自适应海底管线膨胀位移的管道终端设计及计算

郭 磊，段梦兰，李婷婷，程光明

（中国石油大学（北京），北京102249） ①

·设计计算·

自适应海底管线膨胀位移的管道终端设计及计算

郭 磊，段梦兰，李婷婷，程光明

（中国石油大学（北京），北京102249）①

为满足我国深水油气田开发的需求，设计了一种全新的管道终端（PLET）。该PLET具有1套快速自适应滑移机构，最大滑移距离为1.5m，能够自适应海底管道的线膨胀位移。滑移机构能在很大程度上缓冲35km的海底管道累积产生的0.995m瞬间膨胀位移，避免了瞬间滑动对该PLET其他结构造成破坏。此外，该PLET还有1个力转移座，在PLET的第2端安装时，为分散设定的1 700m海底管道引起的集中力起到了很好的作用。

深水；管道；PLET；滑移机构，膨胀位移

我国已经在南海开发超过1 500m水深的油气田，这标志着我国的海洋油气开发迈向了深水和超深水。深水和浅水的海洋油气开发模式有着质的区别，浅水油气田主要采用导管架平台等固定式的开采装备，而深水油气开采是以水下生产系统集输到海上浮式储油系统或直接集输到海岸储备系统为主的形式。水下生产系统包含采油树（Christmas tree）、管汇（manifold）、管道终端（PLET）、管汇终端（PLEM）和水下分配中心（SDH）等水下生产设备。其中，PLET主要用于实现管道和管道之间以及管道和水下生产设施之间连接，例如水下采油树、水下管汇、管汇终端等之间的连接。采油树和管汇之间的距离如果过长，将采用PLET进行连接，否则用跨接管直接连接，管汇与管汇终端之间则采用PLET进行连接［1］。通常，1个典型的PLET主要由工艺弯管、主体结构框架、防沉板、吊装结构等组成。典型的小PLET只有1个连接毂座，大型的PLET毂座数量可以达到2～4个或者更多［2～3］。

国外3 000m水深PLET的设计、制造和安装技术已经比较成熟，以FMC、Cameroon、Oilstates等公司最为著名，目前已经在超深水中进行应用［4］。国内对于深水PLET的相关研究还处于起始阶段，故很有必要开展适合我国深水油气田开发的水下生产装备的研究。

1 深水油气PLET的设计

1.1 功能和结构

设计的PLET用于管汇和管道之间的连接，该PLET带有自适应滑移机构，可以快速消除管道因高温油气突然引起的应力和一定量的瞬间膨胀位移。其中，PLET和管汇之间的管道直径为∅304.8 mm（12英寸）。

该自适应海底管线膨胀位移的PLET具有局部滑移和整体滑移双重的功能。

1） 对于限定的突发膨胀量，其可以通过自适应滑移机构瞬间自动调整适应，避免了突发碰撞对PLET的结构造成破坏。

2） 对于大于滑移机构额定的滑移量，其可以通过防沉板与海床的相对滑动来调整。

设计的PLET主要结构如图1，自适应滑移机构和集中力分散机构是创新结构，其中自适应滑移机构主要包括：滑动托架、滑轨、工艺弯管和固定卡子等部件，工艺弯管竖直段与跨接管相连，而水平段与海底管道相连。当海底管道受热膨胀时，管道的变形量就会传给工艺弯管，使工艺弯管与滑动托架一起沿滑轨滑动并调整位置。集中力分散机构主要包括：力转移台和力转移座结构，力转移座与主体框架焊接为一体。下放安装PLET时，与工艺弯管水平段相连的海底管道载荷主要集中在力转移台上，然后传到力转移座上，最后分散到主体框架上，从而可以避免安装PLET时海管着地点（TDP）到PLET之间1 700m段的载荷直接加到自适应滑移机构上。

自适应滑移机构可快速适应海底管道瞬间产生的膨胀量，一定程度上预防了膨胀引起的冲击和意外破坏等事故的发生。自适应滑移机构由滑轨条和桥式滑动托架组成，滑动托架的滑筒内侧有卡牙，滑轨两侧带有牙槽，保证滑动托架只有1个自由度，相互啮合而不会脱落。滑动托架的托管槽与半圆滑筒连接的两翼板相对于防沉板面呈45°夹角，使外载荷主要沿着翼板面切线方向传递，减少了翼板的受折弯程度。滑轨条滑面为半圆柱面，其与半圆筒滑筒匹配，结合45°方向的翼板，则保证了外载荷垂向经过滑轨的轴线。自适应滑移机构的滑动范围一端由滑轨的端部挡块控制，另一端由力转移座控制，当膨胀量超出滑轨滑动范围时，管道的张力通过挡块带动PLET整体滑动。力转移台为圆台结构，其与工艺弯管焊接为一体，可以作为滑动机构的行程动挡块和管道载荷转移的起始端。力转移座与主体框架以及主吊臂相焊接，其带有与力转移台相匹配的凹槽，可以作为滑移机构的行程定滑块和管道载荷转移的接触端。

