海洋石油平台上部组块注水泵管线应力分析

姚宇婷

（森松（江苏）重工有限公司，上海 201323）

海洋石油平台是集油气处理、人员生活等多功能于一体的海上油气综合开发处理中心。目前，国内针对海洋石油平台设计还面临着较多难点，特别是海洋石油平台上部组块管道应力分析仍面临着较多挑战，国内也没有专门针对海洋石油平台上部组块注水泵及其连接管线的专门研究。

本文基于CAESAR Ⅱ软件，以ASME B31.3为计算评判标准，研究了上部组块注水泵及其连接管线工艺流程、应力分析原则与计算思路，完成注水泵及连接管道柔性设计，调整了管道支架型式，满足了管道标准规范要求。管道应力比及泵设备口、设备管口荷载满足设计要求，并成功实施应用于渤海某项目中。

1 相关工艺流程

1.1 工艺流程

海洋石油平台上部组块的注水泵部分工艺流程主要包括：介质从膜式进水缓冲罐流出，进入主管后分为3路，先进入过滤器，经过滤器过滤进入注水泵，从注水泵出来汇入主管线，通过主管线再分解进入下一工艺流程。

在本案例中，前后汇管均设计为10英寸，注水泵前管线为10英寸，出口管线为6英寸，3组泵为两用一备（第3组为常闭工况），工艺流程如图1所示。

图1 注水泵及管道工艺流程图

1.2 设计参数

根据上述工艺流程，梳理出海洋石油平台上部组块注水泵及管道涉及到的设计环境参数以及地震加速度，见表1和表2。

表1 环境设计参数

表2 地震加速度g

2 管道应力分析

2.1 管道应力分析原则

管道应力分析主要包括对管道所受一次应力、二次应力、偶然应力进行分析评估。一次应力是指在重力、压力或其他外载作用下所受应力，二次应力是指由于管道所受热胀冷缩或附加荷载后产生的应力，偶然应力则需要考虑如风载、安全阀卸放等对管道的影响，因此，偶然应力也需要评估。通过对管道的应力分析评估，应有效降低管道一次应力、二次应力和偶然应力，降低泵口或设备管口荷载，满足设计标准及规范要求，保证管道系统安全稳定运行[1-5]。

2.2 管道应力设计思路

（1）应校核模型整体应力比，应力宜不超过80%，超过80%应具体分析原因后调整。泵口、管口载荷应满足规范及厂家要求，其中，泵口载荷可以按照API610的2倍校核、设备管口应满足设备厂家提供的许用荷载值[6-10]。在满足管道应力比的前提下，对管道支架位置及支架型式进行调整，如导向支架、止推支架等。对于敏感设备可以降低摩擦系数，钢与钢之间摩擦系数为0.3，钢与PTFE板之间摩擦系数为0.1，通过降低摩擦系数可以实现降低管口荷载的目的。

（2）对于泵及连接管线的最低频率应满足4Hz及以上。满足4Hz以上需要增加一定的支架，但是往往管线支架少，管口受力就能降低，应在满足跨距的基础上，满足频率要求。

通通过弹簧支架可以降低竖直方向的支架荷载值，可适当设置，不宜使用膨胀节吸收管口荷载。

3 案例应用分析

3.1 建立模型

根据工艺PID（流程图）、管道ISO（安装小票图）、三维模型对应建立管道应力分析模型，如图2～图4所示。

图2 注水系统应力分析计算模型

图4 泵应力分析模拟模型

3.2 应力比分析

加载应力分析工况，输入不同工况下的设计参数，对海洋石油平台上部组块的注水泵及连接管道进行计算分析，应力比结果见表3。通过对比结果，一次应力、二次应力和偶然应力校核均通过，最大一次应力和偶然应力均出现在6930节点，一次应力应力比为31%，偶然应力应力比为33.7%；二次应力应力比出现在7230及3930节点，最大二次应力应力比为16.0%，满足设计要求。

