东海栈桥安装对管线布置的影响

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

东海栈桥安装对管线布置的影响

李双胜，程新宇，郭庆，王冰，王彦多

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

东海栈桥位移较大，栈桥上管线的应力分析计算难度大，耗费时间长，对管线的布置要求也很高。栈桥的安装偏差超过既定范围，就会对栈桥和组块的管线连接造成影响，需要重新备料、重新布置管线并进行应力分析。结合东海某平台的栈桥安装案例，对栈桥安装的高度、长度以及角度偏差对栈桥上管线布置的影响进行了分析，指出布置管线时需要充分考虑水深测量误差以及导管架过渡段调整，针对高度偏差应当进行备料、管线规划和管线应力分析预案，尽量避免管线从栈桥侧面或者栈桥底部进入栈桥，管线进入栈桥前应当预留较长的直管段，可为东海栈桥上管线布置提供参考。

管线； 栈桥； 安装； 偏差； 影响

栈桥是连接海上油气田2个或者多个平台间油气水管线、电缆和人员通行的通道，一般采用空间框架钢结构[1]。通过栈桥管线可以实现海上油气田各平台间公用系统、工艺系统、电力系统以及仪表等的连接，确保海洋石油的持续开发，减少持续开发的投资。

海洋平台及栈桥通常是分开吊装，栈桥及平台安装就位后才能进行栈桥上管线和组块管线的连接，如果组块、栈桥安装偏差较大，就会给管线连接带来较大困难，甚至无法连接。

1 东海栈桥管线布置研究重要性

栈桥管线与平台上的管线相比，在应力分析中需考虑的载荷包括压力、重力和各种偶然载荷(地震加速度、风载、安全阀泄放反力和水锤力)[2-4]。为了吸收栈桥管线由于载荷、热应力、平台位移等产生的应力，国际上主要采用中间U膨胀弯、Z字型膨胀弯、两端U型膨胀弯以及两端软管连接等方法布置栈桥管线[5]。

渤海水深较浅，水深平均约20 m，水深导致的栈桥安装误差较小。栈桥相对位移也较小(一般在100～300 mm)，即便栈桥安装产生偏差，应力计算也容易通过。和渤海相比，东海水深一般在90 m左右，栈桥的安装误差及两平台相对位移急剧增大。栈桥和组块的安装误差较大，栈桥上管线的应力计算较困难。应力计算通过后对栈桥改变的敏感度较高，栈桥上管线直管段缩小或增大都需要重新计算应力，通过改变支架的型式及位置来实现管线位移的吸收。因此，东海栈桥的安装对栈桥上管线布置有显著影响。

东海某平台栈桥x、y、z方向的推算位移分别为87.7 cm、85 cm和19.92 cm，已经远高于渤海地区的平台栈桥位移。该平台应力分析后的管线布置见图1。

图1 东海某平台应力分析后栈桥管线布置

虽然该平台栈桥通过了应力计算，但由于栈桥计算位移较大，16根管线应力计算就需要25 d，而渤海栈桥管线应力计算只需7 d。考虑到管道柔性设计问题，在滑动端平台管线进入栈桥前预留了10～15 m的直管段，且部分支架无法添加导向或止推约束，导致该直管段管线自然频率较低，最低仅为1.356 Hz。经计算滑动端平台在正常操作时的频率为1/2.253=0.44 Hz，滑动端平台千年一遇极端条件下平台频率为1/2.323=0.43 Hz。当管线频率接近和等于平台固有频率时会发生共振，易造成管线损坏。根据工程经验，当管线频率大于平台频率的3倍时，可避免管线振动破坏，即工程设计中需满足3倍平台固有频率小于管线频率，经核实，该平台3倍固有频率为1.32 Hz<1.356 Hz，可见频率满足要求。虽然频率满足要求，在管道静态应力计算中也已经考虑了风载及地震加速度等偶然载荷的影响，但由于预留了10～15 m的直管段，且部分支架无法添加导向或止推约束，在极端自然条件下，如台风等，还可能出现管道晃动情况。目前国内外对管道振动问题进行了大量研究，并解决了很多工程实际问题[6-10]。但往往在振动分析中，没有将复杂管路作为一个整体来考虑，仅对局部管路进行分析，结果常出现振动转移现象[11，12]