图1 管道终端主要结构

1.2 滑移量计算

已知设计参数：内压力pi＝37.5MPa；每米管线热膨胀系数α＝11.7×10－6m／℃；外压力pe＝2.079MPa；温度差ΔT＝60℃；钢材密度ρst＝7 850kg／m3，泊松比υ＝0.4，弹性模量E＝2.07× 1011Pa；内部流体密度ρcont＝300kg／m3；土壤内部的摩擦因数μ＝0.4；海水的密度ρw＝1 025kg／m3；管线长度L1＝35 000mm；防腐涂层厚度tcorr＝3 mm；防腐涂层密度ρcorr＝881kg／m3；绝缘涂层厚度tins＝0mm；绝热涂层密度ρins＝0kg／m3；钢管外径D＝324mm，壁厚t＝25.4mm。

1.2.1 管道膨胀量计算

管道总外径为

内径为

截面面积为

钢管内环面积为

钢管外环面积为

绝缘涂层面积为

防腐涂层面积为

每米管的总重力为

每米长度水中管的重力为

温度变化引起的管线作用力为

内外压差引起的管线作用力为

每米钢管的重力为

每米防腐涂层的重力为

每米绝缘涂层的重力为

每米管中气体的重力为

每米管受的浮力为

温差和压差的总作用力为

土壤作用力范围为

管线膨胀量为为

1.2.2 PLET最大滑移量设计

由计算知，35km海底管线的热膨胀量为0.995 m。为了适应管线的膨胀，并考虑安全余量，设计PLET的滑移机构的最大滑移量为1.5m。

2 受力计算及强度校核

PLET安装方法通常有第1端安装和第2端安装2种形式，不同的安装方式会形成不同的载荷作用力。本设计的PLET安装采用第2端安装的方式，即将海底管道从海底回收至工程船上并与PLET尾端处工艺管相连接，然后再把PLET与海底管道一起下放至海底。

PLET主要承受环境载荷、自重力、跨接管以及海底管道载荷等，为了保证其在各种工况下的安全性，结构设计考虑了3个阶段的操作情况：吊装分析、下放分析和在位分析。吊装分析结果和下放分析结果用来设计整体框架结构、YOKE臂和吊耳，在位分析结果用来设计结构梁架和防沉板等。

2.1 吊装力计算

吊装过程是指在岸上完成PLET的装配后，由吊机将PLET转移到拖船上的过程。吊装机构由PLET上的4个吊耳、吊环以及钢缆等构成。吊装过程承受的载荷主要是PLET的自重力，即216 kN。这里采用杆件模拟钢缆，则每条钢缆承受54 kN的力。采用SCAS有限元软件对PLET的各个梁结构进行计算校核，如图2。

图2 吊装力计算结果

和图2对应的UC值如表1所示。计算结果显示，端点标号为5A－4U的梁单元上的应力值最大，且其UC值为0.05（这里的UC值为结构件的最大应力值与给定材料的屈服强度的比值），远小于1，所以，吊装过程中PLET的各结构件均处于非常安全的状态。

表1 吊装校核UC值

2.2 下放力计算

下放安装过程是指海底管道与PLET的工艺管焊接后一起被下放到海底的过程。下放安装时的载荷主要包括PLET自重力以及1 700m海底管道在海水中的等效重力。考虑到安装船的运动以及海浪和流的作用力，这里选择的动载系数为2.0。下放过程中的各种载荷如表2所示，组合工况1和2分别为动载和静载时的总载荷，组合载荷计算公式中的1.2为安全余量，即把施加的载荷放大1.2倍。

表2 下放PLET过程中的载荷

下放安装是通过2根吊线分别吊住PLET的主吊臂和YOKE臂来实现的。下放的初始阶段，在海管的重力作用下，PLET通过YOKE臂自动调整而处于下垂状态，这时处于立起状态的海管长度最长，对PLET的作用力也最大，随着下放，立起状态的海管长度减少，同时PLET自动围绕YOKE臂旋转来调整状态，直至海底时，PLET处于水平状态。模型计算时，在PLET下部工艺管的管端施加有一个集中载荷（工况载荷3）来模拟海管的作用。组合载荷1和组合载荷2分别用来计算动载和静载时PLET的主吊臂、YOKE臂和整体梁架的受力情况。下放安装计算如图3所示，其中，图3a是载荷的布局图，图3b是计算的UC值。

图3 安装过程动载计算结果

由表2可知，代表动载荷的组合载荷1比代表静载荷的组合载荷2大1倍，则只要PLET在动载分析时能符合安全要求，其在静载工况时也是安全可靠的，与图3对应计算的UC值如表3所示，其中最大UC值为0.83（＜1），该最大UC值在端点编号为Y－12，梁代码为M2的梁单元上。因此，设计的PLET结构在下放安装时是安全可靠的。

