海底管道水下法兰保护结构设计

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

海底管道是海上油气开发的大动脉[1]，而海底管道的水下连接是其中重要的环节。在浅水区域，海底管道多采用螺栓法兰连接形式。但在浅水区域，海底设施极易受到渔业、船舶运输以及固定平台等设施的影响，时常面临渔网拖挂、落物砸损等方面的威胁。输送油气的水下管道法兰如受到这类外力作用，其密封可能会遭到破坏，导致水下油气输送管道泄漏[2]，不仅影响油气田的正常生产，还有可能造成严重的环境事故。因此，在易受渔业、船舶运输影响的浅水区域，应当对海底管道法兰连接处设置保护结构。

海底管道的连接法兰在投用后需要定期检查维护，并根据检查结果和生产需要更换密封圈、螺栓、螺母甚至水下回接管道。这些操作决定了水下法兰保护结构必须紧凑、轻便且易于拆卸。同时，从防渔网拖挂和落物保护的角度出发，保护结构本身还必须满足强度要求[3]。目前国内外水下生产系统中对水下法兰的保护考虑较少，采用的也是较为简易的临时护罩，存在设计不合理、保护效果不理想的问题。文中介绍了全新设计的水下法兰保护结构及特点[4]，并采用有限元方法对其不同工况下的受力进行了分析。

1 水下法兰保护结构及特点

全新设计的法兰保护结构主体是由Q235钢板焊接而成的钢结构，其本体主要由保护结构主框架(图1)和固定底板(图2)两部分组成。将保护结构主框架通过吊装罩在海底管道法兰上，再通过2块固定底板与保护结构主框架两端的螺栓孔进行固定连接。

图1 保护结构主框架结构

图2 固定底板结构

在连接保护结构主框架和固定底板时，先采用水下吹泥的作业方式[5]，对海底管道底部固定底板预计插入处进行吹泥作业。吹泥作业之后将固定底板插入海底管道底部，用螺栓将其与保护结构主框架连接。

利用三维建模仿真软件Solidworks[6]，对法兰保护结构进行1∶1仿真建模，建模后将法兰保护结构与海底管道进行装配，模拟其在海底安装后的效果。通过仿真建模，可以检查、发现法兰保护结构本身存在的问题以及与海底管道装配后出现的干涉等问题[7]。另外，在仿真建模过程中，根据设计要求，可以在Solidworks中对法兰保护结构的各个部分按照实际情况进行材料指定，如钢材、橡胶等，可以使其具有相应材料的物理性能(如密度、强度等)，从而更加准确地对保护结构进行吊装、测试等方面的模拟。准确的模拟结果对法兰保护结构的海上安装方案、安装时间、安装成本有重要影响。利用Solidworks软件对法兰保护结构与海底管道装配后的情形进行仿真模拟并抽图。

法兰保护结构安装在海底管道法兰上的整体效果见图3。

1.海底管道 2.周向弧板 3.轴向直板 4.鞍座弧板 5.橡胶垫层 6.固定底板 7.管道法兰图3 水下法兰保护结构安装示图

数组轴向直板呈30°夹角固定在两端的鞍座弧板上，3组周向弧板将所有轴向直板连接固定在一起，使整体强度和稳定性得到提升。在最上端的轴向直板上加工有吊装孔，以便于保护结构的安装操作。在鞍座弧板和海底管道之间，以及固定底板表面设置了氯丁橡胶垫层，以增加法兰保护结构与海底管道之间的摩擦力，限制法兰保护结构沿海底管道发生圆周向旋转。

本法兰保护结构的主要特点是结构紧凑、安装拆卸方便。以外径457 mm(18英寸)海底管道的法兰保护结构为例[8]，保护结构的外形尺寸(长×宽×高)为2 350 mm×1 256 mm×940 mm，在空气中的质量为450 kg，在水中的质量为390 kg。保护结构水下安装过程中需要潜水员进行辅助操作，紧凑的结构和轻便的质量对潜水员的水下操作十分有利，对海上安装的施工条件要求也很低。

为了保证保护结构紧凑、轻便并具有保护能力，保护结构轴向直板和周向弧板的布置就非常关键。布置轴向直板时，要考虑固定底板和保护结构主框架在采用螺栓法兰连接时的操作空间问题。该处的螺栓连接由潜水员在水下操作，合理的操作空间影响着安装成败[9-12]。

2 水下法兰保护结构有限元分析

采用ABAQUS软件对海底管道水下法兰保护结构进行有限元分析[13-14]。将分析计算结果与API-RP-2A-WSD—2000《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法——工作应力设计法》[15]、DNV-RP-C204《Design Against Accidental Loads》[16]规范的要求进行对比分析，检验其是否满足规范中的相关要求。

水下法兰保护结构有限元分析工况主要包括操作工况、渔网拖挂工况和吊装工况，分析工况及载荷组合见表1[17]。

表1 水下法兰保护结构分析工况及载荷组合

有限元分析采用全3D计算模型，将水下法兰保护结构的板用面单元S4R取代，网格密度取20 mm。保护结构主框架有限元分析模型网格见图4。固定底板对受力影响不大，为了便于分析计算，不再考虑固定底板[18]。水下法兰保护结构两端与海底管道相接触，在分析模型中选取接触部分全约束。

图4 保护结构主框架有限元分析模型

有限元分析计算得到的不同工况下保护结构主框架的应力/应变分布云图见图5。

图5 不同工况下法兰保护结构主框架应力/应变分布云图

根据API-RP-2A-WSD—2000要求，在操作工况和吊装工况下，水下法兰保护结构应力不应超过0.66倍屈服应力，即0.66×235=155 MPa。根据DNV-RP-C204要求，事故工况下的许用应变εcr=0.2，此为工程应变。考虑到ABAQUS软件输出的结果为结构的真实应变值εture，同时工程应变与真实应变两者的关系为εture=ln(1+εcr)，故渔网拖挂工况下保护架结构的应变值不超过0.182。

根据分析计算结果，操作工况下水下法兰保护结构主框架的最大应力为3.09 MPa(图5a)，吊装工况下水下法兰保护结构主框架的最大应力值为55.34 MPa(图5b)，渔网拖挂工况下水下法兰保护结构主框架的最大应变值为0.119 6(图5c)，均满足校核规范的要求。

3 水下法兰保护结构首例应用

在泰国PTTEP公司的Zawtika 1B项目中，文中设计的海底管道水下法兰保护结构得到了首次成功应用，管道的最大应用尺寸达到了外径457 mm(18英寸)。

该法兰保护结构外形紧凑、质量轻，在潜水员和吊机的配合下，安装非常简便、快捷。实际应用情况证明，该结构不仅满足法兰保护功能，而且能有效缩减安装和维护成本[19]。

4 结语

海底油气管道水下法兰的保护对保障海上油气田正常生产和防止海洋环境事故发生有着重要作用。文中设计的水下法兰保护结构具有结构紧凑、保护效果明显等优点。对保护结构进行了有限元分析计算，应力、应变均符合相关标准规范要求。该保护结构在国外项目中的成功应用证明了其设计的合理性和有效性，对类似海底管道水下法兰的保护具有参考价值。

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