全三维设计在海洋平台设计中的应用

肖华民

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海 201206）

全三维设计在海洋平台设计中的应用

肖华民

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海 201206）

全三维设计在海洋平台设计中应用广泛。以东海海域某导管架平台上部组块的全三维设计为例，介绍和阐述了三维设计的突出优点、程序和需要考虑的因素，在总结出许多应用经验的同时也发现了一些问题，如各类设计软件在使用中出现相互干涉，管线与其他设施出现相互碰撞等问题，并提供了解决这些问题的方法和途径，为今后类似海洋平台全三维设计提供了宝贵经验。

全三维设计；三维配管软件SP 3DP&ID；设计软件SMART PLANT P&ID；支吊架设计软件SUPPORT MODELER

随着近年来海洋石油开发热潮的到来，海洋平台项目日益增多。尤其是集大型采油、修井、生活于一体的导管架平台，由于具有功能完备、导管架尺寸相对较小等突出优点，近年来在东海及南海较深水海域受到投资方的推崇。导管架平台的共同特点是系统多、设备管缆密集和平台层高小。基于三维设计软件的各专业联合三维设计在其中得到了广泛应用。因此，有必要对全三维设计在导管架平台设计中的应用加以总结，归纳出经验和发现的问题，并找出解决这些问题的方法和途径，以期为今后类似海洋平台全三维设计提供借鉴。

1 全三维设计的突出优点

全三维设计的突出优点主要有如下几点：

（1）有利于在结构件密集，设备、管线、桥架等繁多，空间要求精确的设计项目开展多专业联合设计，特别是在设计前可以进行三维整体规划，机械、管道、电气、仪表各专业进行空间划分，有利于各专业把握三维设计的大方向，有效避免了设计整体调整等重大变更。

（2）设计过程中各专业可以直观地观察到其它相关专业的进展，清晰地发现相互碰撞等问题，有利于专业间协作水平的提高。建模完成后便于在三维模型中检查错误并进行相应的调整变更和图纸升版等后续工作。

（3）与三维软件相配套的其它软件进一步增强了三维设计的功能，例如本工程设计中采用的三维配管软件SP 3DP&ID、设计软件SMART PLANT P&ID、支吊架设计软件SUPPORT MODELER和三维实体模拟软件SMART REVIEW等的配合使用，提高了工作效率并降低了失误率。

2 全三维设计应用

东海某导管架平台上部组块共设计有三层甲板：底层甲板（标高20.3 m）、中间甲板（标高26.3 m）、顶层甲板（标高34.8 m）。其中底层甲板上部设有收发球筒、化学注入撬块、海水提升泵等设施；中间甲板上部设有多相流量计、生产分离器、生产及测试电加热器等油气生产设施；顶层甲板上部设有生活楼、柴油吊机等设施。

它的全三维设计主要包括以下几个工作：数据库的建立和维护；三维模型的建立、检查与修改；生成全三维实体模型。

2.1 初期工作

（1）数据库维护。每个具体工程的设计参数、物流介质等都不尽相同，因此对于管材等的要求往往会有一定的变化。在三维设计初期，必须按照配管规格书的具体要求对三维设计软件数据库进行完善和补充，为正式的三维设计工作打好基础。完善和规范的数据库可以为后续三维设计工作节省大量校审、升版工作，是三维设计得以顺利进行的前提。

（2）结构建模。为了有效避免后续设计中设备、管线、电仪桥架、风管、空调基础等与桩、梁格、斜撑、加强筋等结构件的碰撞，在三维设计初期必须先进行结构三维建模，按照实际的尺寸和规格把平台所有结构部件都做进三维模型，这也有利于机械、配管、电气、仪表等专业三维建模时空间感的形成和尺寸等的定位等，而且管线支吊架和电仪桥架支吊架都是生根在结构梁上，必须要有准确的结构模型才能给后续三维设计打好基础。