表3 安装分析校核的UC值

2.3 在位力计算

该PLET承受的在位环境载荷为百年一遇的波浪流载荷，基于PLET的对称性，这里只取0°、45°和90°时的波浪流载荷进行计算，对应3个不同方向的环境载荷有3个不同的组合载荷（如表4）。

由于PLET的整体尺寸为7 150mm× 4 150mm，y轴方向的尺寸小于x轴方向的尺寸，则相同的载荷作用下，沿y轴方向的变形会比x轴方向的大，因此y轴方向的梁单元产生的应力也相对较大。所以，对应于上表所示的组合载荷3（即是波浪流为90°时的环境载荷）为在位时的最危险载荷，在位计算结果如图4所示。

表4 在位操作载荷情况

图4 在位操作计算结果

对应于图4中的计算结果，抽取其中的应力较大的梁单元及其UC值，整理后如表5所示，可见对应于节点编号为I－M，代码为M2的梁单元的UC值最大，且为0.11，但远小于1。因此，在位工况环境下，该PLET是安全的，满足强度要求。

表5 在位计算校核的UC值

2.4 关键结构的强度校核

安装时，该PLET的主要受力部件为力转移座，其主要承受1 700m的海管在水中等效的重力作用，其值是1 399.1kN。由于该PLET的框架主要为工字钢梁架结构，选用大号的工字钢必定会造成材料的浪费，但是集中载荷又势必会对包括滑移机构在内的薄弱结构造成严重的破坏。因此，设计了1个力转移座来分散集中载荷。力转移座的材料预选用45号钢，该材料的屈服极限为353MPa，强度极限为598MPa。这里采用Mises屈服条件进行计算校核。工艺管和力转移座的组合模型如图5所示。

图5 工艺管与力转移座的关系

计算结果显示，该力转移座上的最大应力值为311.6MPa（如图6），结合选择的45号钢可知，安全系数为通常，塑性材料的可以取1.2～2.5。若用45号钢作为该PLET的材料，其强度会偏低。可以通过2种方式解决：①增加结构的尺寸；②选用较高强度的材料。例如合金结构钢20Cr，其屈服极限为540MPa，极限强度为835 MPa。假设尺寸不变，选用20Cr，则安全系数ns＝，在1.2～2.5范围内，固选用20Cr可以满足强度要求。

图6 力转移座应力

3 结论

1） 该PLET是我国深水PLET研发的首次尝试，其功能和结构强度均能满足一定深度的水下油气输送的需要。

2） 该PLET最重要的创新结构为自适应滑移机构，滑移机构的滑移托架具有桥式结构，其在支撑上部管线时起到了很好的载荷分散作用，不会对滑移机构造成损伤。滑移机构的有效滑移距离为1.5m，而管道的膨胀量为0.995m，该滑移机构完全可以适应瞬间0.995m的滑移，进而保护了PLET的整体结构不受冲击载荷的影响。

3） 力转移座有效地分散了集中载荷对PLET的作用，使整体框架的变形有一定量的过度；另一方面，力转移座的刚度较大，可以防止管线的瞬间滑移对PLET的一些结构件造成冲击破坏。

［1］ 王莹莹，段梦兰，冯 玮，等.西非深水油气田典型开发模式分析［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：1－8.

［2］ Antani J K，Dick W T，Balch D，et al.Design，Fabrication and Installation of the Neptune Export Lateral PLETs［C］.OTC 19688，2008.

［3］ Dyson K C，McDonald W J，Olden P，et al.Design Features for Wye Sled Assemblies and Pipeline End Termination Structures to Facilitate Deepwater Installation by the J－lay Method［C］.OTC 16632，2004.

［4］ Beverley F，Ronalds.Applicability range for offshore oil and gas production facilities［J］.Marine Structures，2005，18：251－263.

Design and Mechanical Calculation of a Pipeline End Termination with Adaptation of Pipeline Expansion

GUO Lei，DUAN Meng－lan，LI Ting－ting，CHENG Guang－ming
（China University of Petroleum，Beijing102249，China）

In order to meet the developing of deeper－water oil ＆gas fields，a new pipeline end termination（PLET）with a sliding device which could adapt to the instant maximum slide about 1.5 m caused by pipeline expansion is designed.Because the instant slide displacement caused by 35 km pipeline is 0.995mwhich is smaller than 1.5m，so the sliding device could stop the instant slide damaging other structure.The PLET also has a creative structure called force transfer device（FTD）which could effectively disperse the intent force from 1700mpipeline.

deep water；pipe line；PLET；sliding device；expansion displacement

1001－3482（2012）04－0025－06

TE952

A

2011－10－20

国家重大专项“深水海底管道和立管工程技术”（2008ZX05026－005）

郭 磊（1984－），男，河南平舆人，博士研究生，主要从事海洋石油设备的设计方法及理论等科研工作，E－mail：glopen＠126.com。