基于管樁耦合模型的獨(dú)樁平臺(tái)棧橋管道應(yīng)力分析

李孟杰，高 晉，時(shí)米波，肖小龍

（1. 中石化石油工程建設(shè)有限公司，北京 100020；2. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257026）

在灘淺海油田開(kāi)發(fā)中，獨(dú)樁支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)較低，作為單井平臺(tái)、火炬平臺(tái)、棧橋支撐平臺(tái)得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但是獨(dú)立樁平臺(tái)抗側(cè)向位移剛度相對(duì)較小，在極端海冰、波浪等海洋環(huán)境載荷作用下，平臺(tái)上部水平位移較大[3]。棧橋是連接海上相鄰平臺(tái)之間油氣水管線的支撐，平臺(tái)發(fā)生位移會(huì)帶動(dòng)棧橋及其上的管道產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可能造成管道薄弱部位強(qiáng)度不足而發(fā)生損壞泄漏[4-5]。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)詳細(xì)分析棧橋管道應(yīng)力強(qiáng)度、固定支架推力，使管道的柔性設(shè)計(jì)滿足附加位移、內(nèi)壓等荷載下的總體要求[6]。

本文基于美國(guó)COADE公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)壓力管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ，結(jié)合勝利海上油田某平臺(tái)改造項(xiàng)目，將輸油管道、棧橋與獨(dú)立樁作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，得到了輸油管道的詳細(xì)應(yīng)力[6-7]，并根據(jù)分析結(jié)果提出管道布置優(yōu)化建議，為類似項(xiàng)目提供參考借鑒。

1 獨(dú)樁平臺(tái)棧橋管道結(jié)構(gòu)載荷特性

某海上平臺(tái)改造項(xiàng)目見(jiàn)圖1。改造方案要求拆除圖1（a）方框內(nèi)生產(chǎn)平臺(tái)，將原連接在該平臺(tái)上的輸油管道，通過(guò)獨(dú)樁支撐的棧橋（圖1（b））連接到另一座新建平臺(tái)上，管道長(zhǎng)度約為50 m。

圖1 獨(dú)樁平臺(tái)棧橋管道系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of single-pile platform trestle piping system

海上獨(dú)立樁棧橋上的輸油管道與陸上管道相比，所受的荷載除常規(guī)的管道內(nèi)壓、重力荷載外[7]，尤其需要重點(diǎn)關(guān)注的是獨(dú)立樁平臺(tái)、棧橋與其他平臺(tái)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致管道產(chǎn)生的附加位移荷載。

在極端海冰、波浪等荷載作用下，由于獨(dú)立樁的抗側(cè)移剛度相對(duì)較小，固定于獨(dú)立樁上的輸油管道立管部分將被動(dòng)隨之同步發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生附加位移荷載。棧橋與平臺(tái)固定方式通常為一端焊接固定，一端滑動(dòng)連接。棧橋滑動(dòng)連接支座處設(shè)有擋塊以限制其橫向運(yùn)動(dòng)，因此敷設(shè)于棧橋上管道的主要運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是沿管道軸向滑動(dòng)，棧橋上管道支撐與管道之間產(chǎn)生摩擦力荷載[4]。

2 獨(dú)樁平臺(tái)棧橋管道應(yīng)力分析及布置優(yōu)化

2.1 管道獨(dú)立模型分析方法

該項(xiàng)目沿獨(dú)立樁平臺(tái)棧橋敷設(shè)的輸油管道及獨(dú)立樁相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輸油管道及獨(dú)立樁相關(guān)參數(shù)Table 1 Relative parameters of oil pipeline and single pile

輸油立管與獨(dú)立樁通過(guò)固定管卡連接（圖2），該固定管卡對(duì)立管豎向及水平方向進(jìn)行平動(dòng)位移約束，該支架下部海面以下還有兩個(gè)導(dǎo)向管卡對(duì)立管進(jìn)行水平方向的平動(dòng)位移約束。

圖2 獨(dú)立樁與立管的連接示意圖Fig. 2 Schematic diagram of connection between single pile and riser

