基于管桩耦合模型的独桩平台栈桥管道应力分析

2021-07-02李孟杰时米波肖小龙

海洋石油 2021年2期

李孟杰，高晋，时米波，肖小龙

（1. 中石化石油工程建设有限公司，北京 100020；2. 中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026）

在滩浅海油田开发中，独桩支撑平台结构简单、安装方便、造价较低，作为单井平台、火炬平台、栈桥支撑平台得到广泛应用[1-2]。但是独立桩平台抗侧向位移刚度相对较小，在极端海冰、波浪等海洋环境载荷作用下，平台上部水平位移较大[3]。栈桥是连接海上相邻平台之间油气水管线的支撑，平台发生位移会带动栈桥及其上的管道产生较大的相对运动，可能造成管道薄弱部位强度不足而发生损坏泄漏[4-5]。因此设计时应详细分析栈桥管道应力强度、固定支架推力，使管道的柔性设计满足附加位移、内压等荷载下的总体要求[6]。

本文基于美国COADE公司开发的专业压力管道应力分析软件CAESARⅡ，结合胜利海上油田某平台改造项目，将输油管道、栈桥与独立桩作为一个整体系统进行应力分析，得到了输油管道的详细应力[6-7]，并根据分析结果提出管道布置优化建议，为类似项目提供参考借鉴。

1 独桩平台栈桥管道结构载荷特性

某海上平台改造项目见图1。改造方案要求拆除图1（a）方框内生产平台，将原连接在该平台上的输油管道，通过独桩支撑的栈桥（图1（b））连接到另一座新建平台上，管道长度约为50 m。

图1 独桩平台栈桥管道系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of single-pile platform trestle piping system

海上独立桩栈桥上的输油管道与陆上管道相比，所受的荷载除常规的管道内压、重力荷载外[7]，尤其需要重点关注的是独立桩平台、栈桥与其他平台间的相对运动而导致管道产生的附加位移荷载。

在极端海冰、波浪等荷载作用下，由于独立桩的抗侧移刚度相对较小，固定于独立桩上的输油管道立管部分将被动随之同步发生运动，从而产生附加位移荷载。栈桥与平台固定方式通常为一端焊接固定，一端滑动连接。栈桥滑动连接支座处设有挡块以限制其横向运动，因此敷设于栈桥上管道的主要运动趋势是沿管道轴向滑动，栈桥上管道支撑与管道之间产生摩擦力荷载[4]。

2 独桩平台栈桥管道应力分析及布置优化

2.1 管道独立模型分析方法

该项目沿独立桩平台栈桥敷设的输油管道及独立桩相关参数见表1。

表1 输油管道及独立桩相关参数Table 1 Relative parameters of oil pipeline and single pile

输油立管与独立桩通过固定管卡连接（图2），该固定管卡对立管竖向及水平方向进行平动位移约束，该支架下部海面以下还有两个导向管卡对立管进行水平方向的平动位移约束。

图2 独立桩与立管的连接示意图Fig. 2 Schematic diagram of connection between single pile and riser

输油管道和独立桩分别单独建模计算分析时，极端海冰工况下独立桩各管卡处的水平位移量见表2，其中第一管卡处的水平位移为483 mm，然后直接将约束立管的独立桩上各管卡支架处的海冰位移荷载施加于立管上进行应力分析。

表2 独立桩各管卡处水平附加位移量Table 2 Horizontal additional displacement at each pipe clamp on single pile

在对沿独立桩敷设的管道进行应力计算时，附加位移工况组合应综合考虑上述四个方向的水平位移量，分四种工况分别对输油管道应力进行校核评估。

该输油管道从海底敷设而来，沿独立桩向上敷设至平台，然后在平台上通过两个弯头拐向栈桥，通过栈桥将管道引向另一个大平台，固定于大平台上的收发球筒处。管道应力常规建模分析方法将管道作为一个单独的系统，使用CAESARⅡ软件建立起应力分析模型见图3。将独立桩管卡处的冰荷载位移通过关联节点施加于管道，管道与收发球筒处做简化固支处理，栈桥部分管道通过滑动支架安放于栈桥，当独立桩在冰荷载作用下带动栈桥晃动时，将对安放于其上的管道施加一个滑动摩擦力，此效应也在模型中通过关联节点的方法进行模拟。