（3）设备简易建模。在详细设计初期阶段，绝大部分设备处于招投标阶段，完备的设备资料尚不具备。虽然没有正式的设备供货商送审资料，但是一般的业主都会有较为固定的设备供货商数据库。可以按照以往的相同或相近规格的设备资料，同时参照本工程对设备布置方式、外形尺寸、管口方位等的要求进行优化，在三维模型中构建较为简易的设备模型。这个过程只需要能够体现出大概的外形尺寸和管口方位即可。这对后面的三维整体规划和保证三维设计进度至关重要。

（4）在平面布置图的基础上，按照设计规范的要求需要设计逃生通道和路线图。为了防止在三维设计时管线、支吊架、阀门手轮等进入逃生通道影响逃生，必须将逃生通道模拟进三维模型。

（5）考虑到东海海域风浪大，为了保证人员操作的舒适型，为了给后续三维设计提供参照并防止管线等误穿挡风墙，需要将挡风墙模拟进三维模型。

在完成上述五项主要前期工作后，基本就具备了后续正式三维设计的条件。

2.2 整体规划

在结构模型、设备简易模型、逃生通道模型、挡风墙模型建立后，必须要进行三维整体规划。三维整体规划的原则是：“应进行平台统筹规划，做到安全、流程通畅、经济、便于施工、操作和维修”[1]。按照平台各层甲板的层高等，需要对电仪桥架、管线的层高进行空间划分。一般按照电仪桥架在上、管线在下的原则进行划分，这主要是考虑到以下几个因素：

（1）为了方便施工，管线预制和安装一般早于电仪桥架。

（2）防止管线内介质泄露污染和损坏电缆。

（3）管线充水量相对较大，一般管线的吊架要比电仪桥架的吊架大，这样布置方便管线和电仪桥架共用吊架。

空间划分完毕，然后考虑配电间、控制室的位置和设备的布置位置开始对电仪桥架的走向进行规划，在平面布置图里面标示出电仪桥架的走向、尺寸和标高等数据。同时需要根据各系统管线的大致走向情况对主管廊进行布置考虑，主要是大管径的油气管线、开排管汇、闭排管汇、放空管汇、柴油供给管线等。需要根据管径、相关设备的位置、甲板梁格的情况综合考虑，对主管廊吊架的型式、型钢种类和规格也要考虑。计算出每层管廊的高度、宽度等数据，并按照一定的相对位置顺序对不同介质管线进行布置，将管径、相对中心距、标高等数据标示在平面布置图上。不同介质管线布置的原则有以下几个：

（1）采取“步步高”或“步步低”的布置方法，尽量避免管线尤其是天然气管线出现口袋弯，造成凝液影响管线使用寿命和安全。

（2）带坡度的自流管线优先于压力管线布置。开排系统等自流管线受到内部压力的影响，为了不影响介质流动效果，其它管线应注意避让。

（3）不需要经常检修、操作的管线应注意避让需要较频繁检修和操作的管线，尽量将后者布置于易于到达和进行操作的位置。

（4）有支管的管线应尽量布置在管廊内侧，防止设计时支管与其它系统管线碰撞，降低三维设计难度。

（5）布置在同一层吊架时，为了受力合理，大管径管线尽量布置在靠近吊架支腿的位置，小管径靠中间。

由于海洋平台空间紧凑，设备布置需要考虑的因素较多，有时候很难满足最合理的管线布置要求，应按照局部服从整体的大原则进行设计。

2.3 设备建模

设备建模要“考虑充分利用有限甲板和空间，以保证安全、逃生、操作、维修等需要”[2]。设备模型中最重要的信息是管口信息。如果前期设备建模管口信息有误，会直接导致管线建模出现返工。因此总结起来设备建模最重要的几个要素是：管口信息、外形尺寸、基础底座等。由于目前常用三维设计软件中，数据库中成型设备种类较少，基本都是通过分解组合搭积木的方式进行设备建模。因此除管口信息必须保证正确外，一些设备的附属构件的尺寸也必须要求设备供货商明确，这样不但可以准确建模，还可以避免建造返工。

