上管線直管段縮小或增大都需要重新計(jì)算應(yīng)力，通過改變支架的型式及位置來實(shí)現(xiàn)管線位移的吸收。因此，東海棧橋的安裝對(duì)棧橋上管線布置有顯著影響。

東海某平臺(tái)棧橋x、y、z方向的推算位移分別為87.7 cm、85 cm和19.92 cm，已經(jīng)遠(yuǎn)高于渤海地區(qū)的平臺(tái)棧橋位移。該平臺(tái)應(yīng)力分析后的管線布置見圖1。

圖1 東海某平臺(tái)應(yīng)力分析后棧橋管線布置

雖然該平臺(tái)棧橋通過了應(yīng)力計(jì)算，但由于棧橋計(jì)算位移較大，16根管線應(yīng)力計(jì)算就需要25 d，而渤海棧橋管線應(yīng)力計(jì)算只需7 d。考慮到管道柔性設(shè)計(jì)問題，在滑動(dòng)端平臺(tái)管線進(jìn)入棧橋前預(yù)留了10～15 m的直管段，且部分支架無法添加導(dǎo)向或止推約束，導(dǎo)致該直管段管線自然頻率較低，最低僅為1.356 Hz。經(jīng)計(jì)算滑動(dòng)端平臺(tái)在正常操作時(shí)的頻率為1/2.253=0.44 Hz，滑動(dòng)端平臺(tái)千年一遇極端條件下平臺(tái)頻率為1/2.323=0.43 Hz。當(dāng)管線頻率接近和等于平臺(tái)固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振，易造成管線損壞。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)管線頻率大于平臺(tái)頻率的3倍時(shí)，可避免管線振動(dòng)破壞，即工程設(shè)計(jì)中需滿足3倍平臺(tái)固有頻率小于管線頻率，經(jīng)核實(shí)，該平臺(tái)3倍固有頻率為1.32 Hz<1.356 Hz，可見頻率滿足要求。雖然頻率滿足要求，在管道靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算中也已經(jīng)考慮了風(fēng)載及地震加速度等偶然載荷的影響，但由于預(yù)留了10～15 m的直管段，且部分支架無法添加導(dǎo)向或止推約束，在極端自然條件下，如臺(tái)風(fēng)等，還可能出現(xiàn)管道晃動(dòng)情況。目前國內(nèi)外對(duì)管道振動(dòng)問題進(jìn)行了大量研究，并解決了很多工程實(shí)際問題[6-10]。但往往在振動(dòng)分析中，沒有將復(fù)雜管路作為一個(gè)整體來考慮，僅對(duì)局部管路進(jìn)行分析，結(jié)果常出現(xiàn)振動(dòng)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[11，12]

可以看出，東海棧橋位移較大，管線應(yīng)力計(jì)算困難且時(shí)間長，還存在一定風(fēng)險(xiǎn)。一旦棧橋安裝偏差較大，組塊和棧橋的連接管線就需重新布置，重新計(jì)算應(yīng)力，造成工期延遲。隨著東海平臺(tái)的增多，棧橋管線布置的研究也顯得越來越重要。

2 棧橋安裝偏差對(duì)管線布置影響以及建議措施

深水導(dǎo)管架安裝分析一般包括導(dǎo)管架的裝船、拖航、下水、扶正及坐底等過程[13，14]。為了保證就位準(zhǔn)確，采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行船舶的導(dǎo)航和導(dǎo)管架的定位[15]。組塊安裝在導(dǎo)管架上方，棧橋安裝在組塊上方，導(dǎo)管架的安裝偏差導(dǎo)致上部組塊和棧橋的安裝偏差，因此分析導(dǎo)管架安裝誤差對(duì)管線布置的影響。

