栈桥结构对栈桥管道应力影响的分析研究

雷俊杰 程久欢

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

在海上油气田群开发中,栈桥是两个平台之间人员工作生活的通道,同时支撑贯穿于两个平台之间的油气管道、饮用水管道、公用水管道、电缆和通讯线路等。栈桥一般采用空间框架钢结构,也有少数采用平面框架钢结构[1-6]。海上平台栈桥管道设计最大的难点是:两个平台在风、波浪、船舶靠泊等载荷作用下发生相对运动,从而产生栈桥位移,并带动栈桥上的管道产生运动趋势,如何确保栈桥管道不发生破坏,保证平台安全生产[7-10]，为此需分析研究栈桥结构对栈桥管道应力的影响分析研究。

目前,国内外大部分工程公司应用CAESAR Ⅱ软件评估栈桥管道在栈桥位移等载荷作用下的应力比、支架载荷、法兰泄漏和管道固有频率,通常只建立管道模型,且管道支架约束刚度选择软件默认值(平动刚度1.75×1012N/cm,转动刚度1.13×1011(N·m)/deg,远大于真实刚度值),在管道模型中导入栈桥结构尚不多见[11-12]。少数国外工程公司将栈桥结构模拟为无质量刚性件与栈桥管道联合分析,但忽略了栈桥结构自身的变形。因此,目前国内外大部分工程公司分析栈桥管道时,均不能真实反映栈桥结构对栈桥管道的影响,计算结果不够真实,影响了栈桥管道设计方案的优化,增加了海上安装工作量和工程投资费用。

本文以某海上油田项目中平台栈桥管道为例,应用CAESAR Ⅱ软件详细介绍了在栈桥管道模型中导入栈桥结构的模拟方法,总结了栈桥上管道支架的位移分配规律,对比分析了管道模型与联合模型计算的应力比、支架载荷、法兰泄漏和管道固有频率的差异[13-15]。

1 CAESAR Ⅱ软件钢结构模块

CAESAR Ⅱ软件是美国COADE公司研发的管道应力分析软件,广泛应用于石油、石化、化工、电力、钢铁等行业,以梁单元模型为基础,可用于分析大型管道系统、钢结构或两者的联合模型[16]。CAESAR Ⅱ软件提供了钢结构模块(栈桥结构为圆管,可以使用管道模块建模),允许用户在管道模型中导入钢结构模型,分析联合模型,得到两者非线性作用的计算和图形结果[17]。

CAESAR Ⅱ软件提供了两种钢结构建模方法[17]:一种是使用“EDIM”命令生成单一结构单元直接搭建钢结构模型;另一种是使用“NODE”命令在三维空间内布置节点,然后使用“ELEM”命令连接各个结构单元,搭建钢结构模型。本文使用第一种方法在钢结构模块中搭建支架模型,在管道模块中使用管道单元搭建栈桥结构模型。

2 计算实例

某海上油田项目中,A平台和B平台通过长度为34.2 m的栈桥连接,平台和栈桥总体布置方案见图1。栈桥与A平台之间采用铰接连接,A平台通过销轴套筒结构带动栈桥一起运动;栈桥与B平台之间采用滑动连接,栈桥运动时通过滑动块结构,释放A平台带动栈桥一起运动时对B平台的影响。

图1 平台和栈桥总体布置方案

2.1 设计参数

在风、波浪、船舶靠泊等载荷作用下,A平台和B平台之间相对运动趋势如下:栈桥轴向相对位移±180 mm,栈桥侧向相对位移±180 mm,栈桥竖直方向相对位移±54 mm。

栈桥上布置有油系统、水系统、仪表气等管道,本文以10英寸(1英寸=25.4 mm)油系统管道为例进行分析研究。栈桥油管输送介质为油水混合液,介质密度1.0×103kg/m3,管道材质A 106 Gr.B,外径273 mm,壁厚12.7 mm,温度压力设计参数见表1。

表1温度压力设计参数

操作温度T1/℃最低设计温度T2/℃最高设计温度T3/℃设计压力p1/kPa水压压力HP/kPa70-201003 0004 500

2.2 建立模型

在CAESAR Ⅱ软件管道模块中,建立栈桥管道模型,见图2。在A平台靠近栈桥铰接端位置设置编号10的固定支架,在B平台靠近栈桥滑动端位置设置编号310的固定支架。在栈桥中间位置布置臂长 3 350 mm 的π形弯,用于吸收栈桥位移和管道热胀冷缩等位移载荷。在A平台和B平台连接栈桥位置各布置一台法兰连接的紧急关断阀。

根据栈桥结构图纸,在CAESAR Ⅱ软件管道模块中建立栈桥结构模型。在栈桥铰接端节点 10005 约束x、y、z方向平动和Rx、Rz方向转动,允许栈桥沿Ry方向自由转动;在栈桥滑动端节点 10090 约束y和-z方向平动,节点 12090 约束y和+z方向平动,允许栈桥滑动端沿栈桥轴向(x向)自由滑动。

图2 栈桥管道模型

在CAESAR Ⅱ软件钢结构模块中,选取规格为150 mm×150 mm×7 mm×10 mm的H型钢建立T型支架,导入栈桥结构模型中,在支架生根位置使用ANC约束,导入T型支架后的栈桥结构模型见图3。