輸油管道和獨(dú)立樁分別單獨(dú)建模計(jì)算分析時(shí)，極端海冰工況下獨(dú)立樁各管卡處的水平位移量見(jiàn)表2，其中第一管卡處的水平位移為483 mm，然后直接將約束立管的獨(dú)立樁上各管卡支架處的海冰位移荷載施加于立管上進(jìn)行應(yīng)力分析。

表2 獨(dú)立樁各管卡處水平附加位移量Table 2 Horizontal additional displacement at each pipe clamp on single pile

在對(duì)沿獨(dú)立樁敷設(shè)的管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，附加位移工況組合應(yīng)綜合考慮上述四個(gè)方向的水平位移量，分四種工況分別對(duì)輸油管道應(yīng)力進(jìn)行校核評(píng)估。

該輸油管道從海底敷設(shè)而來(lái)，沿獨(dú)立樁向上敷設(shè)至平臺(tái)，然后在平臺(tái)上通過(guò)兩個(gè)彎頭拐向棧橋，通過(guò)棧橋?qū)⒐艿酪蛄硪粋€(gè)大平臺(tái)，固定于大平臺(tái)上的收發(fā)球筒處。管道應(yīng)力常規(guī)建模分析方法將管道作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)，使用CAESARⅡ軟件建立起應(yīng)力分析模型見(jiàn)圖3。將獨(dú)立樁管卡處的冰荷載位移通過(guò)關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)施加于管道，管道與收發(fā)球筒處做簡(jiǎn)化固支處理，棧橋部分管道通過(guò)滑動(dòng)支架安放于棧橋，當(dāng)獨(dú)立樁在冰荷載作用下帶動(dòng)棧橋晃動(dòng)時(shí)，將對(duì)安放于其上的管道施加一個(gè)滑動(dòng)摩擦力，此效應(yīng)也在模型中通過(guò)關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行模擬。

圖3 輸油管道獨(dú)立分析計(jì)算模型Fig. 3 Independent analysis and calculation model of oil pipeline

基于輸油管道獨(dú)立建模，CAESARⅡ分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。該管道在各附加位移工況下的應(yīng)力均嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許值[6]，其中超標(biāo)最為嚴(yán)重的工況為軸向附加位移（正向）工況，應(yīng)力計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)允許值的874%，收發(fā)球筒固定端處的推力為710 kN。從應(yīng)力分析的角度，這是由于管道在較大的附加位移荷載作用下，自身缺乏足夠的柔性吸收管道變形[8-9]。為此，提出以下四種提高管道柔性的方法：（a）在棧橋管道中部增加一個(gè)平面π型補(bǔ)償器；（b）在棧橋管道增加兩個(gè)平面π型補(bǔ)償器；（c）在棧橋管道中部增加一個(gè)立體π型補(bǔ)償器；（d）在棧橋管道增加兩個(gè)立體π型補(bǔ)償器。計(jì)算模型見(jiàn)圖4，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 管道增設(shè)位移補(bǔ)償器優(yōu)化布置計(jì)算模型Fig. 4 Calculation model for optimal placement of additional displacement compensator in pipeline

表3 管道應(yīng)力及推力分析結(jié)果Table 3 Analysis results of pipe stress and thrust

由表3可知，該管道極端海冰工況下由于附加位移作用，即使調(diào)整輸油管道自身柔性來(lái)吸收管道附加位移，仍不能滿足要求。

2.2 管樁耦合模型分析方法

獨(dú)立樁結(jié)構(gòu)為外徑1 600 mm，壁厚34 mm的結(jié)構(gòu)鋼管；輸油管道為外徑457 mm，壁厚14.27 mm的鋼管，且該管道在另一側(cè)的平臺(tái)上進(jìn)行了固定[10]。對(duì)于輸油管道和獨(dú)立樁構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，輸油管道自身的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)該系統(tǒng)的影響因子不容忽略，因此采用管樁耦合整體系統(tǒng)理念，將輸油管道、獨(dú)立樁平臺(tái)及棧橋作為一個(gè)整體建立分析模型，更符合管道系統(tǒng)受力實(shí)際。

