黃健文

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院， 天津 300451）

海上較近的兩固定鉆采平臺(tái)之間通過棧橋方式連接，可以方便平臺(tái)之間的物流運(yùn)輸和人員操作及溝通。棧橋之間的物流運(yùn)輸通過管線進(jìn)行串聯(lián)，將其中一個(gè)平臺(tái)的物流輸送至另一個(gè)平臺(tái)。平臺(tái)之間受海洋環(huán)境、地理位置等因素影響，所產(chǎn)生的相對(duì)位置也有差別；設(shè)計(jì)時(shí)，按極端工況進(jìn)行布置和考慮。本文著重分析平臺(tái)之間通過軟管連接的布置要素和特點(diǎn)。

1 棧橋及管線設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，目前棧橋軸向相對(duì)位移絕對(duì)值大于1m時(shí)均使用軟管連接。南海相對(duì)于其他海域，臺(tái)風(fēng)較多，雨水量大，水較深等，海上工況比較惡劣，兩平臺(tái)相對(duì)位移一般情況下比其他海域要大。如南海東部2018年新建某項(xiàng)目，棧橋相對(duì)位移達(dá)到1.58m。以下為新建項(xiàng)目的基本參數(shù)。

1.1 計(jì)算參數(shù)

平臺(tái)環(huán)境最低溫度1 3 ℃，環(huán)境最高溫度34.9℃，最大風(fēng)速達(dá)到70m/S；管線設(shè)計(jì)最大壓力12150kPa，最高溫度105℃，其中原油、注水、閉排、低壓排放系統(tǒng)均含腐蝕性物質(zhì)H2S，對(duì)應(yīng)選擇的軟管應(yīng)滿足介質(zhì)要求。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

兩平臺(tái)在操作工況和極端工況下，各坐標(biāo)方向的最大位移值如下圖所示：其中X為平臺(tái)棧橋軸向方向，Y為平臺(tái)棧橋平面垂直于軸向的方向，Z為垂直方向。

當(dāng)兩個(gè)平臺(tái)沿相反方向移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)平臺(tái)的相對(duì)位移最大，故分別選取兩個(gè)平臺(tái)在操作工況和極端工況下沿相反方向的位移絕對(duì)值相加，得出兩個(gè)平臺(tái)在各坐標(biāo)方向下的最大相對(duì)位移，如圖1。

圖1

如此大的軸向位移，加上平臺(tái)有限的布置環(huán)境，通過硬管連接兩平臺(tái)之間輸送物流，管線有限的柔性已不能滿足平臺(tái)相對(duì)位移及設(shè)計(jì)工況下的柔性需求。棧橋端須采取軟管連接。

2 軟管布置

2.1 棧橋特點(diǎn)

棧橋承重于兩個(gè)固定平臺(tái)兩端，相當(dāng)于兩個(gè)支點(diǎn)，棧橋的結(jié)構(gòu)和物理性能必須滿足棧橋端的跨距要求。其中一端分別為鉸鏈端（固定端），另外一端為滑動(dòng)端。鉸鏈端通過通過旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，垂直方向上下移動(dòng)；滑動(dòng)端是水平面軸向±X方向，垂直于軸向±Y方向四個(gè)方向平移。

2.2 軟管位置選取

棧橋特點(diǎn)決定了軟管布置選取。如前所述，在棧橋固定端（即棧橋鉸鏈端），棧橋與固定平臺(tái)A之間的相對(duì)位移在上下方向，尤其是軸向位移為0，考慮到平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性，此處棧橋與平臺(tái)之間采用軟管連接，意義不大。而在棧橋滑動(dòng)端，各方向在極端工況下，相對(duì)位移最大。此端部棧橋與固定平臺(tái)B采用軟管連接，能夠最大限度地體現(xiàn)軟管的價(jià)值和性能。

圖2 棧橋布置

2.3 軟管布置特點(diǎn)