2.4 工艺管线建模

完成设备建模后就可以进行工艺管线建模。工艺管线建模存在几个比较容易出问题的认识误区，归纳如下：

（1）完全按照设备平面布置图的位置和方位进行管线安装。

平面布置图是进行三维设计的最基本条件，总图专业在得到最新的设备供货商送审资料后已经对平面布置图进行了升版，配管工程师可以按照管线布置的最优化原则并考虑到设备的检修、阀门仪表等的操作等因素，根据实际安装情况对设备的位置和方位进行调整。但是应该注意尽量不要减小对设备重心分布的影响，否则可能会导致对结构图纸的改变。

（2）完全按照P&ID上面的管线相对关系来进行布置。

P&ID是按照工艺流程的最合理化来设计的，但是一旦牵涉到管线的安装，可能很多细节是进行P&ID设计的工艺工程师想象不到或者考虑不全的。比如说弯头与三通、管帽组合的区别，可能很多时候单纯在工艺上考虑使用三通和管帽的组合更合理，对管线的冲刷影响更小一些，但是如果由于安装空间位置受限或者是从美观角度考虑，更多的配管工程师会选择使用外观上更简洁的弯头，这就需要配管工程师和工艺工程师进行沟通。

（3）管线布置得越紧凑越好。

由于平台空间位置受限，往往会形成习惯性思维，从而把管线布置得非常紧凑，忽略了操作的便利性和施工的可行性。在现场施工过程中可以发现很多为了把管线布置紧凑，完全按照理论计算、忽略施工允许误差从而导致施工困难的现象。例如管线和甲板间距过小，进行保温的时候很难施工。

（4）为了布置紧凑省掉短节、焊缝间距过小。在空间允许的情况下应考虑到由于应力集中引起的焊缝受力过大的因素，应使用过渡短节。

2.5 电仪电缆暖通建模

由于平台管线电缆分布密度很大，必须要将电缆托架加入三维模型，对电缆托架的要求是：“确定电缆托架的材质，电缆托架支撑架之间的间隔距离等，电缆托架应该根据电压等级（中压，低压，控制）分别设置”[3]。以便于准确合理的确定电缆走向并与管线留有足够的间距。根据电缆电压的分类，确定每个电缆托架上电缆的数量，进行建模。

电缆托架是带有转角的，因此必须要同托盘的供货商结合好转弯半径等数据，以防止出现虽然电缆托盘在模型中进行了模拟，到现场安装时还出现与附近管线等碰撞的问题。

暖通专业主要是户外的风机、风管托架及室内的空调器等。容易与管线等发生碰撞的主要是户外的风机和托架，尤其是托架，很容易被忽视。事实证明，到现场施工时出现问题的往往是设计过程中认为次要的因素。暖通专业也应该与供货商确定好风机及托架的详细尺寸数据，以及安装的大致形态及注意事项。

2.6 支吊架建模

管线、电仪进行建模的同时，进行支吊架的建模。尤其是平台四周的主管网，由于在三维整体规划时已经比较准确地确定了管线的管径、数量、间距，选择最合理的一根管线作为基准进行支吊架建模。

支吊架建模设计时应考虑的因素有如下几点：

（1）管线振动会引起管道和管架的疲劳损坏，因此配管设计还要考虑防止或控制管系发生振动。支吊架的选型和设置，对改善管系的振动起着重要作用[1]。

（2）管廊带各管线间距合理，除了满足管线本身的距离要求外，还应该考虑管线使用的支吊架的型式，结合支吊架的型式来复核管线间距是否合理。例如使用管鞋或U形管卡的管线要考虑管鞋或U形管卡最外缘尺寸与相邻管线吊架支腿或者管线支架之间的间距。

（3）管廊带各管线的标高要充分考虑到各管线使用的支吊架的型式。比如管廊带双层吊架上层支杆与下层管线的间距，必须考虑到进行保温等施工操作的可行性。

（4）应根据管线的数量、位置、管径、材质、内部介质等因素选择最合理的支吊架型式、既保证支吊架有足够的支撑强度，又满足外形简洁、美观的特点。支吊架上与管线固定有关的管卡、管鞋的选择应符合技术规格书的要求。

