一种新型管道支架在海洋平台的应用

王戈战+李鹏涛+董承昊

摘 要：管道作为海洋石油平台的“血管”，管道应力是衡量管道能否安全运行的重要标准。合理设置管道支架对管道应力的大小有着直接影响。以往海洋平台的管道支吊架通常选用角钢、H型钢和无缝钢管等材料，材料之间采用焊接的形式连接在一起，这种施工工艺会在管道支吊架安装的过程中增加大量的焊接工作。在中海油某海洋平台设计和施工过程中，选用了多孔角型钢、多孔平板型钢等新型材料用于管道支吊架来替代常规项目中的角钢、扁钢材料。通过对新型管道支架荷载应力分析、建立三维模型等研究，成功地在该平台上进行应用。

关键词：海洋平台 管道支架 新型支架

中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0060-02

管道作为海洋石油平台的“血管”，其设计的经济性和安全性对于平台的运行是十分重要的。管道在设计时既要满足平台生产工艺流程的要求，同时还应考虑机械设备、泵、管道附件的受力情况[1]，确保管路能够长周期的安全运转。通常衡量管道能否安全运行的重要标准是管道一次应力和二次应力的大小。

当管道的一次应力过大时，会将管道破坏。管道的一次应力是由管道内的流体压力和外部载荷产生的，其大小与作用在管道上的外部载荷及管道自身或管道附件的截面有关[2]。当某个海洋石油平台的生产规模确定后，该平台的管道管径大小也就随之确定了，不能够任意改变。而通过设置管道支吊架可以调整管道内应力与承受外部载荷的大小。管道的支吊架不仅支撑管道自身的重量、管道内流体的重量、管道外部电伴热电源线以及保温材料的重量，同时可以将管道内流体传递来的压力、管道外部载荷及温度变形引起的弹性力传递到结构梁柱上。因此，管道支架的设置直接决定着管道一次应力的大小。

管道二次应力的大小同样是衡量管道能否安全运行的重要标准。管道变形受阻时会在管道内产生二次应力，在管道上合理设置支吊架，不但能够使管道适应变形的需要，而且还可以根据平台运行的要求，限制管道某个方向的位移，以控制管道的二次应力。同时管道的支吊架对改善管线的振动，防止管道和支架因振动引起疲劳损坏起着重要的作用。

目前，在海洋平台上的管道支吊架的种类，就其结构而言形式是种类繁多的，但仅仅考虑其功能和用途时，可以分为以下几类，见表1。

1 管道支吊架材料的选择

管道支吊架的材料选用时应本着经济性、合理性、通用性的原则，设计和制作时应选择通用规格化的型材和标准化材料，使其既满足管道的运行要求，又能与所支撑的管道材料相匹配。依据以往海洋平台设计及施工经验，在平台上管道支吊架的钢材用量约为管道所用总钢材的10%～15%[3]。因此合理选用管道支架的材料不仅可以达到节省材料的目的，而且会给材料采办、管道支吊架预制和安装节省更多的人力。以往海洋平台的管道支吊架通常选用角钢、H型钢和无缝钢管等材料，材料之间采用焊接的形式连接在一起，这种施工工艺会在管道支吊架安装的过程中增加大量的焊接工作。

为了更节省人力消耗和焊接工作，在中海油垦利某海洋平台项目中拟选用多孔角型钢、多孔平板型钢等新型材料用于管道支吊架来替代常规项目中的角钢、扁钢等材料，如图1，图2所示。

2 新型支架的应力分析与形变计算

如图3所示，对于新型支架建立模型并用ANSYS软件对其进行应力分析与形变量的计算。其中新型材料密度為7.85×10-9 t/mm3；弹性模量：210 GPa；泊松比：0.3；屈服应力：235 MPa。对于边界条件，支架材料各结合点处采用螺栓进行固定。在管支架横梁上施加载重量（700 kg）作为载荷。

由计算可得：角钢的最大von米塞斯应力的应力为100 MPa，螺栓的最大von米塞斯应力为210 MPa。而角钢主体最大位移约1.2 mm，垂直方向最大位移0.94 mm，管支架的强度和刚度都符合要求。

3 新型管道支吊架在海洋平台的应用

如图4所示，通过荷载应力分析、建立三维模型等研究，确认其强度满足使用要求，最终将新型组合支架应用于中海油垦利某海洋平台中。与传统碳钢支架相比，新型支架具有焊接作业少、施工程序简单、灵活度高等优点。支架各型材之间使用螺栓进行紧固连接，免去了大量的焊接作业，施工效率较以往项目大幅度提高。

4 结语

新型管道支架不仅可以用来支撑管道，也可以用来支撑电缆桥架。如果电气专业电缆托架支架、仪表专业仪表电缆托架支架同样选择使用新型支架材料时，管道支架可以与它们相互生根和支撑，形成组合型支架。

由于多孔角型钢、多孔平板型钢等新型材料具有质量轻、焊接作业少、施工程序简单等特点，在船舶工程领域、建筑工程领域等多个工程领域有着极其广泛的应用前景。

参考文献

[1] 周长江.石油化工管道支吊架的设置及选用[J].广东化工，2013（8）：154-155.

[2] 吴晔.如何正确分析化工管道设计中的管道应力[J].中国化工贸易，2015：（35）.

[3] 陈静.海上油气田上部设施管道支吊架的工程设计[A].中国造船工程学会近海工程学术委员会海洋工程学术会议[C].2007.