TLP船体系统管道设计综述

杜国强， 张 涛， 陈 静

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

TLP船体系统管道设计综述

杜国强， 张 涛， 陈 静

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

张力腿平台(TLP)作为主要的深水油气平台形式之一，近年来得到了广泛的应用。船体系统作为实现调节TLP张力功能的设施，对TLP的稳定运行起着重要的作用。结合TLP的设计标准规范及流花TLP FEED项目的设计工作，介绍了TLP下浮体船体系统管道的设计原则、设计基础、布置要点及各个系统的布置要求，并对船体的压排载系统方案做了详细介绍，对扫舱系统、透气测深等其余系统方案做了简单介绍，可为TLP船体系统管道设计提供一定借鉴和参考。

张力腿平台；船体系统；管道；压载

0 引 言

随着海洋资源开发逐渐向深海领域挺进，传统的固定导管架平台已不再适用于深海油气田开发。近年来，国内外的石油公司纷纷采用半潜式钻井平台、圆柱型平台、张力腿平台(TLP)等新式的深海油气资源开发工具[1]。其中，在各个深海采油设施中，TLP平台的概念于20世纪80年代提出，并在此后近30年的平台设计中得到了广泛的发展应用[2]。从1984年康菲公司建立起世界上第一座TLP平台至今，已有30座TLP平台投产或正在建造安装中。船体系统作为实现调节TLP张力功能的设施，对TLP的稳定运行起着重要的作用。本文详细介绍了TLP下浮体船体系统管道的设计原则、设计基础、布置要点及各个系统的布置要求，并探讨了船体的压排载系统方案。

1 TLP平台设计原理及主要构成

TLP平台主要由上部组块、船体、张力腿等设施构成。图1为TLP的主要构成部分。

目前TLP有多种形式，但不论哪种形式，其设计原理基本相同。TLP为半柔半刚的浮式结构平台，它通过自身的结构形式，产生远大于结构自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分就称为剩余浮力，这部分剩余浮力与预张力平衡。平台在位状态下，当上部设计的载荷发生较大变化时，需要船体的压载系统进行调节，使张力腿的张力始终保持在一定范围之内，因此调节张力的船体压载系统及其他辅助系统的原理设计和管道设计显得尤为重要。

图1 TLP主要构成Fig.1 Essential facilities of TLP

2 船体系统管道设计原则及设计基础

2.1 设计原则

TLP船体系统管道设计指在舱室、设备、设施间进行整套系统的管道布置设计。所有TLP船体系统管道在设计、预制、安装及试压等方面应遵循ABS Rules for Building and Classing MODU 4-2/Pumps and Piping Systems和ASME B31.1 Power Piping中的要求；所有管线、管件、法兰及阀门等管道材料要求应依据项目的“船体系统管道材料规格书”确定。在上述基础上，还应遵循以下设计要求及原则。

2.1.1符合船体系统原理图要求

轮机专业提供的船体系统原理图(P&ID)明确表示了管道连接流向，物流的引出或汇入点及其特殊要求，并指定了阀门、法兰、仪表元件等的位置，管道材料选用级别的分界点等。管道设计时应严格执行并满足P&ID中提出的功能要求。

2.1.2统筹规划

设计时应首先进行统筹规划，做到安全、经济，便于建造施工、海上操作和维修。应优先考虑大直径等特殊管道的布置。同时管道布置应尽量紧凑、整齐有序、成组成排、便于支撑，以最大程度地减小管道占用空间、重量及项目成本。另外，为便于管道及阀门等操作、维修及拆卸，需要在TLP立柱的中央阱内设置一些门或人孔。

统筹规划时管道尽量“步步高”或“步步低”，不出现或少出现气袋和液袋。不可避免时，应于高点设排气阀，低点设排液阀。高点排气口管径不小于1/2英寸(1英寸≈2.54cm)，低点排液口管径不小于3/4英寸。

2.1.3不妨碍设备的操作与维修

在布置船体内管道前，对有关设备(主要为泵)的操作维修特点应有足够的了解，以便留出足够的空间。停工大检修时，泵类设备需要整体移出泵房进行检验维修，因此管道布置时应留出足够的检修吊装区域和空间。