可以看出，东海栈桥位移较大，管线应力计算困难且时间长，还存在一定风险。一旦栈桥安装偏差较大，组块和栈桥的连接管线就需重新布置，重新计算应力，造成工期延迟。随着东海平台的增多，栈桥管线布置的研究也显得越来越重要。

2 栈桥安装偏差对管线布置影响以及建议措施

深水导管架安装分析一般包括导管架的装船、拖航、下水、扶正及坐底等过程[13，14]。为了保证就位准确，采用GPS卫星定位系统进行船舶的导航和导管架的定位[15]。组块安装在导管架上方，栈桥安装在组块上方，导管架的安装偏差导致上部组块和栈桥的安装偏差，因此分析导管架安装误差对管线布置的影响。

2.1导管架安装高度偏差

在一般栈桥安装过程中，导管架与组块的连接处都设有过渡段。过渡段是钢桩与组块连接的主要结构，用于海上导管架跨距和组块水平标高的调整。过渡段结构由插尖、过渡段和直管段3部分组成，其上部与组块立柱相连，下部与钢桩相连，具体连接形式见图2。过渡段的海上安装大致分为两个阶段，一是测量钢桩跨距，同时依据组块实测跨距进行钢桩桩头切割。二是安装过渡段，并对过渡段上部进行切割、找正、找平，保证组块安装后的水平度[16]。

图2 过渡段与钢桩、立柱连接示图

由于组块安装在导管架上存在高度和水平度要求，导管架安装偏差如果在可控范围内，可以通过切割导管架过渡段确保上部组块高度和水平度的设计要求，不会对栈桥高度产生影响。因此，在所给基础数据误差较小时，可以通过切割导管架过渡段来调整组块安装高度，不会对栈桥和组块管线连接造成影响。根据相关标准，水深测量误差为1%，100 m水深误差达1 m，因此要充分考虑东海水深测量误差对组块及栈桥高度的影响。

东海某平台所给基础数据水深为86.9 m，经过复测水深为88.6 m，过渡段约1 m，偏差为1.7 m，如果安装深度和复测数据一致，则调整过渡段无法满足工程需要。而导管架已经焊接完成，若再增加过渡段，除需进行应力计算外还要重新焊接、备料，工作量大，工期也不允许。经讨论认为，如果实际安装中过渡段无法满足工程要求，只能修改配管管线并论证组块降低后下层甲板是否满足工程要求，需按照1.7 m的高度差进行配管管线备料预案、管线布置及应力计算预案。虽然实际安装中水深在可调节范围内，备料及应力计算预案没有实施，但笔者认为进行这样的预案是必须的。

2.2导管架定位角度偏差及长度偏差

导管架的安装误差为0.5 m，方位角为2.5°。在此误差范围内，可以通过缩短或者加长栈桥和组块连接管线的直管段和调整管线角度进行调节(管线设计时需考虑此偏差并进行应力分析)。如果远超此误差范围，栈桥或者组块的管线就会难以连接，需要重新计算应力。尤其对于由于安装误差造成实际安装长度空间小于栈桥设计长度并且需要切割栈桥滑动端的情况，不但要重新布置进入栈桥管线还要重新计算应力，造成工期延长和工程量增加，影响较大。

某新旧两平台，两平台1轴间距为2 360 mm，旧平台A轴和新建平台B轴间距为47 420 mm。但栈桥定位出现较大偏差，旧平台A轴和新建平台B轴间距为46 160 mm，且新建平台为滑动端，平台间距较设计近了2.4 m，见图3。经测量导管架角度偏差为1.1°，在误差范围内。

图3 新旧平台栈桥实际安装测量尺寸

如果切割滑动端，由于管线相对于栈桥位置的改变，进入栈桥较大部分管线会发生碰撞，需重新调整并进行应力计算，部分支架需重新设计，U型弯部分以及伸出栈桥管线需重新调整，现场的工作量比较大。