图3 输油管道独立分析计算模型Fig. 3 Independent analysis and calculation model of oil pipeline

基于输油管道独立建模，CAESARⅡ分析计算结果见表3。该管道在各附加位移工况下的应力均严重超过标准允许值[6]，其中超标最为严重的工况为轴向附加位移（正向）工况，应力计算值为标准允许值的874%，收发球筒固定端处的推力为710 kN。从应力分析的角度，这是由于管道在较大的附加位移荷载作用下，自身缺乏足够的柔性吸收管道变形[8-9]。为此，提出以下四种提高管道柔性的方法：（a）在栈桥管道中部增加一个平面π型补偿器；（b）在栈桥管道增加两个平面π型补偿器；（c）在栈桥管道中部增加一个立体π型补偿器；（d）在栈桥管道增加两个立体π型补偿器。计算模型见图4，分析结果见表3。

图4 管道增设位移补偿器优化布置计算模型Fig. 4 Calculation model for optimal placement of additional displacement compensator in pipeline

表3 管道应力及推力分析结果Table 3 Analysis results of pipe stress and thrust

由表3可知，该管道极端海冰工况下由于附加位移作用，即使调整输油管道自身柔性来吸收管道附加位移，仍不能满足要求。

2.2 管桩耦合模型分析方法

独立桩结构为外径1 600 mm，壁厚34 mm的结构钢管；输油管道为外径457 mm，壁厚14.27 mm的钢管，且该管道在另一侧的平台上进行了固定[10]。对于输油管道和独立桩构成的结构系统而言，输油管道自身的结构刚度对该系统的影响因子不容忽略，因此采用管桩耦合整体系统理念，将输油管道、独立桩平台及栈桥作为一个整体建立分析模型，更符合管道系统受力实际。

极端海冰工况下海冰对独立桩的水平荷载约为600 kN，将输油管道与独立桩构建到一个应力分析系统中，管道与收发球筒处做简化固支处理，栈桥部分管道通过滑动支架安放于栈桥。当独立桩在冰荷载作用下带动栈桥晃动时，将对安放于其上的管道施加一个滑动摩擦力，此效应也在模型中通过关联节点的方法进行模拟（图5）将上述海冰冲击荷载施加到该系统，再次进行应力计算。通过计算分析可知，极端海冰工况下独立桩最大水平位移同样发生在第一个管卡处，为258 mm，降低为单独考虑独立桩结构时的53%。

图5 管桩耦合整体分析模型Fig. 5 Overall analysis model of pipe-pile coupling

采用基于管桩耦合的管道应力计算模型，CAESARⅡ分析计算结果见表4，分析计算可知，若不采取任何柔性补偿措施，其最大应力计算值为标准允许值的258%，收发球筒固定端处的推力为218 kN，仍需要提高管道柔性以满足强度要求。

依据管道应力分析结果，提出以下几种提高管道柔性方法：（a）在栈桥管道中部增加一个平面π型补偿器；（b）在栈桥管道增加两个平面π型补偿器；（c）在栈桥管道中部增加一个立体π型补偿器；（d）在栈桥管道增加两个立体π型补偿器。针对以上补偿措施，基于管桩耦合分析模型，分析管道的应力及推力结果见表4。

表4 基于管桩耦合模型管道应力及推力分析结果Table 4 Analysis results of pipe stress and thrust based on pipe-pile coupling model

对表4计算结果分析可知，虽然采用了基于管桩耦合系统的管道应力分析方法，并采取了相应的柔性补偿方案，管道应力仍然超过标准允许值约30%。分析应力超标节点可知，最大应力超标点为输油管道立管第一个管卡处，另外一个位置是靠近大平台的π型补偿器处。因此考虑以下两种方案进行优化设计：（a）调整π型补偿器尺寸；（b）在独立桩管卡与管道之间增加一层橡胶板，以降低独立桩附加位移荷载对输油管道的冲击荷载。计算结果见表5。