2.1.4管道柔性足够

尽量利用管道的自然走向吸收热胀自行补偿。当管道走向较长并承受胀缩或其他应力导致无法吸收热胀自行补偿时，长距离水平向管道建议考虑增加膨胀节，长距离竖直向管道建议考虑增加“П”形膨胀弯以进行热补偿。油管和消防水管的膨胀补偿装置和法兰垫片应由不燃材料制成。

2.1.5管道穿舱

通常，管道穿舱时，应满足如下要求：(1)管线穿舱处，所有水密舱壁应采用焊接处理，以保证其水密性；(2)穿舱处的焊接工艺应遵循船体结构的要求；(3)管线穿舱时，须避免在船体结构强应力区进行开孔，如DECK POST区域周围，其他区域开孔应遵循船体结构的规定和补强措施等要求；(4)货油管不应穿过压载舱，如不可避免，则采用加厚管及焊接接头；(5)应避免燃油舱柜的空气管、溢流管和测量管通过居住舱室，如有困难，则通过该类舱室的管子不得有可拆接头；(6)淡水管应避免通过油舱，油管也应避免通过淡水舱，如不可避免，应在油密隧道或套管内通过；(7)其他管子通过燃油舱时，管壁应加厚，且不得有可拆接头。

穿舱件与舱壁或甲板等连接有可拆式和不可拆式(将穿舱件焊在甲板或隔壁上)两种形式。根据工作介质的参数和管子公称通径的大小及施工情况，按穿舱件的结构可分为焊接座板通舱管件、螺纹通舱管件、承插式焊接通舱管件、法兰通舱管件等类型。目前流花TLP采用的是不可拆式法兰穿舱件。

法兰穿舱件是由标准的钢法兰与一段钢管焊接而成的，同时，附加了一块焊接衬板。法兰穿舱件一般都是钢结构制品，但是，当海水系统的管路采用铜管时，钢结构的法兰穿舱件的内壁需要复合一层铜衬套或其他抗海水腐蚀材料(如PE衬套)，使它的抗海水腐蚀的能力与管路相同，提高法兰穿舱件的使用寿命。

2.1.6管道支撑

尽量利用船体主结构、附属结构(如梯子、支撑平台等)及设备支撑管道，并且尽可能将船体内的管道系统、通风系统、电缆托架系统等统一进行支撑。应根据不同的需要选用具有不同功能的支吊架和支撑部件，支吊架所生根的结构应能承受支吊架所施加的荷载，还应考虑生根点产生位移对管道的影响。支吊架的布置应做到检修时不致因拆除部分管道后使其余管道处于无支撑状态。

2.1.7船体管道布置其他要求

(1) TLP平台立柱内存在大量长竖直立管，对此管道设计时应考虑潜在水锤的影响[3]。

(2) TLP为浮式平台，船体结构由于受外界环境力会产生挤压、弯曲等变形，对此管道设计时应充分考虑管道与结构之前的相对位移，确保结构变形后不会碰撞管道[3]。

(3) 燃油管路应与其他管路隔离，燃油不得进入结构上不宜装油的舱柜或进入用于装载淡水的舱柜。燃油管路如确需与压载管系连接，则管路间应设置盲通两用法兰或其他可靠的隔离装置。

(4) 大管径，特别是输送液体的管道尽量靠近吊架立柱布置，以使吊架的梁承受较小的弯矩；小直径的管道宜布置在管架的中央部位。

(5) 评定平台的破损稳性时，有效水密舱壁之间的破损范围假定为水平贯入1.5m，垂直范围自底板向上无限制；处于该破损范围内的管路、通风系统、围壁通道等，应假定均遭破损，在水密界限处应设有可靠的关闭设施，以防止其他预定为完整的处所发生继续浸水。

2.2 设计基础

2.2.1船体主尺度图及舱容图

主尺度图主要反映TLP平台立柱尺寸、立柱间距、浮箱位置、浮箱尺寸、船体分舱情况、吃水高度、张力腿位置、DECK POST位置等关键数据；舱容图主要反映舱室的位置、容积及用途等信息。