2.1導(dǎo)管架安裝高度偏差

在一般棧橋安裝過程中，導(dǎo)管架與組塊的連接處都設(shè)有過渡段。過渡段是鋼樁與組塊連接的主要結(jié)構(gòu)，用于海上導(dǎo)管架跨距和組塊水平標(biāo)高的調(diào)整。過渡段結(jié)構(gòu)由插尖、過渡段和直管段3部分組成，其上部與組塊立柱相連，下部與鋼樁相連，具體連接形式見圖2。過渡段的海上安裝大致分為兩個(gè)階段，一是測量鋼樁跨距，同時(shí)依據(jù)組塊實(shí)測跨距進(jìn)行鋼樁樁頭切割。二是安裝過渡段，并對(duì)過渡段上部進(jìn)行切割、找正、找平，保證組塊安裝后的水平度[16]。

圖2 過渡段與鋼樁、立柱連接示圖

由于組塊安裝在導(dǎo)管架上存在高度和水平度要求，導(dǎo)管架安裝偏差如果在可控范圍內(nèi)，可以通過切割導(dǎo)管架過渡段確保上部組塊高度和水平度的設(shè)計(jì)要求，不會(huì)對(duì)棧橋高度產(chǎn)生影響。因此，在所給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)誤差較小時(shí)，可以通過切割導(dǎo)管架過渡段來調(diào)整組塊安裝高度，不會(huì)對(duì)棧橋和組塊管線連接造成影響。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，水深測量誤差為1%，100 m水深誤差達(dá)1 m，因此要充分考慮東海水深測量誤差對(duì)組塊及棧橋高度的影響。

東海某平臺(tái)所給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)水深為86.9 m，經(jīng)過復(fù)測水深為88.6 m，過渡段約1 m，偏差為1.7 m，如果安裝深度和復(fù)測數(shù)據(jù)一致，則調(diào)整過渡段無法滿足工程需要。而導(dǎo)管架已經(jīng)焊接完成，若再增加過渡段，除需進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算外還要重新焊接、備料，工作量大，工期也不允許。經(jīng)討論認(rèn)為，如果實(shí)際安裝中過渡段無法滿足工程要求，只能修改配管管線并論證組塊降低后下層甲板是否滿足工程要求，需按照1.7 m的高度差進(jìn)行配管管線備料預(yù)案、管線布置及應(yīng)力計(jì)算預(yù)案。雖然實(shí)際安裝中水深在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，備料及應(yīng)力計(jì)算預(yù)案沒有實(shí)施，但筆者認(rèn)為進(jìn)行這樣的預(yù)案是必須的。

2.2導(dǎo)管架定位角度偏差及長度偏差

導(dǎo)管架的安裝誤差為0.5 m，方位角為2.5°。在此誤差范圍內(nèi)，可以通過縮短或者加長棧橋和組塊連接管線的直管段和調(diào)整管線角度進(jìn)行調(diào)節(jié)(管線設(shè)計(jì)時(shí)需考慮此偏差并進(jìn)行應(yīng)力分析)。如果遠(yuǎn)超此誤差范圍，棧橋或者組塊的管線就會(huì)難以連接，需要重新計(jì)算應(yīng)力。尤其對(duì)于由于安裝誤差造成實(shí)際安裝長度空間小于棧橋設(shè)計(jì)長度并且需要切割棧橋滑動(dòng)端的情況，不但要重新布置進(jìn)入棧橋管線還要重新計(jì)算應(yīng)力，造成工期延長和工程量增加，影響較大。

某新舊兩平臺(tái)，兩平臺(tái)1軸間距為2 360 mm，舊平臺(tái)A軸和新建平臺(tái)B軸間距為47 420 mm。但棧橋定位出現(xiàn)較大偏差，舊平臺(tái)A軸和新建平臺(tái)B軸間距為46 160 mm，且新建平臺(tái)為滑動(dòng)端，平臺(tái)間距較設(shè)計(jì)近了2.4 m，見圖3。經(jīng)測量導(dǎo)管架角度偏差為1.1°，在誤差范圍內(nèi)。

