海上油气田栈桥设计关键技术及运用

黄莲英， 陈 实， 许正刚， 李清明

(湛江南海西部石油勘察设计有限公司， 广东 湛江524057)

海上油气田栈桥设计关键技术及运用

黄莲英， 陈 实， 许正刚， 李清明

(湛江南海西部石油勘察设计有限公司， 广东 湛江524057)

在海上油气田开发项目中，需要依托原有油气田的措施，以达到降本增效的目的。通过栈桥把两个平台连接在一起，依托原有的油气处理系统、生产公用系统、供电及控制系统等，应用栈桥代替海底管线和海底电缆铺设，节省油田的建设时间和投资成本。该文主要介绍栈桥的设计原则和关键技术，可为水深约100 m以内的固定式平台之间栈桥的设计提供指导。

栈桥；栈桥固定端；栈桥滑动端；平台位移；膨胀弯

0 引言

在海上油气田开发中，需要依托现有油气田的生产设施，如油气处理系统、生产公用系统、供电及控制系统等，达到降本增效的目的。依托原有油气田的设施，有两种方案：(1)通过栈桥；(2)通过铺设海管、海缆。通过栈桥的依托方案可以大大降低油田开发成本，提高油田经济效益。

栈桥的主要作用是作为连接新油田与老油田系统改造的管线通道、电仪通讯系统改造的电缆通道，同时也是两平台工作人员交流沟通的通道和平台资源共享的通道。

海上平台栈桥设计最大的难点是如何解决在台风时两平台产生大位移的情况下，确保栈桥结构的安全性及栈桥上的管线及电缆不发生由应力引起的破坏，保证油田安全生产。

1 栈桥的方案设计

1.1 总体布置方案

栈桥布置要考虑相连平台甲板层高的影响，安装空间及结构受力的合理性及栈桥设计原则要满足相连两平台之间的管线电缆铺设、人员来往、物质流通等要求。栈桥通常布置有走道、管线膨胀弯支撑结构、管线、电缆及支架等， 图1是涠洲油田群栈桥应用图，栈桥在北部湾油田开发中起了重要作用。 图2为栈桥典型总体布置方案图。

图1 涠洲油田群栈桥应用图 图2 栈桥典型总体布置方案

1.2 栈桥结构的设计原理

栈桥结构设计要考虑栈桥连接的两平台相对位移因素。根据平台服役期间的静力分析结果，在百年一遇的极端环境条件下，两平台产生的相对位移较大，如在北部湾海域，两个常规固定平台的相对位移约50 cm左右。

栈桥结构设计原则是平台在位期间出现最大的相对位移时，栈桥结构及两端的基础不破坏，两平台支撑栈桥的基础局部结构不破坏，通过栈桥的管线不出现拉伸或挤压破坏，确保平台在百年一遇的极端环境条件下，栈桥及其支撑的管线电缆是安全可靠的。

由于连接平台整体刚度的差异以及受外载的差异，平台出现的位移大小及方向是不一样的，由于栈桥连接的两个平台在极端环境条件下产生较大的位移，假如栈桥两端是通过刚性基础与平台连接，在两平台出现较大相对位移的情况下，刚性基础会发生撕裂破坏，由此引起栈桥和平台的破坏，海洋平台常规的钢性节点型式基础不满足平台和栈桥安全使用要求。因此，可以将栈桥其中一个基础设计成可滑移基础，与平台基础面产生相对的滑动，使其水平力作用下产生的位移不会导致另一平台产生相应的位移，即某一平台所受的水平力不会经过栈桥转换为作用于另一平台的等效水平力，同时滑移基础能有效释放平台产生的位移和应力。