2.2.2船体总布置图

该图纸在船体主尺度图的基础上完成，主要反映船体顶部设备设施、舱口、通风口、通道等布置，立柱内中央阱、机械处所、泵房内的设备设施等布置，立柱周围设备及管线护管等布置。

2.2.3船体系统设计基础及原理图

TLP船体系统设计基础主要提供了项目背景、设计标准及船体系统方案说明。系统原理图(P&ID)主要体现系统设计方案及功能要求，反映主要设备部件和管道连接流向，在这些图上应标明流量、压力和温度。该图应绘出仪表和所有控制装置，注明所有设备和阀门，并给出管道尺寸、数量、管材及每条管道内流体的流动方向。

2.2.4管道表和设备表

管道表中列有管道编号、输送介质、起止点、管径、操作温度和压力、设计温度和压力、材料选用等级等信息；设备表中列出平台上所有设备的操作和设计条件、规格等，泵的型号、规格、驱动方式、数量等。

3 船体系统管道设计方案

以流花TLP项目为例，船体系统中，与管道设计相关的系统主要为压排载系统、舱底扫舱系统、透气测深系统、淡水饮用水系统、柴油系统、船体公用系统等，其中压排载系统为TLP船体的主要及特有系统，体现了TLP的特点。本节重点介绍该系统方案，其余系统方案作简单介绍。

3.1 压排载系统管道设计

该系统主要由永久压载水注入管路、临时压载水注入管路、压排载主环、永久压载舱压排载管路、临时压载舱压排载管路、压载水排海管路等组成。其中，永久压载管路的压载注入水来自上部组块的海水提升泵，临时压载管路的压载注入水来自上部组块的柴油消防泵和消防主环。压排载系统原理如图2所示。

根据标准规范和系统原理的要求，该系统管道布置方案介绍如下。

(1) 压载水注入管路由上部组块接入，布置于TLP一个立柱的中央阱内；压载水注入管线为长50～60m的竖直管路，考虑到水锤影响及管道的热补偿，须在竖直管路两固定点之间的中部区域布置П形膨胀弯。

(2) 压载主环布置在船体立柱底部及方形浮箱内，各立柱内的压载主管布置在对应的立柱内，与压载主环相连通；压载主环在各立柱之间的管段为较长距离水平管段，考虑到热补偿，每段长距离水平管段设置2个以上的膨胀节。

(3) 永久压载舱和临时压载舱的压载支管与其所在立柱内的压载主管连接，上述管线既用于压载也用于排载；压载支管端部设有吸口，吸口下方为防侵蚀板，规定的典型做法为：吸口下边缘距压载舱底部60mm，防侵蚀板厚13mm。

(4) 压载水排海主要由船体设置的4台永久排载泵和8台临时排载泵实现，排载泵均为带自吸装置的立式离心泵；泵入口与各立柱内的压载主管相连接，泵出口与排海管线相连接，排海管线自下而上从中央阱内穿出，沿立柱外侧排海；其中，中央阱内排海管段为长距离竖直管路，须在竖直管路两固定点之间的中部区域布置П形膨胀弯。如排海口设计时穿过船底，则需要增加加强板。流花项目不采用穿过舱底的设计。

管道布置方案示意图如图3所示。

图3 压排载系统管道设计Fig.3 Piping design for ballast and deballast system

3.2 舱底扫舱系统管道设计

在对TLP的日常维护过程中，需要人员定期对船体内各舱室进行检查。人员在进入永久压载舱、柴油舱、淡水舱、饮用水舱之前，应预先清除舱内残液。另外，TLP安装完毕后，需排净临时压载舱中的残留压载水，使之成为空舱。能实现上述功能的系统称为扫舱系统。对于TLP船体内的机器处所、管隧和空舱，均应设置可抽除其内积水的舱底系统。

该系统管道设计方案如下。

(1) 危险区域(柴油舱区域)的舱底水管系与非危险区域的舱底水管系独立设计。

(2) 舱底水管系与上部组块相连接部分，设置了带止回功能的阀门避免气、液回流至舱底系统，安装于舱底管开口端的阀门具有止回功能。

(3) 除应急吸管外，机器处所的舱底水支吸管均设置了泥箱，除机器处所外的其他舱室舱底水吸入管的开口端封闭在滤网箱内；舱底扫舱系统的管道吸口下边缘距压载舱底部40mm，防侵蚀板厚13mm。