表3 工况应力比

图3 滤器应力分析模拟模型

3.3 设备管口荷载分析

在应力比满足要求的前提下，对设备管口进行校核，经过计算，设备管口荷载超过许用值，见图5和图6中红色圆圈标记处。设备管口载荷见表4。

表4 设备管口载荷

原因分析：设备管口按照固定方式模拟，见图5和图6中红色圆圈标记处。管道热涨时从固定点向底部下方热涨，直到遇到下方支架后受力返回，因此竖直方向上受力增大，受力状态如图5和图6所示。

图5 设备管口荷载模型

图6 设备管口荷载分析模型

解决办法：通过删掉该支架，竖直向受力下降，但是同时要考虑挠度的因素。因此考虑将该支架向远离设备管口方向移动，这样既能保证管线挠度，也能降低管口载荷。按以上思路调整后，满足设备管口荷载受力要求，校核通过，调整后设备管口载荷见表5。

表5 调整后设备管口载荷

3.4 过滤器管口荷载分析

对过滤器口荷载进行校核分析，经过计算，过滤器管口荷载超过许用值。过滤器管口载荷见表6。

表6 过滤器管口载荷

通过在设计温度下管道的热涨变形可知，泵及过滤器均由固定点处向上热膨胀，然而过滤器变形趋势较泵明显，如图7所示。

图7 过滤器管口变形趋势（设计温度）

模拟过程中，由于过滤器的高度与泵口底座高度存在高度差（约445mm），导致泵与过滤器热胀不同步，过滤器比泵口多胀了约0.2mm，由此导致受力增大。因此，需要调整过滤器底座高度，使其与泵口底座高度一致，保持同步热胀，调整后受力满足要求。调整后过滤器管口载荷见表7。

表7 调整后过滤器管口载荷

3.5 泵口荷载分析

对泵口进行校核，经过计算，泵口荷载超过许用值，泵口载荷见表8。其中由于过滤器与泵存在高度差，不仅对滤器管口荷载产生影响，对泵口荷载同样产生影响。同时，滤器底座支撑摩擦系数及泵出口相连接管道支架摩擦系数也对泵口荷载产生影响，如图8所示。

表8 泵口载荷

图8 泵设备模型

通通过调整滤器高度、调整泵进出口支架型式及摩擦系数，增加PTFE板，使得泵进出口荷载满足标注要求，泵口受力见表9。

表9 调整后泵口载荷

经过上述分析后，还应考虑第三组C泵为备用泵常闭工况。同时也应分别考虑A泵、B泵互为备用泵情况，校核应力比、管口载荷、泵口载荷。经过模拟分析，结果均满足设计标准要求。

3.6 频率分析

最后，需要核算管道系统的固有频率是否满足要求，注水泵及直接连接管道部分，一般要求其系统固有频率应满足大于等于4Hz，以避免可能产生的振动事故。计算后注水泵及连接管道系统频率见表10，结果满足要求。

表10 注水泵频率校核

3.7 结论

在海洋石油平台上部组块管道设计过程中，建议首先考虑采用管道自然补偿方式来满足管道应力比的需求，但往往上部组块空间狭窄、受限，管道多，仪表、托架、结构梁多，增加了调整的难度。

通过调整管道的走向、增加管道柔性来降低管道应力比，以及泵口、管口载荷，满足管口的受力、力矩要求。同时也可以考虑调整管道支吊架型式与位置，在距离泵设备口附件支架增设PTFE板的型式，以此降低管支架摩擦力，从而在保证管道应力比的同时降低管口荷载，使其在标准规范许用的范围内。

4 结束语

本本文对海洋石油平台上部组块注水泵及其连接管线的设计及管道应力分析相关内容进行了研究，满足了管道标准规范要求，应力比及泵设备口、过滤器设备管口荷载均满足设计要求，并成功实施应用于渤海某项目中，为今后海洋石油平台上部组块管道设计，特别是注水泵管道设计提供了参考依据。同时，通过自主研究，掌握了海洋石油平台上部组块注水泵及其连接管线管道应力分析技术，有效降低了外委设计成本，为我国海洋石油平台管道设计奠定了重要基础。