一種海洋平臺后安裝立管的防船舶碰撞措施

付方，黃會娣，張東衛(wèi)，肖花

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

引言

海洋平臺立管是現(xiàn)代海洋工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的重要組成部分之一，同時也是薄弱易損的構(gòu)件之一。海洋立管內(nèi)部一般有高壓的油氣通過，外部承受波浪、海流荷載的作用。由于立管所處的海洋環(huán)境的復(fù)雜性，其影響因素也較多。船舶碰撞是導(dǎo)致海洋石油平臺損壞的突出風(fēng)險因素，例如，2005-06-27，印度國家石油公司BHN平臺因供應(yīng)船意外碰撞立管而引發(fā)平臺爆炸后損毀。本文針對東海某平臺后安裝立管，采取了分區(qū)域布置安裝的方式，避免了由于風(fēng)、浪、流等海況影響，船舶操控失誤等因素造成的船舶碰撞立管風(fēng)險[1～2]。

1 常用的立管保護(hù)方法

根據(jù)海底管道設(shè)計規(guī)范DNV-OS-F101（2005版）所述“立管應(yīng)布置于平臺結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，針對船舶碰撞荷載與其他受力作用必須考慮保護(hù)措施，立管不應(yīng)布置于平臺裝/卸貨區(qū)域內(nèi)”的設(shè)計要求[3]， 避免和減少值班運(yùn)輸船、守護(hù)船、漁船等對立管可能造成的碰撞破壞，需要考慮對后安裝立管進(jìn)行保護(hù)?；谶^往項目經(jīng)驗，常用的立管保護(hù)方案如下：

a) 將立管布置在導(dǎo)管架樁腿內(nèi)側(cè)，可直接避免船舶對立管撞擊，該方法常應(yīng)用于預(yù)安裝立管。

b) 將立管布置在導(dǎo)管架樁腿外側(cè)，同時為立管加裝防護(hù)框架，避免船舶碰撞對立管造成損壞，該方法常應(yīng)用于后安裝立管，但常受導(dǎo)管架型式及立管布置位置的限制。

c) 采用管理手段，嚴(yán)格要求油田作業(yè)船舶選擇良好天氣和海況條件作業(yè)，根據(jù)規(guī)范要求風(fēng)力大于6級或浪高大于1.0米，視線不良或能見度小于0.5海里時，禁止靠泊平臺[2]。

2 平臺后安裝立管應(yīng)用背景

a) 該海洋平臺位于東海海域，政治因素敏感，沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，海上交通運(yùn)輸和漁業(yè)活動較為頻繁。

b) 該平臺為中心處理平臺，連接周邊各井口平臺，并將天然氣外輸?shù)疥懙亟K端，作用重要。

c) 該平臺后安裝立管為輸氣管線，安全風(fēng)險等級高。

d) 業(yè)主方缺少相關(guān)船舶資料數(shù)據(jù)，無法根據(jù)DNV RP F107《管道保護(hù)的風(fēng)險評估》規(guī)范，結(jié)合事件發(fā)生概率與后果影響對立管進(jìn)行風(fēng)險分析，從事故發(fā)生頻次與后果影響確定立管碰撞風(fēng)險等級[4]。

綜合以上各因素，本項目必須為后安裝22寸輸氣立管開展立管保護(hù)設(shè)計。

3 平臺后安裝立管應(yīng)用型式

3.1 后安裝立管布置

該平臺后安裝22寸立管總長約120米，受安裝條件限制，無法將該立管整體布置到導(dǎo)管架樁腿內(nèi)側(cè)。另外該立管布置在導(dǎo)管架兩軸樁腿之間的立面，導(dǎo)管架片在船舶碰撞區(qū)域沒有合適的支撐結(jié)構(gòu)為立管加裝防護(hù)框架。為此，后安裝22寸立管采用了分區(qū)域布置方法，將立管共分為四節(jié)進(jìn)行安裝，每節(jié)之間用法蘭進(jìn)行連接，在水下EL(-)8.5米位置采用兩個彎頭連接過渡，將靠近導(dǎo)管架頂部的立管段布置到導(dǎo)管架內(nèi)側(cè)，該方法可直接避免船舶對立管的撞擊。

圖1 后安裝立管布置

圖2 后安裝立管有限元模型

3.2 立管設(shè)計輸入?yún)?shù)

表1 22"立管設(shè)計參數(shù)

表2 環(huán)境參數(shù)

表3 土壤參數(shù)

應(yīng)用有限元軟件AUTOPIPE進(jìn)行分析模擬，需要將立管、膨脹彎、海管同時進(jìn)行模擬，立管頂部與配管系統(tǒng)連接處和海管端部入土處采用固定邊界條件，用ANCHOR單元模擬。立管、膨脹彎、海管用管單元（PIPE RUN）模擬，彎頭用BEND單元模擬，立管卡子用GUIDE模擬，懸掛法蘭用LINESTOP（一種位移約束）模擬，BULKHEAD用BEAM/FRAME模擬，立管底部與膨脹彎、及膨脹彎之間連接用FLANGE模擬。

3.3 強(qiáng)度分析

立管在船舶碰撞區(qū)域采用兩個彎頭連接過渡，會改變該區(qū)域立管及懸掛法蘭的應(yīng)力分布，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，以滿足規(guī)范要求。

立管橫截面在經(jīng)受彎矩、有效軸向力和內(nèi)部過壓條件下需要滿足下列設(shè)計要求[3]：

式中γA, γE, γF, γP為荷載效應(yīng)因子；γC為條件荷載效應(yīng)因子；γsc, γm分別為安全等級抗力因子和材料抗力因子；Md, MF, ME, MA分別為設(shè)計彎矩、功能荷載彎矩、環(huán)境荷載彎矩、偶然荷載彎矩；Sd, SF, SE, SA為設(shè)計有效軸向力、功能荷載軸向力、環(huán)境荷載軸向力、偶然荷載軸向力；ΔPd為設(shè)計壓力差；Mp為塑性彎矩抗力，Mp=fy.(D-t2)2.t2；SP為特征塑性軸向抗力，Sp=fy.π.(D-t2)2.t2；Pb(t2)為破裂壓力；αc為考慮應(yīng)變硬化的流動應(yīng)力參數(shù)，αc=(1-β)+ βfu/fy。

表4 立管組合荷載應(yīng)力校核

懸掛法蘭將立管的重量等載荷傳遞到支撐架上，錨固懸掛法蘭為一整體鍛造件，通過焊接與立管連接在一起，該種型式的懸掛法蘭不僅安裝方便，外表面也易于進(jìn)行防腐處理，還擁有更高的強(qiáng)度與抗疲勞性能，因此也更加適用于較深水域。由于懸掛法蘭的非規(guī)則結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其受力復(fù)雜，因此需要采用有限元軟件ABAQUS實體建模來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與計算。

圖3 懸掛法蘭受力模型圖

表5 懸掛法蘭應(yīng)力校核

圖4 懸掛法蘭有限元模型

4結(jié)束語

由于海上風(fēng)浪作用，?？看慌c平臺的碰撞不可避免。本文針對東海某平臺22寸后安裝立管，在立管無法整體布置在導(dǎo)管架樁腿內(nèi)側(cè)，并且無法為立管增加防護(hù)框架的背景下，采用立管分區(qū)域布置安裝方法，將可能受船舶影響區(qū)域的立管采用彎頭、法蘭連接的方式安裝在導(dǎo)管架樁腿內(nèi)側(cè)。避免立管因可能的船舶碰撞破損而引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故，造成人員傷亡、設(shè)備損壞及平臺結(jié)構(gòu)損傷。