3.3 透气测深系统管道设计

除无固定放泄的较小舱室外，所有液舱、隔离舱、空舱、管隧和未安装其他通风设施的舱室均应设置透气管，以防止由于舱柜超压或负压而引起损坏。TLP下浮体内所有液舱、空舱、管隧均设置了测深管，以探知液舱储量和空舱、管隧是否漏入液体；为避免管路的重复布置，允许经由透气管进行测深。

根据标准规范及系统原理的要求，该系统管道设计方案如下。

(1) 所有延伸至船壳的舱室的透气管引至干舷甲板以上，压载舱的透气管应引至露天地点；对终止于露天地点的透气管采取防止雨水及海水进入的措施，在透气管的出口端设置自动关闭装置。透气管露出开敞甲板的高度，在干舷甲板上大于760mm。

(2) 柴油舱透气管的出口端设耐腐蚀的金属防火网；淡水舱等对储存液清洁度要求高的舱柜透气管的出口端设防虫网。

(3) 为满足规范要求，淡水舱透气管内径大于38mm，压载水舱透气管内径均大于51mm[4]。

(4) 柴油舱透气管端部设有呼吸阀，其周围被定义为危险区域，船体开口(梯口、舱口、透气口、通风口等)距离该阀门最少3m，但由于TLP船体空间无法满足该要求，所以将柴油舱透气管的呼吸阀布置于上部组块上。

3.4 其他船体系统

流花TLP项目将淡水、饮用水、柴油存储于船体，以此降低TLP的重心，增加TLP的稳性。

淡水饮用水舱与泵连接的管线尽可能靠近船舱底部，淡水饮用水泵出口设置了循环管线，正常情况下该管线关闭。

柴油舱出口管线尽可能靠近舱室底部，在柴油舱旁设置两台泵用以将柴油舱内柴油抽送到上部组块。柴油泵出口管线设有分支管线，可实现两个柴油舱内柴油的倒换。柴油舱设有管线分支，用以接收来自上部组块柴油舱的溢流或回流柴油。每个柴油舱设置一个呼吸阀(PVRV)，以防止柴油舱超压和真空。

其余船体公用系统主要包括仪表气、公用气、淡水、消防等系统。TLP下部船体和上部组块可共享公用系统，公用设备部分置于上部组块，船体只设置公用站及接口。消防系统布置时在机械处所、泵舱及中央阱内等区域布置了消防栓。

4 结 语

目前，陆上及浅海石油资源已日趋枯竭，深海石油开发已经成为石油工业的重要前沿阵地，而我国南海蕴藏着丰富的油气资源，其中深水区域占有相当大的比重。作为一种高效便捷的深水油气田开发设施，TLP将会越来越多地应用于深海油气开发。本文总结的TLP船体系统管道设计内容、设计要求及特点基于实际工程项目的实践得出，对相关工程设计人员具有一定的借鉴及参考作用。

[1] 李玉成. 海洋工程技术进展与对发展我国海洋经济的思考[J]. 大连理工大学学报，2002，42(1)：1.

[2] 王忠畅，高静坤，谢彬，等. 张力腿平台总体尺度规划研究 [J]. 中国海上油气，2007，19(3)：200.

[3] American Petroleum Institute. API RP2T. Recommended practice for planning, designing and constructing tension leg platforms [S].2010.

[4] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units [S].2012.

SummaryaboutPipingDesignofMarineSystemforTLP

DU Guo-qiang, ZHANG Tao, CHEN Jing

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

As one of the main oil and gas platforms in deep water, tension leg platform (TLP) has been widely applied in recent years. Marine system is very important for the stability of TLP by adjusting the tension. Based on the design standards and Liuhua TLP FEED project design work, we review the piping design principles, and basis, layout requirements of marine system for TLP, and introduce the hull piping design practice for ballast/deballast, bilge/stripping, vent/sounding system, etc. This research can provide some reference for TLP hull piping system design.

tension leg platform (TLP); marine system; piping; ballast

2016-08-05

杜国强(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事海洋石油工程总体配管方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)04-0207-05