如果切割固定端，固定端对管线的应力影响较小，管线改动相对较容易。但此时栈桥已经在东海指定区域准备安装，如果切割固定端，需要避开固定端的销锁结构，在靠近固定端将栈桥切割两个断面，再将两段对接焊接，此时栈桥还固定在船上，并未安装在平台上，船受风浪影响不停晃动，难以将切割的两段栈桥对齐进行焊接，因此只能考虑切割滑动端。而对栈桥进行滑动端切割安装之后，栈桥和组块管线连接受到重大影响，需要重新备料、布置管线并且计算应力。

通过以上案例分析，笔者建议，布置东海栈桥上的管线时，管线尽量不要从栈桥侧面或栈桥底部进入栈桥，防止因栈桥长度存在偏差，栈桥切割后管线进入栈桥时与栈桥斜撑碰撞。布置管线时还要考虑在进入栈桥前预留较长直管段，栈桥长度安装偏差较小时可通过切割管线直管段调整栈桥管线和组块管线的连接。

3 结语

东海栈桥位移较大，栈桥的安装误差对栈桥上的管线布置影响较大，进行管线布置时，需充分考虑水深测量误差及过渡段调整，进行高度偏差备料预案，针对高度偏差进行管线规划和管线应力分析预案。管线尽量不要从栈桥侧面或栈桥底部进入栈桥，防止因栈桥长度存在偏差，栈桥切割后管线进入栈桥时与栈桥斜撑碰撞。布置管线时考虑在进入栈桥前预留较长直管段，栈桥长度安装偏差较小时可以通过切割管线直管段来调整栈桥管线和组块管线的连接。

[1] 刘戈，宋克新，张海.海洋平台栈桥动力分析[J].海洋技术，2009，28(2)：84-87.

(LIU Ge， SONG Ke-xin，ZHANG Hai.Mechanical Analysis of 50m-span Cross-bridge[J].Ocean Technology，2009，28(2)：84-87.)

[2] 张海成，刘敏，罗翻，等.海洋平台栈桥管道应力分析的模拟方法[J].中国造船，2011，52(增刊1)：200-204.

(ZHANG Hai-cheng，LIU Min，LUO Fan，et al. Stress Analysis Methods of Cross-bridge Piping in Offshore Platform[J]. Shipbuilding of China，2011，52(S1)：200-204.)

[3] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2010.

(TANG Yong-jin. Stress Analysis of Pressure Piping[M].Beijing：China Petrochemical Press Co. Ltd.，2010.)

[4] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南.第一册.海洋石油工程设计概论与工艺设计[M].北京：石油工业出版社，2007．

(Offshore Oil Engineering Design Guidelines Editorial Board.Offshore Oil Engineering Design Guidelines. Volume One. Overview of Offshore Oil Engineering Design and Process Design[M]. Beijing：Petroleum Industry Press，2007.)

[5] 黄振东.海洋石油平台栈桥管线布置分析[J].装备制造技术，2013(8)：81-89.

(HUANG Zhen-dong.The Pipeline Layout Analysis of Offshore Oil Platform’s Bridge[J]. Equipment Manufacturing Technology，2013(8)：81-89.)

[6] 党锡淇，陈守五.活塞式压缩机气流脉动与管道振动[M].西安：西安交通大学出版社，1984.

(DANG Xi-qi，CHEN Shou-wu. Piston Compressor Air Flow Pulsation and Pipeline Vibration[M].Xi’an： Xi’an Jiaotong University Press，1984.)

[7] Walter W von Nimitz. Pulsation and Vibration Control Requirements in the Design of Reciprocating Compressor and Pump Installations[C]//Purdue Compressor Technology Conference. 1984：595-603.

[8] 伊建五，杨维群，袁庆禄，等. 压缩机气体管道的振动原因及消振方法[J].压缩机技术，2002，9(4)：38-39.

(YI Jian-wu，YANG Wei-qun, YUAN Qing-lu,et al.Vibration Cause and Anti-vibration Method of Gas Piping of a Compressor[J].Compressor Technology，2002，9(4)：38-39.)