軟管在布置過程中，需考慮的因素很多，其中最主要的是軟管在極端工況位移下，不能小于其彎曲半徑的2倍；其次是根據(jù)棧橋的方位和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究軟管排布布置。根據(jù)A平臺(tái)已有工藝和公共關(guān)系布置特點(diǎn)，集合新建平臺(tái)的管排布置，將大尺寸關(guān)系靠近棧橋布置，分部在兩側(cè)，其他尺寸管線逐步靠外布置。由于尺寸和介質(zhì)不同，軟管的彎曲半徑不同，因此考慮大管包小管、高磅級(jí)包低磅級(jí)的布置方案。

3 軟管設(shè)計(jì)

3.1 軟管標(biāo)準(zhǔn)選取

新建平臺(tái)初期通過大量調(diào)研和資料考察，在符合海洋環(huán)境的運(yùn)輸軟管API 17J與API 17K之間選擇，考慮到棧橋與軟管載荷對(duì)老平臺(tái)A影響以及不同標(biāo)準(zhǔn)軟管特性，API 17K標(biāo)準(zhǔn)的軟管優(yōu)于API 17J標(biāo)準(zhǔn)軟管。

通過對(duì)比，API 17K是橡膠粘和型軟管、彎矩小、質(zhì)量輕、金屬纏繞結(jié)構(gòu)、接頭嵌入整合型，軟管整體受力好；API 17J是分層+塑料+鋼帶結(jié)構(gòu)、彎矩大、質(zhì)量重、彎曲剛度大，接頭塑料層無(wú)化學(xué)粘接成型。軟管受力時(shí)，層級(jí)間會(huì)相互摩擦，受力效果一般。兩者在壽命上均達(dá)可到平臺(tái)壽命25年。

表1 軟管API 17K與API 17J比較

圖4 API 17J與API 17K軟管接頭

3.2 軟管端部載荷計(jì)算

軟管端部計(jì)算是軟管布置中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗钦麄€(gè)棧橋和工藝系統(tǒng)的安全性最高的一環(huán)。表2為相同條件下API 17K與API 17J兩種標(biāo)準(zhǔn)廠商提供的連接端部需要的最小載荷值。

表2

通過對(duì)比，API 17K標(biāo)準(zhǔn)軟管連接端所需載荷明顯要小得多。表3是通過CAESAR II計(jì)算分析軟管（API 17K）端部需要的最小載荷要求。此坐標(biāo)X是平臺(tái)東西方向，Y是平臺(tái)南北方向，Z是垂直方向。

表3

在CAESAR II軟件模擬計(jì)算過程中，選擇極端工況下的設(shè)計(jì)條件，將計(jì)算結(jié)果載荷值反饋給相關(guān)專業(yè)進(jìn)行支架強(qiáng)度校核和棧橋結(jié)構(gòu)校核。

3.3 軟管法蘭泄漏校核

確認(rèn)供應(yīng)商后， 與廠家協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)均選擇ASME16.5標(biāo)準(zhǔn)的法蘭。通過前面所述廠家提供的載荷及其他設(shè)計(jì)輸入，校核法蘭泄漏，結(jié)果低磅級(jí)碳鋼法蘭均需要提高相應(yīng)壓力等級(jí)，才能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 軟管間碰撞問題

在極端工況下，風(fēng)速接近70m/s，軟管與棧橋之間，軟管與軟管之間，不可避免會(huì)相互碰撞。

為此，軟管與棧橋之間，可在最靠近棧橋結(jié)構(gòu)邊的軟管投影至棧橋的結(jié)構(gòu)梁，均敷設(shè)防撞膠管套，最大限度減低軟管與棧橋碰撞時(shí)對(duì)軟管的傷害；軟管與軟管之間通過固定間距的安全卡箍固定，如圖7所示。

圖5 CAESAR II分析模型

圖6 最大風(fēng)速下軟管擺動(dòng)

圖7 軟管之間的安全卡箍

5 結(jié)論

棧橋采用軟管連接，計(jì)算和布置必須滿足極端工況下的設(shè)計(jì)邊界條件，需關(guān)注的點(diǎn)比較多，在滿足平臺(tái)工藝系統(tǒng)運(yùn)輸后，更多地應(yīng)考慮安全性問題。此外，考慮其經(jīng)濟(jì)性，對(duì)符合條件的產(chǎn)品合理地進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。