圖3 新舊平臺(tái)棧橋?qū)嶋H安裝測量尺寸

如果切割滑動(dòng)端，由于管線相對(duì)于棧橋位置的改變，進(jìn)入棧橋較大部分管線會(huì)發(fā)生碰撞，需重新調(diào)整并進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，部分支架需重新設(shè)計(jì)，U型彎部分以及伸出棧橋管線需重新調(diào)整，現(xiàn)場的工作量比較大。

如果切割固定端，固定端對(duì)管線的應(yīng)力影響較小，管線改動(dòng)相對(duì)較容易。但此時(shí)棧橋已經(jīng)在東海指定區(qū)域準(zhǔn)備安裝，如果切割固定端，需要避開固定端的銷鎖結(jié)構(gòu)，在靠近固定端將棧橋切割兩個(gè)斷面，再將兩段對(duì)接焊接，此時(shí)棧橋還固定在船上，并未安裝在平臺(tái)上，船受風(fēng)浪影響不停晃動(dòng)，難以將切割的兩段棧橋?qū)R進(jìn)行焊接，因此只能考慮切割滑動(dòng)端。而對(duì)棧橋進(jìn)行滑動(dòng)端切割安裝之后，棧橋和組塊管線連接受到重大影響，需要重新備料、布置管線并且計(jì)算應(yīng)力。

通過以上案例分析，筆者建議，布置東海棧橋上的管線時(shí)，管線盡量不要從棧橋側(cè)面或棧橋底部進(jìn)入棧橋，防止因棧橋長度存在偏差，棧橋切割后管線進(jìn)入棧橋時(shí)與棧橋斜撐碰撞。布置管線時(shí)還要考慮在進(jìn)入棧橋前預(yù)留較長直管段，棧橋長度安裝偏差較小時(shí)可通過切割管線直管段調(diào)整棧橋管線和組塊管線的連接。

3 結(jié)語

東海棧橋位移較大，棧橋的安裝誤差對(duì)棧橋上的管線布置影響較大，進(jìn)行管線布置時(shí)，需充分考慮水深測量誤差及過渡段調(diào)整，進(jìn)行高度偏差備料預(yù)案，針對(duì)高度偏差進(jìn)行管線規(guī)劃和管線應(yīng)力分析預(yù)案。管線盡量不要從棧橋側(cè)面或棧橋底部進(jìn)入棧橋，防止因棧橋長度存在偏差，棧橋切割后管線進(jìn)入棧橋時(shí)與棧橋斜撐碰撞。布置管線時(shí)考慮在進(jìn)入棧橋前預(yù)留較長直管段，棧橋長度安裝偏差較小時(shí)可以通過切割管線直管段來調(diào)整棧橋管線和組塊管線的連接。

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(張編)

EffectofBridgeInstallationintheEastSeaontheLayoutofCross-bridgePiping

LIShuang-sheng，CHENGXin-yu，GUOQing，WANGBing，WANGYan-duo

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

The pipeline of bridge displacement is larger on the East China Sea， so the piping stress analysis is more difficult to calculation and need take more time and need higher pipeline layout requirements. When the installation deviation of bridge exceeding design range，the pipeline connection between the bridge and the platform will be affected，materials need to be prepared and piping needs to be rearranged and stress analysis needs to be recalculated. Based on platform installation case on the East China Sea，the affection of the bridge installation height，length，angle deviation on pipeline arrangement was analyzed，the measurement error of the water depth and the transition segment adjustment of jacket should be fully considered and material for installation deviation of bridge installation height needs to be prepared and piping layout and pipeline stress analysis plan needs to be prepared when the piping is arranged，the pipeline should avoid enter bridge through the bridge side or at the bottom of the bridge， a long straight pipe should be reserved before the piping entering the bridge. It can provide reference for piping layout of bridge on the East China Sea.

piping； bridge； installation； deviation； affection

TQ055.8； TE973

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.003

1000-7466(2017)03-0010-04①

2016-11-30

李雙勝(1980-)，男，河北滄州人，工程師，碩士，現(xiàn)從事總體配管專業(yè)技術(shù)工作。