图3 水平管线膨胀弯

1.3 管线布置与栈桥主体结构选型

栈桥设计要满足管线布置并能释放管线膨胀应力。为了解决平台位移对过桥管线的破坏，过栈桥的管线要设置膨胀弯，栈桥要设置膨胀弯支撑结构。管线膨胀弯有两种型式：一是水平管线膨胀弯(如图3所示)；二是竖向管线膨胀弯(如图4所示)。水平管线膨胀弯适合过桥管线数量多，管径大，两平台相对位置较近而相对位移较大的情况，水平管线膨胀弯需要在栈桥主体两侧水平面上设有支撑结构。如涠洲12-1PAP平台与涠洲12-1PUQ平台之间的栈桥，布置三层管线，管线达18根，其中最大的管线12"，最小的管线2"(如图5所示)，把在栈桥上的管线设计成一个大的膨胀弯，支在栈桥两侧的膨胀弯支撑结构上，利用膨胀弯的作用原理，减少了平台位移对管线产生的应力及应变，避免了管线的破坏。竖向管线膨胀弯适合管线少，管径小，两平台相对位置较远的情况，该形式只在栈桥内部设置管线膨胀弯，栈桥不需要在两侧增加大的支撑结构，栈桥结构简单。

图4 垂直管线膨胀弯 图5 管线布置截面图

1.4 栈桥的结构方案

根据以上介绍的设计原理，栈桥结构由栈桥主体、栈桥滑动端基础、栈桥固定端基础三部分构成。栈桥主体要求桥面水平，桥内铺设管线、电缆和人行道等设施；栈桥滑动端基础由上滑动块、下滑动块，水平和垂直限位块组成，上滑动块焊接在栈桥弦杆上，下滑动块焊接在平台基础上，水平限位块焊接在上滑动块上，垂直限位块焊接在下滑动块上，上滑动块可沿栈桥轴线方向滑动，栈桥滑动端模型如图6所示；栈桥固定端基础由上转动块、下转动块、销轴和套筒组成，上转动块焊接在栈桥弦杆上，下转动块和销轴焊接在平台基础上，套筒与栈桥主体焊接成一体，两个平台产生扭转时，上转动块绕轴承进行小角度转动，通过栈桥两端的滑动和转动，释放栈桥及管线的位移和应力，栈桥固定端基础模型如图7所示。

图6 栈桥滑动端3D模型图 图7 栈桥固定端基础3D模型图

2 栈桥设计的关键技术

2.1 栈桥滑动端的设计

栈桥滑动端主要作用是使栈桥在极端工况条件下，栈桥主体可在平台基础上滑动，通过滑动，释放平台产生的位移，确保平台和栈桥在风暴条件下不破坏，栈桥滑动端的长度确定和局部结构方案非常关键，长度和端部结构设计合理，在新平台就位后，根据测量的准确位置，栈桥只需通过简单的端部修改即可满足设计和安装要求。由于栈桥的设计制造在新平台安装就位前进行，平台安装位置误差通常允许±1.5 m，栈桥滑动基础理论长度要满足该误差要求，即误差为+1.5 m时，栈桥长度足够，支点位置和结构强度满足规范要求；误差为-1.5 m时，栈桥的端部经简单修改后，其支点位置和结构强度也满足规范要求，合理设计栈桥滑动端长度及切割长度是栈桥海上顺利安装的前提条件。结合图8、图9，介绍栈桥滑动基础长度和切割长度的计算方法。

滑动基础长度：

(1)

式中：Δ1,Δ2分别为 平台1，平台2在极端工况条件下基础部位的最大水平位移；Δ3为新建平台的安装误差；Δ4为支点中心到端部的距离。

栈桥的滑动端长度设计要满足两种极端条件：(1) 平台安装位置位差是+1.5 m，两平台极端远距离，即实际距离L4=L3+1 500+Δ1+Δ2;(2) 平台安装位置位差是-1.5m，两平台极端近距离，即实际距离L4=L3-1 500-Δ1-Δ2。

切割长度:

(2)