2.7 模型的追踪、检查与修改

整体规划一定要合理，这是保证整个三维设计顺利完成的前提。但是后期修改的工作量不可避免，三维设计其中的一个优势就在于可以对设计过程进行实时观察，追踪某一个信息的动态。比如有一个系统的其中一个管线号的管线需要出具ISO单管图，就可以利用软件自带的寻找管线功能，在复杂的管网中将它高亮显示，迅速找到该管线。这样就可以清晰的观察到它的走向，以及整个走向对周围其它管线、电缆、设备等是否有影响。如果经过全面的考虑后认为该管线走向没有问题，它周围的管线、电缆、设备等也不会出现变化，就可以利用软件的图纸生成功能抽取出该管线的ISO单管图，提交审查，及时地提供给施工方提前进行预制。

不仅是模型中某个元素可以方便的进行追踪，整个三维模型都可以利用PDS软件的强大功能或者使用SMART REVIEW对已建模型进行检查、信息追踪，从而发现错误并修改。三维设计由于专业接口多、管线系统多、管线电缆布置密度大、设备结构紧凑、各元素间距小等因素，难免会出现碰撞等问题[4]，常见的碰撞问题有以下几种：

（1）管线与平台梁格、斜撑、加强板等的碰撞，如图1至图4所示。

比较常见的是穿平台夹套管或者带法兰时管线与梁格碰撞。

图1 管线与平台梁格碰撞

图2 管线与平台支撑碰撞

图3 管线与平台加强板碰撞

图4 管线与平台斜撑碰撞

（2）管线与设备的碰撞，如图5所示。

比较常见的是与设备的附属构件比如梯子、护栏、加强筋等的碰撞。考虑到施工的因素，应尽量使管线与设备保持足够的距离。

图5 管线与设备碰撞

（3）管线与管线的碰撞，如图6所示。

比较常见的是做三维模型时没有参考完全其他系统的管线，或者其他系统管线调整后本系统管线没有进行相应调整造成的碰撞。

图6 管线与管线碰撞

（4）管线与支吊架的碰撞，如图7所示。

支吊架相对管线来讲是比较次要的元素，应本着优先走管线的原则，支吊架应注意避让管线，管线调整后支吊架要随时随之调整。

图7 管线与支吊架的碰撞

（5）管线与电仪桥架的碰撞。

由于在三维设计前期对整个三维模型进行了整体规划，电仪桥架基本与管线分层布置。多见于平台中间管线密集、不容易发现的隐蔽位置，应该在配管过程中注意经常查看模型。

（6）管线、支吊架等与施工临时构件的碰撞。

很多现场施工因素是设计中没有考虑的，比如像平台在陆地预制时的底层甲板离地高度问题。按照施工的界面，工作甲板下直到海管分界法兰之间的管线都是需要陆地预制的，但是由于高度不够无法实现。还有这种管线与主桩间距过小，导致现场与滑靴上面的加强筋板碰撞。

（7）管线与结构等间距过小，无法保温。

受管线介质温度和外部环境温度的影响，有的管线需要进行保温，这就要求管线要遗留一定的空间进行保温，所以在全三维设计建模中就要考虑管线与其他结构件等相邻设施的间距。

2.8 全三维设计经验总结

三维设计技术作为一种全新的工程设计手段，无论是建模方式、项目管理、设计理念还是专业协调，与传统手工二维设计不同[4]。通过该导管架平台上部组块设计，对三维设计有了更清晰的认识，也发现了很多以前没有认识到的问题，总结经验如下：

（1）在三维设计时应注意要充分考虑到其他系统和因素的影响。

做到经常查看模型，尽早发现问题，以免把问题带到现场，造成大范围的升版图纸。

（2）各专业要有整体意识。

在发现别的专业问题时应及时提醒相关人员修改，有些问题表面看上去与本专业无关，但是可能修改后就会影响到本专业。

（3）支吊架设计应注意因地制宜。

要根据管线数量、管径大小、管线布置相对关系和生根梁的情况合理地选择支吊架形式，忌过大，够用即可；忌一味追求均衡、统一，同一个管廊的支吊架没有必要设计同样规模的，要根据上面的管线数量进行单独考虑，但是最好能保证同样标高，这样在视觉上美观也更有利于施工单位现场预制和安装。在平台管线、支吊架繁多的情况下在现场看来做的过于保守的支吊架显得非常笨重，没有必要。管线变更走向后，管线配管工程师应及时通知支吊架配管工程师，做好支吊架模型的调整和变更。

