移动注热平台栈桥蒸汽管线设计方案

王春霞,雷俊杰,郝孟江,陈修辉,纪志远

(海洋石油工程股份有限公司 设计院,天津 300451)

0 引 言

我国海上稠油资源丰富，渤海湾已探明多个稠油油田，储量巨大。高效、经济、安全的开发模式对稠油资源的开采具有重要意义。目前稠油资源的开发主要采用蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油等3种方式。渤海区域主要采用蒸汽吞吐的方法，原理是周期性地向油田注入蒸汽，加热油层，降低原油黏度。实现稠油热采需要配套锅炉水处理、注汽锅炉、氮气系统、高黏原油集输等配套工艺技术[1]，设计难度大、成本高，传统模式是每个热采平台单独配置一套锅炉设备，无法实现各区块规模化开发，经济效益差。

渤海某油田开发项目突破传统开发模式，首次利用自升式移动注热平台交替为热采平台提供注热蒸汽，实现多个平台的资源共享，降低锅炉等设备的成本，提高稠油热采的经济效益。

1 栈桥与平台连接方式

移动注热平台与热采平台通过栈桥连接，如图1所示。

图1 栈桥连接方案

栈桥采用旋转设计方案，旋转系统安装在移动平台端支撑立柱上；在固定平台端设置搭接装置，配置水平、竖直方向挡块，约束栈桥过度运动。在进行海上安装时，栈桥通过旋转装置旋至固定平台端的搭接端进行安装。栈桥在横向分成2部分：一部分作为人行通道；一部分作为管道和电缆通道，为其提供支撑结构。栈桥蒸汽管线与两端平台采用硬管连接，在两端栈桥连接处设置法兰连接。在平台移位时，通过法兰将两端管线拆除，栈桥收回放置到移动平台休息臂上。

2 蒸汽管线工况定义

在移动注热平台进行海上作业时，需要分析其静态工况和疲劳工况。

2.1 静态工况

静态工况按照载荷类型分为持续载荷、位移载荷、偶然载荷。持续载荷包括重力(管道、流体、保温)、压力载荷；位移载荷包括由温度、栈桥位移造成的载荷；偶然载荷包括风、地震载荷。基本工况如表1所示。

2.2 疲劳工况

按照应变类型，疲劳分为低周疲劳和高周疲劳。低周疲劳的特点是高应力、低寿命(小于105次)，在疲劳中起主导作用的为循环应变，低周疲劳也被称为应变疲劳或塑性疲劳。高周疲劳的特点是低应力、高寿命(疲劳寿命一般不低于105次)[2]。移动注热平台在通过栈桥蒸汽管线输送蒸汽时，既有注热启停温度变化引起的低周疲劳，又有波浪周期运动引起的高周疲劳。

某项目有2座热采平台，所处区域的波浪参数如表2所示。作业工况选择一年一遇的波浪参数，自存工况选择百年一遇的波浪参数。疲劳分析考虑3种疲劳工况：注热启停管道热胀冷缩作用下的低周疲劳；作业工况波浪运动引起管道变形的高周疲劳；自存工况波浪运动引起管道变形的高周疲劳[3]。

某项目移动注热平台的设计寿命为20 a，前期注热方案为蒸汽吞吐，交替服役于2座热采平台，共16个注热周期，后期转为化学辅助蒸汽驱，固定在1座平台持续注热。根据波浪周期，计算出在设计寿命内的高周疲劳循环次数如3表所示。

3 疲劳分析方法

3.1 理论基础

管道疲劳分析方法一般分为疲劳极限分析法、ASME B31.3疲劳分析方法、疲劳累积损伤法等3种。本项目采用后2种相结合的分析方法。

ASME B31.3疲劳分析方法通过控制计算位移应力SE在规范许用的范围之内来防止疲劳的发生。ASME B31.3规定材料的计算位移应力SE不能超过材料的许用位移应力SA[4]：

SE≤SA=f(1.25Sc+0.25Sh)

(1)

疲劳累积损伤法基于材料的疲劳曲线(S-N曲线)和Miner线性累计损伤理论[5]。该理论认为，当材料结构在多交变应力作用下发生疲劳破坏时，其总的损伤量D是各应力范围水平下的损伤量之和：

(2)

式中：k为多交变应力范围分级的个数，各级应力范围用Si表示；ni为应力范围Si在寿命内的实际循环次数；Nia为材料达到疲劳极限所允许的循环次数。用D来度量材料结构的疲劳累积损伤，当D=1时，认为材料发生疲劳破坏。

3.2 分析步骤

(1)基于ASME B31.3 确定各疲劳工况下的最大应力范围SE。蒸汽管线的材质为A106B，设计温度为390 ℃，最低环境温度为-17.2 ℃。对应的Sc为138 MPa、Sh为105 MPa。保守考虑，f设置为0.8，求得SE为160 MPa。

(2)计算波浪运动引起的疲劳工况下全位移当量循环次数N。表3中计算的循环次数没有考虑不同浪高作用在管道上的交变应力的差异性。由波浪玫瑰图(见图2)可知：低浪高出现的概率高，但交变应力小，对应的位移应力范围小，在全寿命内的许用循环次数多；高浪高出现的概率低，但交变应力大，对应的位移应力范围大，在全寿命内的许用循环次数少。应用DNV-RP-C203[6]的韦伯函数统计方法，假定最大浪高对应的位移应力范围为SE，以0.1 m浪高为步长，计算每个浪高在对应位移应力范围内的当量循环次数：

(3)