[9] 樊长博.往复式压缩机气体管道振动分析及消振方法[J].科学技术与工程，2007，7(4)：453-456.

(FAN Chang-bo. Analysis of Reciprocating Compressor Gas Pipeline Vibration and Control Methods[J].Science Technology and Engineering，2007，7(4)：453-456.)

[10] 高尚业.往复式压缩机管系振动的控制[J].炼油设计，2000，30(1)：32-35.

(GAO Shang-ye. Control for Piping Vibrations in Reciprocating Compressor[J].Petroleum Refinery Engineering，2000，30(1)：32-35.)

[11] 张志飞.往复压缩机管道振动的消减[J].管道技术与设备，2006(1)：19-21.

(ZHANG Zhi-fei. Pipeline Vibration Reduction of Reciprocating Compressor[J]. Pipeline Technique and Equipment，2006(1)：19-21.)

[12] 谭平.天然气管线压力脉动激振分析[J].天然气工业，2005，25(9)：107-109.

(TAN Ping.Analysis on Pressure Pulsation-induced Vibration Gas Pipelines[J].Natural Gas Industry，2005，25(9)：107-109.)

[13] 田锋，蔡元浪，黄怀州.深水导管架安装设计方法[J].中国造船，2007，48(增刊)：59-63.

(TIAN Feng，CAI Yuan-lang，Huang Huai-zhou. Installation Design Method for Deepwater Jacket[J].Shipbuilding of China，2007，48(S)：59-63.)

[14] 房晓明，姜沛然，王立权，等.波浪影响下导管架调平系统最优控制[J].电机与控制学报，2012，16(11)：104-108.

(FANG Xiao-ming，JIANG Pei-ran，WANG Li-quan，et al. Optimal Control for the Jacket Leveling System under the Influence of Wave[J].Electric Machines and Control，2012，16(11)：104-108.)

[15] 张万鹏.浅谈钢质桩基式导管架的海上安装及注意事项[J].中国海洋平台，2008，23(4)：52-55.

(ZHANG Wan-peng.Installation and Attention Problems of Petrol Pipe-platform on the Sea [J].China Offshore Platform，2008，23(4)：52-55.)

[16] 刘庆，张彬，赵秀美，等.海洋平台过渡段海上组对安装工艺研究[J].应用能源技术，2014(6)：18-19.

(LIU Qing，ZHANG Bin，ZHAO Xiu-mei，et al. Study on New Technology of Installation Group Clearance Adjustment of Offshore Platform Transition[J]. Applied Energy Technology，2014(6)：18-19.)

(张编)

EffectofBridgeInstallationintheEastSeaontheLayoutofCross-bridgePiping

LIShuang-sheng，CHENGXin-yu，GUOQing，WANGBing，WANGYan-duo

(Designing Company of China Offshore Oil Engineering Co. Ltd.，Tianjin 300451， China)

The pipeline of bridge displacement is larger on the East China Sea， so the piping stress analysis is more difficult to calculation and need take more time and need higher pipeline layout requirements. When the installation deviation of bridge exceeding design range，the pipeline connection between the bridge and the platform will be affected，materials need to be prepared and piping needs to be rearranged and stress analysis needs to be recalculated. Based on platform installation case on the East China Sea，the affection of the bridge installation height，length，angle deviation on pipeline arrangement was analyzed，the measurement error of the water depth and the transition segment adjustment of jacket should be fully considered and material for installation deviation of bridge installation height needs to be prepared and piping layout and pipeline stress analysis plan needs to be prepared when the piping is arranged，the pipeline should avoid enter bridge through the bridge side or at the bottom of the bridge， a long straight pipe should be reserved before the piping entering the bridge. It can provide reference for piping layout of bridge on the East China Sea.

piping； bridge； installation； deviation； affection

TQ055.8； TE973

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.003

1000-7466(2017)03-0010-04①

2016-11-30

李双胜(1980-)，男，河北沧州人，工程师，硕士，现从事总体配管专业技术工作。