（4）电仪托盘与支吊架应结合起来考虑。

在设计前期应该对托盘的宽度进行咨询，以免设计的电仪吊架过窄或者过宽，造成现场无法施工或者浪费材料和平台空间的出现。

（5）配管设计是围绕设备开展的，设备布置的合理与否是做好配管的前提。

例如在现场预制时发现某个设备位置不够合理需要调整，就会造成大量的配管图纸响应升版工作，已经预制好的管线可能都要进行调整，不但造成了大量材料和人工的浪费，也会使得项目组和施工单位对设计进行很大的修改，给现场工作带来被动。

（6）PDS和SUPPORT软件数据库的建立很重要。

作为配管技术人员，需要掌握的应该是如何合理的布置管线、完善模型，但是由于数据库尚不够完善，导致单管图中很多材料和尺寸等数据不正确，造成设计图纸质量的下降和升版工作的增加。专业设计公司的数据库建立都是经历了较长时间的积累和多个项目反复的完善，也要对厂家资料的数据不断更新和补充。

（7）三维设计的核心思想总结起来就是“沟通”。

三维设计是一项冗繁、细致的工作，因此，国内的采油平台设计迫切需要在设计阶段充分考虑建造过程中平台结构构件的占位、交叉情况，将建造过程中可能出现的问题，提前到设计阶段解决，从而加快平台设计速度，提高设计质量[5]。模型的准确建立和完善需要不断反复。在这个过程中除了设计人员本身要具备一定的设计经验和软件应用技术外，最重要的就是交流沟通。各种现场碰撞的出现大部分都是因为各专业沟通不够，很多人都是为了追求如何快速的建完模型，忽视了设计的质量。可能一个模型表面看是建完了，但其中可能隐藏着大量不够合理甚至碰撞的严重错误问题。因此需要经常查看其它系统的布置情况和设备资料的升版和变动，根据整体情况对本系统进行调整。

3 结论

通过参与东海某导管架平台上部组块的全三维设计，总结归纳出全三维设计在导管架平台设计中的应用经验和发现的问题，并找出解决这些问题的方法和途径，使我们更好地认识了全三维设计的强大功能，对目前国际通用的海洋平台工程详细设计过程也有了全方位、多角度的认识，进一步了解了全三维设计的优势，为今后类似海洋平台全三维设计提供了宝贵的经验。

[1]《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程设计指南（第1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.

[2]《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程设计指南（第2册）： 海洋石油工程机械与设备设计[M]. 北京： 石油工业出版社， 2007.

[3]《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程设计指南（第3册）： 海洋石油工程电气、仪控、通信设计[M]. 北京： 石油工业出版社， 2007.

[4]张益公．三维技术在井口平台上部组块设计中的应用[J]．中国海上油气（工程），2001（2）：15-16．

[5]初新杰，高惠.海上采油平台三维设计技术研究[C]//第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社，2011：43-47.

Application of the Entire 3D Design to Offshore Platform Design

XIAO Huamin

（Shanghai Drilling Division of SINOPEC Offshore Oilfield Engineering Company, Shanghai 201206, China）

Entire 3D design has been widely used in offshore platform design. In this paper, with the design of a jacket platform in East China Sea as an example, the advantages of entire 3-D design, the procedure and the factors to be considered in the entire 3D design have been discussed. A lot of practical experience has been summarized, and some problems during design have been analyzed, such as incompatibility between different software, collide of pipeline and equipment .The ways and methods to solve these problems will be very helpful in future entire 3D design of offshore platform.

Entire 3D design; SP 3D P&ID; smart plant P&ID; support model

1008-2336（2016）04-0094-07

201-08-26；改回日期：2016-10-17

肖华民，男，1969年生，工程师，主要从事海洋石油机械和海洋石油工程技术工作。

E-mail：xiaohuamin.shhy@sinopec.com。

TE54

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.094