式中：L3为栈桥设计理论距离；L4为两平台的实际距离，当L2<100时，取L2=0。

图8 栈桥滑动端及总体示意图

图9 平台两种极端距离示意图

以上介绍的栈桥理论长度和滑动端的长度是适合平台安装误差控制在±1.5m的范围内的情况，假如平台的安装误差超过这个范围，栈桥需要重新设计。

2.2 栈桥固定端的设计

栈桥固定端的主要作用是使栈桥固定在平台基础上，在极端工况条件下，两平台发生的位移方向相反时，栈桥在平面内绕销轴转动，销轴承受栈桥套筒传来的作用力，销轴外壁与套筒内壁之间的距离建议取20 mm, 销轴高度由桥面高度决定，其顶部与走道面平齐，高约500 mm。销轴承受的作用力等效于栈桥计算时其端部的节点力，由于栈桥两端基础的特殊性，建立栈桥计算模型时，两端基础的边界条件模拟很重要，应结合栈桥的实际受力及基础构造，准确模拟边界条件，确保计算出来的销轴受力是准确的。

3 栈桥设计的其他技术及注意问题

3.1 起拱

栈桥就位后，在栈桥自身重力作用下，栈桥产生垂向变形，为了避免栈桥变形导致管线的破坏，栈桥建造要考虑起拱。栈桥长度超过25 m，最大垂向位移大于5 mm时,建议栈桥考虑起拱，起拱的大小与自身重力作用下对应节点的最大垂向位移一致。

3.2 栈桥两端管线电缆的合理布置

栈桥两端是管线电缆从平台到栈桥的过渡区域，该区域管线密集并需要在海上安装，栈桥端部的管线接口位置选择要确保栈桥上的管线不超出栈桥结构主体，避免管线在栈桥安装时被碰坏，平台区域的管线接口位置建议选择在栈桥基础2.5 m外的范围，确保平台上的管线不影响栈桥安装。过桥电缆考虑其铺设方便，电缆预铺设在栈桥上，两端电缆盘在栈桥上，栈桥安装后再铺设到平台的预定接口位置。

3.3 栈桥安装建议

由于平台安装误差，栈桥基础与平台基础产生角度偏差，为了解决偏差对栈桥安装的影响，安装时先把下滑动块和上滑动块装配好，同栈桥主体吊装，栈桥就位前调整下滑动块位置，使其落在设计确定的平台基础上，再与平台基础焊接固定。

3.4 其他建议

(1) 及时进行管线应力分析，确定膨胀弯的大小，合理选择管线膨胀弯的宽度，尽可能减少栈桥的宽度和膨胀弯支撑结构的尺寸。

(2) 合理布置管线，尽量采取垂直管线膨胀弯，简化栈桥主体结构型式。

(3) 栈桥主体结构要具有长度调整的余量以适应平台安装测量后的栈桥方案调整。

4 结语

通过栈桥基础特殊构造的设计，栈桥与平台甲板面产生相对滑动，解决了南海油田恶劣环境条件下两平台产生较大的相对位移对基础连接的影响；通过栈桥主体结构膨胀支撑结构，支撑管线的膨胀弯，保证管线由于位移产生的应力得到释放，解决管线由于两平台产生相对位移引起管线拉伸和挤压破裂。 南海100 m水深以内平台的栈桥都是根据以上设计原理，采用可释放位移和应力的特殊基础等关键技术，使现役栈桥未出现基础结构及管线破坏的现象，使用效果好。

[1] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程平台结构设计[M].北京：石油工业出版社，2007.

Design and Application of Bridge on Offshore Oil and Gas Field

HUANG Lian-ying, CHEN Shi, XU Zheng-gang, LI Qing-ming

(NHWOC Zhanjiang Survey and Design Co., Ltd, Guangdong Zhanjiang 524057, China)

In offshore oil/gas field development, in order to reduce investment, need to rely on existing oil field establishment. Two platforms connected by bridge，two or more platforms can share oil/gas process system, utility system, electric power system and control system etc，by using bridge, replace constructing of subsea pipeline and subsea cable, save the building time and reduce a great deal investment. The paper present the design principle and key design technology of bridge, and offer design guidance of bridge for two platform in water depth about 100 meter.

trestle bridge; fixed end support; sliding end support; platform displacement; expansile-bend

2014-10-28

黄莲英(1968-)，女，高级工程师。

1001-4500(2015)04-0015-05

P75

A