图3 栈桥结构模型

在栈桥管道模型中,导入建好的栈桥结构模型,在管道约束点处使用CNODE连接到T型支架上,完成连接的联合模型见图4。

图4 联合模型

2.3 定义工况

表2栈桥管道应力分析工况

工况编号工况组合工况类型工况描述L1WW+HPHYD水压试验工况L2W+p1SUS持续载荷工况L3W+T1+p1OPE操作工况L4W+T2+p1OPE最低设计工况L5W+T3+p1OPE最高设计工况L6W+T3+p1+D4OPE最高设计载荷+x向栈桥位移…………L16W+T1+p1+WIN1OPE操作载荷+x正向风载荷…………L20W+T1+p1+U1OPE操作载荷+x正向地震载荷…………L62L59,L60,L61OCC最大偶然应力…………L69L63,L64,L65,L66,L67,L68EXP最大二次应力…………L74L15,L16,L17,L18,L19,L20,L21,L22,L23,L24,L25,L73OPE最大操作载荷+偶然载荷L75L2,L3,L4,L5,L7,L8,L9,L10,L11,L74OPE最大操作载荷 注:HYD为水压试验;OPE为操作;SUS为持续;OCC为偶然;EXP为热胀。

2.4 栈桥上管道支架位移分配规律

根据栈桥与平台连接形式,从直观理解和理论分析角度判断栈桥管道支架位移分配规律:生根在A平台(铰接端)的栈桥管道支架位移为0 mm,生根在B平台(滑动端)的栈桥管道支架位移最大,x、y和z方向位移分别为±180、±54和±180 mm,生根在栈桥上管道支架位移与支架和铰接端间的距离成线性分布。在以往项目中，单独分析栈桥管道模型时，通常按照分配规律给栈桥管道各支架位置点施加位移,但未进行详细论证。

本文建立了联合模型,栈桥位移不需要施加在栈桥管道支架点上,可以直接施加在栈桥滑动端,而铰接端位移为零,通过栈桥结构运动自动给支架分配位移,计算得到栈桥管道支架x、y、z方向位移分配规律见图5。

图5 栈桥管道支架位移分配规律

2.5 计算结果对比分析

2.5.1 应力比

分析管道模型和联合模型,计算得到各个载荷工况下最大应力比，见图6。

图6 最大应力比

分析出现上述差异的原因:联合模型导入栈桥结构和T型支架后,管道支架约束刚度减小,栈桥管道受风、地震等偶然载荷影响,更容易产生运动趋势,因此偶然应力会增大;联合模型支架约束刚度减小,栈桥管道受温度、栈桥位移等位移载荷影响,更容易变形并释放应力,因此位移应力会减小。

2.5.2 支架载荷

在管道模型和联合模型的相同位置设置了同类型支架,支架位置和支架型式见图2和图4。下文以编号90(四向限位)和编号130(六向限位)的支架为例,分析管道模型和联合模型计算的支架载荷差异,见图7～8。

图7 编号90支架载荷

图8 编号130支架载荷

由图7～8可知:对于编号90的四向限位支架,联合模型比管道模型x方向受力减小了约61,y方向受力减小了约28,z方向受力略有增加;对于编号130的六向限位支架,联合模型比管道模型x方向受力减小了约64,y方向受力略有增加,z方向受力减小了约19。综上,联合模型的支架整体受力小于管道模型的支架受力。

分析出现上述差异的原因:管道模型采用CAESAR Ⅱ软件默认约束刚度值,计算结果偏于保守;联合模型中导入栈桥结构和T型支架后,使支架具有一定柔性,计算结果趋于真实。

2.5.3 法兰泄漏

在A平台靠近栈桥铰接端和B平台靠近栈桥滑动端,各布置了一台法兰连接的紧急关断阀,当A平台和B平台之间产生相对运动趋势时,栈桥位移可能会破坏法兰连接,造成法兰泄漏事故,因此,栈桥管道应力分析需要评估法兰泄漏风险。管道模型和联合模型计算的法兰泄漏比结果见图9。

图9 法兰泄漏比

由图9可知，管道模型和联合模型计算的法兰泄漏比差距不大,但是考虑栈桥结构影响后,由于支架柔性增加,管道更容易受栈桥位移影响而产生运动趋势,因此,联合模型计算的法兰泄漏比略有上升。综上,联合模型计算的法兰泄漏比结果更加真实,应用管道模型计算法兰泄漏比,应使法兰泄漏比尽量小,以保证法兰连接安全。

2.5.4 管道固有频率

栈桥位移长期作用在栈桥管道上,栈桥管道存在疲劳破坏的风险,栈桥管道支架设计不合理也可能使管道从栈桥结构上脱落。因此,栈桥管道应力分析需要评估栈桥管道固有频率,保证栈桥管道具备抵抗栈桥位移等外载的能力。管道模型和联合模型计算的栈桥管道固有频率结果见图10。

图10 管道固有频率

由图10可知，考虑栈桥结构影响后,管道固有频率减小,且从第2阶开始,管道固有频率下降幅度较大。

分析原因如下:考虑栈桥结构影响后,管道支架约束刚度减小,管道更容易产生运动趋势,造成管道固有频率降低。因此,联合模型计算的固有频率更加真实,应用管道模型计算固有频率需要留有安全余量,以保证栈桥管道安全。

3 结论

1)在栈桥管道模型中导入栈桥结构模型,使栈桥管道应力分析结果更加真实,但是需要提前建立栈桥结构模型,建模工作量较大。

2)管道模型计算的应力比、支架载荷比较保守,但在实际工程设计中,通常可以接受此方法的计算结果。

3)联合模型计算的法兰泄漏比和管道固有频率较为保守和真实,如应用管道模型分析计算,需要留有一定设计余量,以保证栈桥管道安全。

4)栈桥上支架的侧向位移和竖向位移沿栈桥轴向呈现线性分布,但轴向位移不满足线性分布规律。