極端海冰工況下海冰對(duì)獨(dú)立樁的水平荷載約為600 kN，將輸油管道與獨(dú)立樁構(gòu)建到一個(gè)應(yīng)力分析系統(tǒng)中，管道與收發(fā)球筒處做簡(jiǎn)化固支處理，棧橋部分管道通過(guò)滑動(dòng)支架安放于棧橋。當(dāng)獨(dú)立樁在冰荷載作用下帶動(dòng)棧橋晃動(dòng)時(shí)，將對(duì)安放于其上的管道施加一個(gè)滑動(dòng)摩擦力，此效應(yīng)也在模型中通過(guò)關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行模擬（圖5）將上述海冰沖擊荷載施加到該系統(tǒng)，再次進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。通過(guò)計(jì)算分析可知，極端海冰工況下獨(dú)立樁最大水平位移同樣發(fā)生在第一個(gè)管卡處，為258 mm，降低為單獨(dú)考慮獨(dú)立樁結(jié)構(gòu)時(shí)的53%。

圖5 管樁耦合整體分析模型Fig. 5 Overall analysis model of pipe-pile coupling

采用基于管樁耦合的管道應(yīng)力計(jì)算模型，CAESARⅡ分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，分析計(jì)算可知，若不采取任何柔性補(bǔ)償措施，其最大應(yīng)力計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)允許值的258%，收發(fā)球筒固定端處的推力為218 kN，仍需要提高管道柔性以滿足強(qiáng)度要求。

依據(jù)管道應(yīng)力分析結(jié)果，提出以下幾種提高管道柔性方法：（a）在棧橋管道中部增加一個(gè)平面π型補(bǔ)償器；（b）在棧橋管道增加兩個(gè)平面π型補(bǔ)償器；（c）在棧橋管道中部增加一個(gè)立體π型補(bǔ)償器；（d）在棧橋管道增加兩個(gè)立體π型補(bǔ)償器。針對(duì)以上補(bǔ)償措施，基于管樁耦合分析模型，分析管道的應(yīng)力及推力結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 基于管樁耦合模型管道應(yīng)力及推力分析結(jié)果Table 4 Analysis results of pipe stress and thrust based on pipe-pile coupling model

對(duì)表4計(jì)算結(jié)果分析可知，雖然采用了基于管樁耦合系統(tǒng)的管道應(yīng)力分析方法，并采取了相應(yīng)的柔性補(bǔ)償方案，管道應(yīng)力仍然超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許值約30%。分析應(yīng)力超標(biāo)節(jié)點(diǎn)可知，最大應(yīng)力超標(biāo)點(diǎn)為輸油管道立管第一個(gè)管卡處，另外一個(gè)位置是靠近大平臺(tái)的π型補(bǔ)償器處。因此考慮以下兩種方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：（a）調(diào)整π型補(bǔ)償器尺寸；（b）在獨(dú)立樁管卡與管道之間增加一層橡膠板，以降低獨(dú)立樁附加位移荷載對(duì)輸油管道的沖擊荷載。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 進(jìn)一步優(yōu)化管道應(yīng)力及推力分析結(jié)果Table 5 Stress and thrust analysis results of further optimized model

由表5可知，采用基于管樁耦合模型的管道應(yīng)力分析方法，并進(jìn)行管道優(yōu)化布置，提高柔性補(bǔ)償能力，可有效降低管道的應(yīng)力水平，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

（1）對(duì)獨(dú)立樁棧橋平臺(tái)油氣輸送管線應(yīng)力分析，平臺(tái)附加位移荷載是需要重點(diǎn)關(guān)注的外載荷。

（2）獨(dú)立樁棧橋管道采用基于管樁耦合分析模型，將油氣輸送管道、獨(dú)立樁平臺(tái)及棧橋作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，更符合實(shí)際。

（3）基于樁管耦合分析，結(jié)合管道優(yōu)化布置可有效降低管道應(yīng)力水平，避免類似項(xiàng)目常規(guī)采用非金屬柔性連接件頻繁更換引起的停產(chǎn)難題。