图2 热采平台1波浪玫瑰图

式中：Δσ为每个浪高对应的位移应力范围，MPa；Q(Δσ)为超出应力范围Δσ出现的概率，应力范围出现的概率应为1-Q(Δσ)；q为韦伯函数尺度因子；h为韦伯分布函数形状因子，根据循环次数和最大应力范围，查DNV NOTES No.30.7 Table B-1，取1.04。

当量循环次数的折算公式为

(4)

式中：Δσ0为计算的最大位移应力范围，MPa；Nwi为每个浪高单独作用下引起的循环次数，Nwi=N0{1-Q(Δσi)-N0[1-Q(Δσi-1)]}，其中N0为生命周期内的循环次数。

根据API RP 2A-WSD(2010)，栈桥管线考虑2倍疲劳设计因子。平台1在作业工况下的浪高为4.6 m，峰值应力范围为160 MPa，在生命周期内的循环次数为48 450 033，韦伯函数形状因子h为1.04，韦伯函数尺度因子q为10.098。波浪运动的全位移当量循环次数统计结果如表4所示。

表4 韦伯函数统计结果

同理，计算出平台1在自存工况下以及平台2在作业工况和自存工况下的全位移当量循环次数。将各工况进行累加，得出蒸汽管线在设计寿命内总全位移当量次数N=11 772。计算应力减小系数f=0.92。

编制疲劳分析工况。根据第2节定义的静态工况和疲劳工况以及第3节计算的全位移当量循环次数。编制疲劳分析工况如表5所示。

表5 疲劳分析工况

确定疲劳分析曲线(S-N)。根据蒸汽管线的材料和温度选用ASME Ⅷ DIV.2 ANNEX 3-F Figure 3-F.1M[7]作为疲劳分析曲线(见图3)。该曲线适用于温度不超过371 ℃的碳钢，本研究课题蒸汽的最高操作温度为355 ℃，在曲线的适用温度范围之内。蒸汽的最高设计温度为390 ℃，超过曲线的最高温度，但考虑设计温度属于事故温度，发生的概率低、时间短，而疲劳分析考虑的是长期周期应力作用的结果，因此可基于该疲劳曲线进行疲劳分析。

图3 温度不超过371 ℃、拉伸强度不超过552 MPa的碳钢疲劳曲线

4 栈桥蒸汽管线方案设计

4.1 方案描述

为满足移动注热平台及栈桥能适应不同作业油田的差异性，减小栈桥位移对固定平台和移动平台内端管线布置的影响，尽可能在固定平台和移动平台与栈桥连接位置附近设置固定支架，主要通过在栈桥上设置π形弯来吸收栈桥位移及高温引起的管道热应力。

栈桥轴向位移达930 mm，考虑增加垂直于栈桥轴向的管段，即增加π形弯进行长度补偿；栈桥侧向位移达3 839 mm，考虑利用栈桥与平台的高度差，或设置竖直π形弯进行补偿。根据上述设计思路，对3种管道布置方案进行详细的静态分析和疲劳分析。

3种方案的管道布置如图4～图6所示。方案1在靠近热采平台端设置2个方向相反的水平π型弯，由于栈桥的尺寸限制，π型弯悬至栈桥外部。方案2在靠近热采平台端设置1个水平π型弯和1个竖直向下的π型弯。方案3在靠近热采平台端设置1个水平π型弯和1个竖直向上的π型弯。

图4 方案1

图5 方案2

图6 方案3

4.2 分析结果

采用CAESARⅡ软件分别对3种方案进行分析，3种方案的位移应力云图和疲劳应力云图如图7～图12所示，疲劳累积损伤率分别为0.38、0.06、0.03。

图7 方案1位移应力云图

图8 方案2位移应力云图

图9 方案3位移应力云图

图11 方案2疲劳应力云图

图12 方案3疲劳应力云图

4.3 方案对比

将应力分析结果、栈桥结构、管道维护等方面进行综合对比，结果如表6所示。由表6可知，方案3的位移应力和疲劳应力最小，结构的附加设计少、占用空间小，可满足蒸汽管线安全、经济方面的要求。

表6 方案对比

5 结 论

(1)蒸汽管线高温高压且受栈桥大位移的影响，具有很高的危险性。必须进行管道静态分析、疲劳分析，以对管道的安全性进行评估，保证生命财产的安全。

(2)栈桥蒸汽管线与移动注热平台及热采平台之间通过硬管(碳钢材质)连接，采用管道自然补偿,可吸收蒸汽高温热位移及平台相对移动的栈桥大位移,同时消除波浪周期运动引起的管道疲劳。

(3) 借助韦伯函数的数据统计方法,考虑不同波高对管道作用的差异性,计算各波高对应的位移应力范围,折算当量循环次数。与采用最大波高相比,设计更接近波浪真实的作用情况,避免设计冗余。

(4) 栈桥管线的布置方案除了需要考虑管道应力外,还需要考虑栈桥结构的强度、栈桥回放时布置空间的可行性、工艺的合理性等。

(5) 为满足移动注热平台服役于不同平台的兼容性,蒸汽管线布置方案在固定平台和移动平台端靠近栈桥连接处设置固定支架,将栈桥位移对平台内部管线的影响限定在有限的范围内。在详细设计阶段,在保证栈桥上管线方案不变的前提下,可将固定点的位置根据平台内管道的柔性进行调整。

(6) 根据热采平台的移动需求,蒸汽管线与注热平台端管道连接须采用安全可靠的形式。本方案设计的是法兰连接,并通过法兰泄漏校核。但考虑热采平台实际就位的偏差,尽可能减少泄漏的原则,采用焊接的方案更可靠。